Linux串口编程
[!Note] 本篇文档旨在让大家理解FlyThings项目串口部分的代码是如何从零到有的这个过程,从而更容易理解我们最终提供的串口部分代码流程。
理解之后,您可以根据自己的需求任意修改源代码。
该产品基于Linux系统,所以我们可以完全沿用标准Linux编程来操作串口。
基本步骤
我将Linux串口编程分为以下5个步骤:打开串口、配置串口、读串口、写串口、关闭串口。
打开串口
#include <fcntl.h>
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
open
是系统函数,负责打开某个节点
以上代码表示:以可读可写的方式,尝试打开/dev/ttyS0
这个串口,如果打开成功,返回一个非负值,这个值表示串口描述符,若失败,返回一个负数,即错误码。
/dev/ttyS0
可以理解为串口号,类似Windows系统上的COM1
。配置串口
成功打开串口后,还需要配置串口,设置波特率等参数。int openUart() { int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY); struct termios oldtio = { 0 }; struct termios newtio = { 0 }; tcgetattr(fd, &oldtio); //设置波特率为115200 newtio.c_cflag = B115200 | CS8 | CLOCAL | CREAD; newtio.c_iflag = 0; // IGNPAR | ICRNL newtio.c_oflag = 0; newtio.c_lflag = 0; // ICANON newtio.c_cc[VTIME] = 0; newtio.c_cc[VMIN] = 1; tcflush(fd, TCIOFLUSH); tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio); //设置为非阻塞模式,这个在读串口的时候会用到 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK); return fd; }
[!Note] 以上是本平台的默认串口配置,8个数据位,1个停止位,无校验。非特殊需求请勿修改,
受限于硬件与驱动,如果修改其为其他配置,可能会无效。读串口
#include <fcntl.h>
unsigned char buffer[1024] = {0}; int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
read
是系统函数,它提供了读串口的功能,该函数需要三个参数:- 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中
open
函数的返回值。 - 第二个参数 是缓冲区指针,用于保存读取的串口数据。
- 第三个参数 是缓冲区长度,也表示本次最多能读取多少个字节。
调用该函数,
如果返回值大于0,表示有正确收到串口数据,且返回值等于读取到数据量的字节数。
如果返回值小于或等于0, 表示有错误或者暂时没读到数据。- 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中
发送串口
#include <fcntl.h>
unsigned char buffer[4] = {0}; buffer[0] = 0x01; buffer[1] = 0x02; buffer[2] = 0x03; buffer[3] = 0x04; int ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer));
write
是系统函数,它提供了发送串口的功能,该函数需要三个参数:- 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中
open
函数的返回值。 - 第二个参数 是待发送缓冲区指针。
- 第三个参数 是待发送缓冲区长度
调用该函数, 如果返回值大于0, 且返回值等于传递的第三个参数,表示发送成功。
如果返回值小于或等于0,表示异常。[!Note]
read
函数只是顺序读取串口收到的数据流,但不能保证一次就读取完整的数据。
例如,短时间内,串口收到了1000个字节的数据,缓冲区的长度为1024,虽然1024 > 1000,
但可能我们第一次read后仅读取了一部分数据,所以我们需要多次read,才能保证数据读取完整。- 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中
- 关闭串口
#include <fcntl.h>
close(fd);
close
是系统函数,需要的参数是串口描述符,即打开串口步骤中open
函数的返回值。
综合使用
以下是一个简单的Linux串口编程的完整例子,上面提到的几个基本步骤都有用到。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char** argv) {
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
if (fd < 0) {
//打开串口失败,退出
return -1;
}
struct termios oldtio = { 0 };
struct termios newtio = { 0 };
tcgetattr(fd, &oldtio);
newtio.c_cflag = B115200 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
newtio.c_iflag = 0; // IGNPAR | ICRNL
newtio.c_oflag = 0;
newtio.c_lflag = 0; // ICANON
newtio.c_cc[VTIME] = 0;
newtio.c_cc[VMIN] = 1;
tcflush(fd, TCIOFLUSH);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);
//设置为非阻塞模式
fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
while (true) {
unsigned char buffer[1024] = {0};
int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (ret > 0) {
//依次将读取到的数据输出到日志
for (int i = 0; i < ret; ++i) {
LOGD("收到%02x", buffer[i]);
}
//当收到数据时,再将收到的数据原样发送
int n = write(fd, buffer, ret);
if (n != ret) {
LOGD("发送失败");
}
//当收到0xFF时,跳出循环
if (buffer[0] == 0xFF) {
break;
}
} else {
//没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu
usleep(1000 * 50);
}
}
close(fd);
return 0;
}
如何从软件上保证串口稳定通信
当我们将上面的例子尝试应用到正式产品的时候,会不可避免地遇到这些问题:
串口通信可能会受到一定的干扰,她是不可靠的。
所以通常会制定通信协议, 这个协议一般包括帧头、帧尾、帧内容、校验等部分,
协议的使用可以最大程度地保证数据的完整性,使得串口通信变得可靠。举例:
如果我们定义协议, 以0xFF
0x55
开头,后面跟上8个有效字节为完整的一帧。
那么上面Linux串口通信的例子的代码大概会修改成这样子://仅列出关键部分,其余代码省略 while (true) { unsigned char buffer[1024] = {0}; int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); if (ret > 0) { if ((buffer[0] == 0xFF) && (buffer[1] == 0x55)) { if (ret == 10) { LOGD("正确读到一帧数据"); } else if (ret < 10) { LOGD("协议头正确,但是帧长度错误"); } } //当收到数据时,再将收到的数据原样发送 int n = write(fd, buffer, ret); if (n != ret) { LOGD("发送失败"); } //当收到0xFF时,跳出循环 if (buffer[0] == 0xFF) { break; } } else { //没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu usleep(1000 * 50); } }
当我们将上面的代码用于实际测试,频繁的收发,很可能会遇到 协议头正确,但是帧长度错误 的情况。为什么?
因为Linux系统调度或其他的原因,read
函数不能保证一次性将当时串口收到的所有数据都返回给你,
为了完整地读取串口数据,你需要多次调用read
函数,然后将前后收到的数据拼接起来,再按协议校验数据,从中找到有效的帧。
虽然这么做代码变得复杂,但它是合理的。
根据刚才的分析,再将例子代码修改为这样子://提高buffer数组的作用域,使得while循环中不会清空数据 unsigned char buffer[1024] = {0}; // 增加一个`legacy`变量,表示buffer中遗留的数据长度 int legacy = 0; while (true) { //根据legacy的大小,调整缓冲区的起始指针及大小,防止数据覆盖 int ret = read(fd, buffer + legacy, sizeof(buffer) - legacy); if (ret > 0) { if ((buffer[0] == 0xFF) && (buffer[1] == 0x55)) { if ((ret + legacy) == 10) { LOGD("正确读到一帧数据"); //清空legacy legacy = 0; } else if (ret < 10) { legacy += ret; LOGD("协议头正确,但是帧长度不够,则暂存在buffer里"); } } //当收到数据时,再将收到的数据原样发送 int n = write(fd, buffer, ret); if (n != ret) { LOGD("发送失败"); } //当收到0xFF时,跳出循环 if (buffer[0] == 0xFF) { break; } } else { //没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu usleep(1000 * 50); } }
实际应用中,我们不仅要处理串口通信,还要响应屏幕上各个按键等内容。
上面的例子中,从main
函数开始,接着就是一个while
循环,然后一直处理着串口消息,做不了其他事。
Linux系统支持 多线程 ,通常,我们会新建一个子线程,再将这个while
循环部分放到子线程中处理,这样就不会耽误我们继续其他操作。
如何修改,这里就不给出代码了。
总结
鉴于Linux上的串口通信编程,需要处理诸多细节的问题,FlyThings提供了一份通用代码,它解决了如下问题:
- 串口的打开、关闭、读写操作
- 协议的拼接处理
- 提供统一的数据回调接口
这部分的源码是完全 开源 的,可以任意新建一个FlyThings项目, 源码在项目的 uart 文件夹下。
如果对比 UartContext类的源码,你应该可以从中看到本篇文档的影子。
希望可以通过本篇文档,可以让你熟悉FlyThings项目的串口通讯部分的内容。