linux下的串口通信原理及编程实例

1 串口通讯

       串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议。

2 串口通讯的数据格式

　　　一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。

          每一个字符的前面都有一位起始位(低电平)，字符本身由7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位(检验位可以是奇校验、偶校验或无校验位)，最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。实际传输时每一位的信号宽度与波特率有关，波特率越高，宽度越小，在进行传输之前，双方一定要使用同一个波特率设置。

3 通讯方式

         单工模式（Simplex Communication）的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。

半双工模式（Half Duplex）通信使用同一根传输线，既可以发送数据又可以接收数据，但不能同时进行发送和接收。数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。半双工通信中每端需有一个收发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方向传输。因为有切换，所以会产生时间延迟，信息传输效率低些。

        全双工模式（Full Duplex）通信允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，信息传输效率高。

        显然，在其它参数都一样的情况下，全双工比半双工传输速度要快，效率要高。

4 偶校验与奇校验

        在标准ASCII码中，其最高位(b7)用作奇偶校验位。所谓奇偶校验，是指在代码传送过程中用来检验是否出现错误的一种方法，一般分奇校验和偶校验两种。奇校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数，若非奇数，则在最高位b7添1；偶校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数，若非偶数，则在最高位b7添1。

5 停止位

        停止位是按长度来算的。串行异步通信从计时开始，以单位时间为间隔（一个单位时间就是波特率的倒数），依次接受所规定的数据位和奇偶校验位，并拼装成一个字符的并行字节；此后应接收到规定长度的停止位“1”。所以说，停止位都是“1”，1.5是它的长度，即停止位的高电平保持1.5个单位时间长度。一般来讲，停止位有1，1.5，2个单位时间三种长度。

6 波特率

    波特率就是每秒钟传输的数据位数。

    波特率的单位是每秒比特数(bps)，常用的单位还有：每秒千比特数Kbps，每秒兆比特数Mbps。串口典型的传输波特率600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。

    PLC/PC与称重仪表通讯时，最常用的波特率是9600bps，19200bps。PLC/PC或仪表与大屏幕通讯时，最常用的波特率是600bps。

7 典型的串口通讯标准

    EIA RS232(通常简称“RS232”）: 1962年由美国电子工业协会(EIA)制定。

    EIA RS485(通常简称“RS485”）: 1983年由美国电子工业协会(EIA)制定。

8 RS232串口

    RS232是计算机与通信工业应用中最广泛一种串行接口。它以全双工方式工作，需要地线、发送线和接收线三条线。RS232只能实现点对点的通信方式。

8.1 RS232串口缺点

    ●接口信号电平值较高，接口电路芯片容易损坏。

    ●传输速率低，最高波特率19200bps。

    ●抗干扰能力较差。

    ●传输距离有限，一般在15m以内。

    ●只能实现点对点的通讯方式。

8.2 RS232串口接口定义

    RXD：接收数据，TXD：发送数据，GND/SG：信号地。

8.3 电脑DB9针接口定义

    电脑DB9针接口是常见的RS232串口，其引脚定义如下：

    2号脚：RXD(接收数据)

    3号脚：TXD(发送数据)

    5号脚：SG或GND(信号地)

    其它脚：我们不用

电脑RS232串口与仪表串口连接图：

9 RS485串口

9.1 RS485串口特点

    ●RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力,信号能传输上千米。

    ●RS485有两线制和四线制两种接线。采用四线制时，只能实现点对多的通讯(即只能有一个主设备，其余为从设备)。四线制现在很少采用，现在多采用两线制接线方式。

    ●两线制RS485只能以半双式方式工作，收发不能同时进行。

    ●RS485在同一总线上最多可以接32个结点，可实现真正的多点通讯，但一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。

    ●因RS485接口具有良好的抗干扰能力，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。

10 串口通讯硬件常见的注意事项

    ●通讯电缆端子一定接牢，不可有任何松动，否则，可能会烧坏仪表或上位机的通讯板。

    ●不可带电拔插通讯端子，否则，可能会烧坏仪表或上位机的通讯板，一定要关闭仪表电源后才能去拔插通讯端子或接通讯线。

    ●通讯用的屏蔽电缆最好选用双层隔离型屏蔽电缆，其次选用单层屏蔽电缆，最好不要选用无屏蔽层的电缆,且电缆屏蔽层一定要能完全屏蔽，有些质量差的电缆，屏蔽层很松散，根本起不到屏蔽的作用。单层屏蔽的电缆屏蔽层应一端接地，双层屏蔽的电缆屏蔽层其外层（含铠装）应两端接地，内层屏蔽则应一端接地。

    ●仪表使用RS232通讯时，通讯电缆长度不得超过15米。

    ●一般RS485协议的接头没有固定的标准，可能根据厂家的不同引脚顺序和管脚功能可能不尽相同，用户可以查阅相关产品RS485的引脚图。

    ●RS485通讯电缆最好选用阻阬匹配、低衰减的RS485专用通讯电缆（双绞线），不要使用普通的双绞电缆或质量较差的通讯电缆。因为普通电缆或质量差的通讯电缆，可能阻抗不匹配、衰减大、绞合度不够、屏蔽层太松散，这样会导致干扰将非常大，会造成通讯不畅，甚至通讯不上。

    ●仪表使用RS485通讯时，每台仪表必须手牵手地串下去，不可以有星型连接或者分叉，如果有星型连接或者分叉，干扰将非常大，会造成通讯不畅，甚至通讯不上。

●485总线结构理论上传输距离达到1200米，一般是指通讯线材优质达标，波特率9600，只有一台485设备才能使得通讯距离达到1200米，而且能通讯并不代表每次通讯都正常，所以通常485总线实际的稳定通讯距离远远达不到1200米。负载485设备多，线材阻抗不同时，通讯距离更短。

    ●仪表使用RS485通讯时，必要时，请接入终端电阻，以增强系统的抗干扰性，典型的终端电阻阻值是120欧。

11 串口通讯软件设置要点

11.1 有关通讯的一些基本概念

    ●主机与从机：在通讯系统中起主要作用、发布主要命令的称为主机，接受命令的称为从机。

    ●连续方式：指主机不需要发布命令，从机就能自动地向主机发送数据。

    ●指令方式：指主机向从机发布命令，从机根据指令执行动作，并将结果“应答”给主机的模式。

    ●输出数据类型：指在连续方式通讯时，从机输出给主机的数据类型。

    ●通讯协议：指主机与从机通讯时，按哪一种编码规则来通讯。

    ●波特率：主从机之间通讯的速度。

    ●数据位：每次传输数据时，数据由几位组成。

    ●校验位：数据传输错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。

    ●地址：每一台从机的编号。

11.2 主从机之间通讯设置要点

    ●要点一：主/从RS232/485硬件有无设置正确，通讯线有无接对。有些通讯板卡是RS422与RS485共用的，依靠板上跳线来实现的，有些仪表RS232/485也需要通讯跳线来实现。

    ●要点二：主机上的通讯端口有无设置正确；超时（一般设置为2s）、通讯延时（一般设置为5～20ms)、ACK信号延时（一般设置为0ms)有无设置正确。

    ●要点三：主/从机通讯协议有无选择正确。

    ●要点四：主/从机波特率有无选择正确。

    ●要点五：主/从机数据位有无选择正确。数据位可以选择7位，8位。

    ●要点六：主/从机校验位有无选择正确。校验位一般可选择偶校验、奇校验、无校验。

    ●要点七：主/从机停止位有无选择正确。停止位可以选择1位、1.5位还是2位。

    ●要点八：从机地址有无选择正确。

    ●要点九：主/从机的通讯方式有无选择正确。 

    进行通讯测试的时候经常会进行线路测试，测试所用的串口线是否可用，方法有二如下：

1> 把串口线接到不同的串口，用串口调试工具从一个串口发数据，另一个能正常收到说明串口线是OK的。

2> 把串口线的一端短接（用金属把2,3号脚连通），用万用表测另一端的2,3号如果正常的话会有嘀嘀的短接报警声。

1、串口的操作

1.1打开：fd = open("/dev/ttySAC1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

              O_RDWR 读写方式打开；

              O_NOCTTY 不允许进程管理串口（不太理解，一般都选上）；

              O_NDELAY 非阻塞（默认为阻塞，打开后也可以使用fcntl()重新设置）

1.2写入：n = write(fd, "linux", 5);

                n实际写入字节数；

1.3读取：res = read(fd,buf,len);

                 res 读取的字节数；

1.4设置：fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY); //非阻塞

                 fcntl(fd, F_SETFL, 0); // 阻塞

1.5关闭：close(fd);

2、串口配置

struct termios options;  // 串口配置结构体

tcgetattr(fd,&options); //获取当前设置

bzero(&options,sizeof(options));

options.c_cflag  |= B115200 | CLOCAL | CREAD; // 设置波特率，本地连接，接收使能

options.c_cflag &= ~CSIZE; //屏蔽数据位

options.c_cflag  |= CS8; // 数据位为 8 ，CS7 for 7

options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 一位停止位， 两位停止为 |= CSTOPB

options.c_cflag &= ~PARENB; // 无校验

 //options.c_cflag |= PARENB; //有校验

//options.c_cflag &= ~PARODD // 偶校验

//options.c_cflag |=  PARODD    // 奇校验

options.c_cc[VTIME] = 0; // 等待时间，单位百毫秒 （读）。后有详细说明

options.c_cc[VMIN] = 0; // 最小字节数 （读）。后有详细说明

tcflush(fd, TCIOFLUSH); // TCIFLUSH刷清输入队列。

                                       TCOFLUSH刷清输出队列。 

                                       TCIOFLUSH刷清输入、输出队列。

tcsetattr(fd, TCSANOW, &options); // TCSANOW立即生效；

TCSADRAIN：Wait until everything has been transmitted；

TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change

3、VTIME 和  VMIN

VTIME  定义要求等待的零到几百毫秒的值(通常是一个8位的unsigned char变量)。

VMIN 定义了要求等待的最小字节数, 这个字节数可能是0。

只有设置为阻塞时这两个参数才有效，仅针对于读操作。

说起来比较复杂，举个例子吧，设置为阻塞状态，写操作未进行实验，这里仅讨论读操作，

read(fd,&buf,8); // 读串口

3.1

options.c_cc[VTIME] = 0;

options.c_cc[VMIN] = 0;

VMIN = 0，当缓冲区字节数 >= 0 时进行读操作，实际上这时读串口操作并未被阻塞，因为条件始终被满足。

3.2

options.c_cc[VTIME] = 0;

options.c_cc[VMIN] = 1;

VMIN = 1，当缓冲区字节数 >= 1 时进行读操作，当没有数据时读串口操作被阻塞。

3.3

options.c_cc[VTIME] = 0;

options.c_cc[VMIN] = 4;

VMIN = 4，当缓冲区字节数 >= 4 时进行读操作，否则读串口操作被阻塞。每次读出的最大字节数由read函数中第三个参数决定。直到缓冲区剩下的数据< read 第三个参数 并且< 4 （如果这时read第三参数为 1 则进行4次读操作直至读完缓冲区，如read第三参数为2，连续进行读操作，直至缓冲区空或还剩一个字符）。没有设置VTIME，剩下的字符没有确定的期限，直到下次满足读条件的时候才被读出。

----------------------------------考虑VTIME-----------------------------

3.4

options.c_cc[VTIME] = 10; //单位百毫秒

options.c_cc[VMIN] = 4;

同3.3的区别就是，没满足条件或读缓冲区中剩下的数据会在1秒（10百毫秒）后读出。另外特别注意的是当设置VTIME后，如果read第三个参数小于VMIN ，将会将VMIN 修改为read的第三个参数，即使用read(fd,&buf,2);，以上设置变为：

options.c_cc[VTIME] = 10;

options.c_cc[VMIN] = 2;

 =====================================================================

1>打开串口函数open_port()中要实现的函数：

(1)open("/dev/ttys0",O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);/*打开串口0*/

(2)fcntl(fd,F_SETFL,0)/*恢复串口为阻塞状态*/

(3)isatty(STDIN_FILENO) /*测试是否为中断设备 非0即是中断设备*/

2> 配置串口参数函数set_opt()中要实现的函数:

(1)保存原先有串口配置

tcgetattr(fd,&oldtio);

(2)先将新串口配置清0

bzore(&newtio,sizeof(newito));

(3)激活选项CLOCAL和CREAD 并设置数据位大小

newtio.c_cflag |=CLOCAL | CREAD;

newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

newtio.c_cflag |=CS8;

(4)设置奇偶校验

奇校验:

newtio.c_cflag |= PARENB;

newtio.c_cflag |= PARODD;

newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);

偶校验:

newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);

newtio.c_cflag |= PAREND;

newtio.c_cflag &= ~PARODD;

无奇偶校验：

newtio.c_cflag &= ~PARENB;

(5) 设置停止位

newtio.c_cflag &= ~CSTOPB; /*停止位为1*/

newtio.c_cflag |= CSTOPB;/*停止位为0*/

(6)设置波特率:

cfsetispeed(&newtio,B115200);

cfsetospeed(&newtio,B115200);

(7)设置等待时间和最小接受字符:

newtio.c_cc[VTIME] = 0;

newtio.c_cc[VMIN] = 0;

(8)处理为接收字符:

tcflush(fd,TCIFLUSH);

(9)激活新配置:

tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio);

3.读写串口

write(fd,buff,8);

read(fd,buff,8);

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)

{

/* 五个参量 fd打开文件 speed设置波特率 bit数据位设置   neent奇偶校验位 stop停止位 */

 struct termios newtio,oldtio;

 if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) {

perror("SetupSerial 1");

return -1;

 }

    bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );

    newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;

    newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

    switch( nBits )

    {

    case 7:

        newtio.c_cflag |= CS7;

    break;

    case 8:

        newtio.c_cflag |= CS8;

    break;

    }

    switch( nEvent )

    {

    case 'O':

        newtio.c_cflag |= PARENB;

        newtio.c_cflag |= PARODD;

        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);

        break;

    case 'E':

        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);

        newtio.c_cflag |= PARENB;

        newtio.c_cflag &= ~PARODD;

        break;

    case 'N':

        newtio.c_cflag &= ~PARENB;

        break;

    }

switch( nSpeed )

    {

    case 2400:

        cfsetispeed(&newtio, B2400);

        cfsetospeed(&newtio, B2400);

        break;

    case 4800:

        cfsetispeed(&newtio, B4800);

         cfsetospeed(&newtio, B4800);

        break;

    case 9600:

        cfsetispeed(&newtio, B9600);

        cfsetospeed(&newtio, B9600);

        break;

    case 115200:

        cfsetispeed(&newtio, B115200);

        cfsetospeed(&newtio, B115200);

        break;

    default:

        cfsetispeed(&newtio, B9600);

        cfsetospeed(&newtio, B9600);

        break;

    }

    if( nStop == 1 )

        newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;

    else if ( nStop == 2 )

    newtio.c_cflag |= CSTOPB;

    newtio.c_cc[VTIME] = 0;

    newtio.c_cc[VMIN] = 0;

    tcflush(fd,TCIFLUSH);

    if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)

    {

        perror("com set error");

        return -1;

    }

    printf("set done!\n");

    return 0;

}

int open_port(int fd,int comport)

{

/* fd 打开串口 comport表示第几个串口 */

    char *dev[]={"/dev/ttyS0","/dev/ttyS1","/dev/ttyS2"};

    long vdisable;

    if (comport==1)

    {    fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);

        if (-1 == fd){

            perror("Can't Open Serial Port");

            return(-1);

        }

        else

            printf("open ttyS0 .....\n");

    }

    else if(comport==2)

    {    fd = open( "/dev/ttyS1", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);

    if (-1 == fd){

        perror("Can't Open Serial Port");

            return(-1);

        }

        else

            printf("open ttyS1 .....\n");

    }

    else if (comport==3)

    {

        fd = open( "/dev/ttyS2", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);

        if (-1 == fd){

            perror("Can't Open Serial Port");

            return(-1);

        }

        else

            printf("open ttyS2 .....\n");

    }

    if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)