串口通信协议和Linux下的串口编程

一、串口通信介绍：
串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节，尽管比按位字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信属于异步串行通信方式。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。

二、串口接头：
常见的串口接头有两种，一种是9针串口（简单DB-9），一种是25针串口（简称DB-25）。

以DB9为例为例，如图：

母头：泛指所有带孔状的接头（5针朝下，从左到右依次是1~9）
公头：泛指所有带针状的接头（5针朝下，从右到左依次是1~9）

各引脚的功能如下图

三、TTL电平和RS232电平：

1、TTL（Transistor-Transistor Logic），即晶体管-晶体管逻辑的简称，它是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL电平信号应用广泛，是因为其数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑”1”，0V等价于逻辑”0”。
数字电路中，由TTL电子元器件组成电路的电平是个电压范围，规定：
输出高电平>=2.4V，输出低电平<=0.4V；
输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。

2、RS232电平
RS232电平是串口的一个标准。

在TXD和RXD数据线上：
　　（1）逻辑1为-3~-15V的电压
　　（2）逻辑0为3~15V的电压
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
　　（1）信号有效（ON状态）为3~15V的电压
　　（2）信号无效（OFF状态）为-3~-15V的电压
这是由通信协议RS-232规定的。
RS-232：标准串口，最常用的一种串行通讯接口。有三种类型(A,B和C)，它们分别采用不同的电压来表示on和off。最被广泛使用的是RS-232C，它将mark(on)比特的电压定义为-3V到-12V之间，而将space(off)的电压定义到+3V到+12V之间。传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

注意：RS-232 是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体管逻辑集成电路（TTL）以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反。而我们 STM32 芯片使用的就是 TTL 电平，所以要实现 STM32 与计算机的串口通信，需要进行 TTL与 RS-232C 电平转换，通常使用的电平转换芯片是 MAX3232

四、串口通信

两台计算机进行通信时，最少可以只要三根线，分别为RXD,TXD GND。

串口通信属于异步串行通信方式
异步通信是指发送和接收端使用的是各自的时钟，并且它是一种不连续的传输通信方式，一次通信只能传输一个字符数据（字符帧）。字符帧之间的间隙可以是任意的，下图是异步串行通信帧格式：

起始位：接收方探测，默认总线空闲时是高电平，一旦来一个位的低电平，说明一帧数据开始了。紧接着就是数据位，一帧数据有多少个数据位，由通信双方定义。

数据位：在起始位之后，发送端发出的就是数据位，数据位的位数没有严格限制（5-8位都可以）。低位在前，高位在后。由低位向高位逐位发送。

校验位：数据位发完了，一般会跟奇偶校验位(奇校验、偶校验、无校验)，验证收发双方的数据是否正常。

奇校验: 数据位加上校验位保证1的个数为奇数；

偶校验: 数据位加上校验位保证1的个数为偶数

停止位：数据发完之后，会发一个停止位，停止位的宽度一般是： 1， 1.5， 2

空闲位：空闲位是指从一个字符的停止位结束到下一个字符的起始位开始，表示线路处于空闲状态，必须由高电平来填充。

五、Linux串口编程

在Linux系统中，一切皆文件，所以串口设备也是一类文件，学习过Linux驱动程序的学员都知道，Linux有三类设备：字符设备，块设备，网络设备。那么串口设备属于字符设备。所以串口设备的命名一般为/dev/ttySn(n = 0、1、2…)，如果该串口为USB转串口，可能名称为/dev/ttyUSBn(n = 0、1、2…)，不同的平台下串口的名称是不同的，且串口的名称也是可以更改的。如何更改？在板卡对应的Linux驱动中更改。

在Linux下操作串口，那么也就是跟操作一个文件一样，既然是文件，也就可以使用标准的文件操作API来操作。

在进行文件操作时，我们先看一下操作串口需要包含的有文件：

#include <stdio.h>   /*标准输入输出的定义*/
#include <errno.h>  /*错误号定义*/
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>  /*文件控制定义*/
#include <termios.h>    /*PPSIX 终端控制定义*/
#include <stdlib.h> /*标准函数库定义*/
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> /*UNIX 标准函数定义*/

1、打开串口

fd = open("/dev/ttyUSB0",O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
open的第二个参数可以设置为如下：

O_RDONLY：以只读方式打开文件

O_WRONLY：以只写方式打开文件

O_RDWR：以读写方式打开文件
（O_RDONLY和O_WRONLY和O_RDWR三个中必选一个）

O_APPEND：写入数据时添加到文件末尾

O_CREATE：如果文件不存在则产生该文件，使用该标志需要设置访问权限位mode_t

O_EXCL：指定该标志，并且指定了O_CREATE标志，如果打开的文件存在则会产生一个错误

O_TRUNC：如果文件存在并且成功以写或者只写方式打开，则清除文件所有内容，使得文件长度变为0

O_NOCTTY：如果打开的是一个终端设备，这个程序不会成为对应这个端口的控制终端，如果没有该标志，任何一个输入，例如键盘中止信号等，都将影响进程。

O_NONBLOCK：该标志与早期使用的O_NDELAY标志作用差不多。程序不关心DCD信号线的状态，如果指定该标志，进程将一直在休眠状态，直到DCD信号线为0。

2、写串口

write（fd， buf，sizeof（buf））；

和写入其他设备文件的方式相同，write函数也会返回发送数据的字节数或者发生错误的时候返回-1。通常，发送数据最常见的错误就是EIO，当调制解调器或者数据链路将Data Carrier Detect（DCD）信号线弄掉了，就会发生这个错误，而且，直至关闭端口这个情况会一直持续。

3、读串口

read（ fd， buf， sieof（buf））；

当端口在raw data mode操作模式下，那么read系统调用将返回从串口输入缓冲区中实际得到的字节数，如果没有数据可读，那么该系统调用将会被阻塞（block）直到有数据为止，如果超过一定时间仍然没有数据可读，那么将返回一个错误（读错误）。read函数也可以立即返回（即在没有数据可读的情况下也能立即返回，而不是被阻塞），需要做如下工作：
fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);

FNDELAY选项的意思是read函数在没有数据可读的情况下立即返回0。需要重新回到阻塞模式（blocking）下，那么在调用fcntl()的时候不要加上FNDELAY这个选项：
fcntl(fd, F_SETFL, 0);

4、关闭串口

关闭串口使用close系统调用，例如：
close(fd);

5、串口属性配置

如果不设置串口的波特率，数据位，停止位，校验位的情况下，Linux下默认设置的属性值为：

波特率：9600

数据位：8

校验位：n(表示无)

停止位：1

在不设置串口属性值的情况下，也可以读写串口值。

但是在实际产品开发过程中，还是会根据不同的应用场景来设置串口的属性。很多系统都支持POSIX终端（串口）接口，程序可以利用这个接口来改变终端的参数，比如波特率，字符大小等，要利用这个端口的话，你必须将<termios.h>头文件包含到你的程序中，这个头文件中定义了终端控制结构体和POSIX控制函数。

设置串口属性先要tcgetattr（）用来取得设备终端属性，然后中间设置波特率，设置停止位，校验位，数据位等，最后用tcsetattr（）设置终端的属性。调用这两个函数的时候，需要提供一个包含着所有串口选项的tremios结构体：

struct termios
 
      {
 
      tcflag_t  c_iflag;  //输入选项
 
      tcflag_t  c_oflag;  //输出选项
 
      tcflag_t  c_cflag;  //控制选项
 
      tcflag_t  c_lflag;  //行选项
 
      cc_t      c_cc[NCCS]; //控制字符
       
       };

通过termios结构体的c_cflag成员可以控制串口波特率、数据位、校验位、停止位以及硬件流控制等等，位成员有：

1）设置串口波特率
使用函数cfsetispeed设置输入波特率和cfsetospeed设置输出波特率

struct termios options;

tcgetattr(fd, &options);

cfsetispeed(&options, B19200);

cfsetospeed(&options, B19200);

2）通过位掩码的方式激活本地连接和接受使能选项：CLOCAL和CREAD

options.c_cflag | = CLOCAL | CREAD;

3）设置数据位

数据位指的是每字节中实际数据所占的比特数。要修改数据位可以通过修改termios结构体中c_cflag成员来实现。CS5、CS6、CS7和CS8分别表示数据位为5、6、7和8。值得注意的是，在设置数据位时，必须先使用CSIZE做位屏蔽。

options.c_cflag &= ~CSIZE;

options.c_cflag |= CS8;

4）设置校验位

奇偶校验可以选择偶校验、奇校验等方式，也可以不使用校验。如果要设置为偶校验的话，首先要将termios结构体中c_cflag设置PARENB标志，并清除PARODD标志。如果要设置奇校验，要同时设置termios结构体中c_cflag设置PARENB标志和PARODD标志。激活c_iflag中的奇偶效验使能,如果不想使用任何校验的话，清除termios结构体中c_cflag的PARENB位。

设置奇校验

options.c_cflag |= PARENB;

options.c_cflag |= PARODD;

options.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); //INPCK 打开输入奇偶校验,ISTRIP 去掉字符第8位

设置偶校验

options.c_iflag |= (INPCK｜ISTRIP);

options.c_cflag |= PARENB;

options.c_cflag |= ~PARODD;

设置无校验位

options.c_cflag &= ~PARENB;

5）设置停止位

用CSTOPB只能设置1位或2位，通过设置c_cflag中的CSTOPB设置停止位。若停止位为1，则清除CSTOPB；若停止位为2，则激活CSTOPB。

一位停止位

options.c_cflag &=~CSTOP;

两位停止位

options.c_cflag |=CSTOPB;

6）设置最少字符和等待时间

在对接收字符和等待时间没有特别要求的情况下，可以将其设置位0.

newtio.c_cc[VTIME] = 0;
newtio.c_cc[VMIN] = 0;

7）调用函数”tcflush(fd,queue_selector)”来处理要写入引用的对象

queue_selector可能的取值有以下几种

TCIFLUSH:刷新收到的数据但是不读

TCOFLUSH:刷新写入的数据但是不传送

TCIOFLUSH:同时刷新收到的数据但是不读，并且刷新写入的数据但是不传送。

7）最后tcsetattr（）设置终端的属性

*int tcsetattr(int fd, int optional_actions, const struct termios termios_p);

第一个参数：fd为打开的终端文件描述符

第二个参数：optional_actions用于控制修改起作用的时间。
可以取如下值：
optional_actions可以取如下的值：

TCSANOW：不等数据传输完毕就立即改变属性。

TCSADRAIN：等待所有数据传输结束才改变属性。

TCSAFLUSH：等待所有数据传输结束,清空输入输出缓冲区才改变属性。

第三个参数：结构体termios_p中保存了要修改的参数。

调用该函数出现的错误信息：

EBADF：非法的文件描述符。

EINTR：tcsetattr函数调用被信号中断。

EINVAL：参数optional_actions使用了非法值，或参数termios中使用了非法值。

六、简单的Linux串口编程

读串口程序

#include <sys/time.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h> //标准函数库定义
#include <unistd.h> //unix标准函数定义
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h> //文件控制定义
#include <termios.h> //POSIX终端控制定义

int main(int argc, char **argv)
{
        int fd = -1;
        int rv = -1;
        char buf[128];

        struct termios options;//该结构体包含串口的选项
        /*struct termios
         {
            tcflag_t  c_iflag;  //输入选项
            tcflag_t  c_oflag;  //输出选项
            tcflag_t  c_cflag;  //控制选项
            tcflag_t  c_lflag;  //行选项
            cc_t      c_cc[NCCS]; //控制字符
         }*/

        fd_set rset;

        fd = open("/dev/ttyUSB3",O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);//打开串口设备
        if(fd < 0)
        {
                printf("open ttyUSB3 failure:%s\n",strerror(errno));
                close(fd);
                return -1;
        }

        printf("open ttyUSB3 successfuly\n");

        memset(&options, 0, sizeof(options));

        rv = tcgetattr(fd, &options);//获取原有的串口属性的配置

        if(rv != 0 )
        {
                printf("tcgetattr failure:%s\n", strerror(errno));
                return -2;
        }
        options.c_cflag|=(CLOCAL|CREAD);//CREAD开启串行数据接收，CLOCAL并打开本地连接模式
        //options.c_cflag &= ~(ECHO |ICANON |ECHOE);
        options.c_cflag &= ~CSIZE;//先使用CSIZE做位屏蔽
        options.c_cflag |= CS8;//设置8位数据位
        options.c_cflag &= ~PARENB;//无校验位

        /*设置115200波特率*/
        cfsetispeed(&options,B115200);//设置输入波特率
        cfsetospeed(&options,B115200);//设置输出波特率

        options.c_cflag &= ~CSTOPB;//设置一位停止位
        options.c_cc[VTIME] = 0;//非规范模式读取时的超时时间
        options.c_cc[VMIN] = 0;//非规范模式读取时的最小字符数

        tcflush(fd, TCIFLUSH);//tcflush清空终端未完成的输入/输出请求及数据；TCIFLUSH表示清空正收到的数据，且不>
读取出来

        rv=tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);//设置终端的属性
        if(rv != 0)
        {
                printf("tcsetattr failure:%s\n",strerror(errno));
                close(fd);
                return -3;
        }


        while(1)
        {
                FD_ZERO(&rset);
                FD_SET(fd, &rset);

                rv = select(fd+1, &rset, NULL, NULL,NULL);
                if(rv < 0)
                {
                        printf("select failure:%s\n",strerror(errno));
                        close(fd);
                }
                if(rv ==0)
                {
                        printf("select timeout\n");
                        close(fd);
                        }

                memset(buf, 0, sizeof(buf));

                rv = read(fd, buf, sizeof(buf));
                if(rv <0)
                {
                        printf("read from buf failure:%s\n",strerror(errno));
                        close (fd);
                }
                printf("read from buf %d  %s bytes\n",rv, buf);
                sleep(3);
        }

        close(fd);
        return 0;
}

写串口程序

#include <sys/time.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h> //标准函数库定义
#include <unistd.h> //unix标准函数定义
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h> //文件控制定义
#include <termios.h> //POSIX终端控制定义

#define BUF   "[email protected]"
int main(int argc, char **argv)
{
        int fd = -1;
        int rv = -1;


        struct termios options;//该结构体包含串口的选项
        /*struct termios
         {
            tcflag_t  c_iflag;  //输入选项
            tcflag_t  c_oflag;  //输出选项
            tcflag_t  c_cflag;  //控制选项
            tcflag_t  c_lflag;  //行选项
            cc_t      c_cc[NCCS]; //控制字符
         }*/



        fd = open("/dev/ttyUSB3",O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);//打开串口设备
        if(fd < 0)
        {
                printf("open ttyUSB3 failure:%s\n",strerror(errno));
                close(fd);
                return -1;
        }

        printf("open ttyUSB3 successfuly\n");

        memset(&options, 0, sizeof(options));

        rv = tcgetattr(fd, &options);//获取原有的串口属性的配置

        if(rv != 0 )
        {
                printf("tcgetattr failure:%s\n", strerror(errno));
                return -2;
        }
        options.c_cflag|=(CLOCAL|CREAD);//CREAD开启串行数据接收，CLOCAL并打开本地连接模式
        //options.c_cflag &= ~(ECHO |ICANON |ECHOE); 
        options.c_cflag &= ~CSIZE;//先使用CSIZE做位屏蔽
        options.c_cflag |= CS8;//设置8位数据位
        options.c_cflag &= ~PARENB;//无校验位

        /*设置115200波特率*/
        cfsetispeed(&options,B115200);//设置输入波特率
        cfsetospeed(&options,B115200);//设置输出波特率

        options.c_cflag &= ~CSTOPB;//设置一位停止位

        options.c_cc[VTIME] = 0;//非规范模式读取时的超时时间
         options.c_cc[VMIN] = 0;//非规范模式读取时的最小字符数

        tcflush(fd, TCIFLUSH);//tcflush清空终端未完成的输入/输出请求及数据；TCIFLUSH表示清空正收到的数据，且不>
读取出来

        rv=tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);//设置终端的属性
        if(rv != 0)
        {
                printf("tcsetattr failure:%s\n",strerror(errno));
                close(fd);
                return -3;
        }

        while(1)
        {

                rv = write(fd, BUF,strlen(BUF)) ;
                if(rv < 0)
                {
                        printf("write error:%s\n",strerror(errno));
                        close(fd);
                }
                printf("write to read successfuly %d %s \n",rv, BUF);

                sleep(3);
        }

       close(fd);
        return 0;
}

总的来说进行串口通信总有一个是主动方一个是被动方，而且二者传输数据时，会有一定的协商好的数据格式，二者发送接收都按照此数据格式进行。此篇记录自己学习串口编程的学习，更多关于串口的学习，请关注我接下来的博客

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