linux下的串口编程入门

1.简介
    串口通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收，异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。
        1.1同步通信
        同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。
        它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。
        同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。
        1.2异步通信
        异步通信中，数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。
        接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑"0"（即字符帧起始位）时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。
        在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。
        (1)字符帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。
        1.起始位：位于字符帧开头，占1位，始终为逻辑0电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。
        2.数据位：紧跟在起始位之后，可以设置为5位、6位、7位、8位，低位在前高位在后。
        3.奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用于表示串行通信中采用奇校验还是偶校验。
        (2)波特率，波特率是每秒钟传送二进制数码的位数，单位是b/s。
        异步通信的优点是不需要传送同步脉冲，字符帧长度也不受到限制。缺点是字符帧中因为包含了起始位和停止位，因此降低了有效数据的传输速率。
        1.3什么是RS-232
        RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）它是在 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是"数据终端设备（DTE）和 数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准"该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。传输距离在码元畸变小于 4% 的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺。
       1.4计算机串口引脚说明
        引出号     说明
1 接地
2 TXD输出
3 RXD输入
4 RTS请求发送
5 CTS请求接收
6 DSR数据序列就绪
7 GND逻辑地
8 DCD数据负载检测
9 保留
10 保留
11 未定义
12 后备DCD
13 后备CTS
14 后备TXD
15 传输时钟
16 后备RXD
17 接收时钟
18 未定义
19 后备RTS
20 DTR数据终端就绪
21 信号质量检测
22 闹钟检测
23 数据速率选择
24 传输时钟
25 未定义
      
       1.5    3线接法
       A机      B机
       2----------3    接收
       3----------2    发送
       5----------5     地线

       1.6全双工与半双工
        1.全双工，表示机器可以同时发送数据也可以接收数据，有两个独立的数据通道（一个用于发送，一个用于接收）
        2.半双工，表示机器不能在发送数据的同时也接收数据。

        1.7流量控制
        1)使用软件方法
        使用特殊的字符来标记数据流的开始和结束，比如XON,DC1,八进制021来标志开始，用X0FF,DC3,八进制023来标志结束。
        2)使用硬件方法
        使用RS232的CTS和RTS信号来代替特殊字符控制。当接收方准备接收更多数据时，设置CTS为0,反之设置成1。对应的发送端准备发送数据时，设置RTS为0。
         
2.串口访问函数
    1)打开串口
    int   fd;
    fd = open("/dev/ttyS0",O_RDWR|NOCTTY|O_NDELAY);
    ttyS0是串口1,ttyS1是串口2,O_RDWR|NOCTTY|O_NDELAY分别表示可读写,非控制终端(防止任意的中断信号(如键盘)影响程序的执行),不关注DCD信号线的状态.详细设置如下:
    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_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。
    O_SYNC 对I/O进行写等待
    返回值:成功返回文件描述符，如果失败返回-1
    2)关闭串口
    close(fd);  //返回值:成功返回0，否则返回-1
    3)向串口写数据
    int   n;
    n = write(fd,buff,bufLen);
    buff是数据的缓冲区地址,bufLen是其长度,n 是实际发送的长度
    4)从串口读数据
    n = read(fd,buff,bufLen);
    注意，在对串口进行读取操作的时候，如果是使用的RAW模式，每个read系统调用将返回当前串行输入缓冲区中存在的字节数。如果没有数据，将会一致阻塞 到有字符达到或者间隔时钟到期，或者发生错误。如果想使read函数在没有数据的时候立即返回则可以使用fcntl函数来设置文件访问属性。例如：
    fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);
    这样设置后，当没有可读取的数据时，read函数立即返回0。
    通过fcntl(fd, F_SETFL, 0)可以设置回一般状态。
    5)设置串口属性
    控制结构为:POSIX终端接口
    大多数系统都支持POSIX终端接口，POSIX终端通过一个termios结构来进行控制，该结构定义在termios.h文件中。
    termios结构
    struct termios
    {
                tcflag_t c_iflag; /* 输入选项标志 */
                tcflag_t c_oflag; /* 输出选项标志 */
                tcflag_t c_cflag; /* 控制选项标志 */
                tcflag_t c_lflag; /* 本地选项标志 */
                cc_t c_cc[NCCS]; /* 控制特性 */
    };
    (1)设置波特率
    struct termios Opt;
    tcgetattr(fd, &Opt);                   /*得到当前的串口属性*/
    cfsetispeed(&Opt,B19200);      /*设置为19200Bps*/
    cfsetospeed(&Opt,B19200);
    tcsetattr(fd,TCANOW,&Opt);  /*设置新的串口属性*/
    (2)设置控制模式
          ->流控
          不使用:Opt.c_cflag &= ~CRTSCTS
          硬件:    Opt.c_cflag   |=  CRTSCTS
          软件:    Opt.c_cflag    = IXON|IXOFF|IXANY
          ->设置字符的大小
          Opt.c_cflag &    =~    CSIZE   //先屏蔽字符大小位
          Opt.c_cflag        |=      CS8      //选择8位数据位
          Opt.c_cflag        |=      CS7      //选择7位数据位
          Opt.c_cflag        |=      CS6      //选择6位数据位
          Opt.c_cflag        |=      CS5      //选择5位数据位
          ->设置奇偶校验
          无校验位:    Opt.c_cflag &=~PARENB
          奇校验:        Opt.c_cflag |=   PARENB;
                               Opt.c_cflag &=PARODD;
          偶校验:        Opt.c_cflag |=PARENB;
                               Opt.c_cflag &=~PARODD;
3.串口通信实例:
    1)mycom.h
/*本程序符合GPL条约
MyCom.h
一组操作串口的函数
*/

/*串口结构*/
typedef struct{
    char    prompt;        /*prompt after reciving data*/
    int     baudrate;        /*baudrate*/
    char    databit;        /*data bits, 5, 6, 7, 8*/
    char     debug;            /*debug mode, 0: none, 1: debug*/
    char     echo;            /*echo mode, 0: none, 1: echo*/
    char    fctl;            /*flow control, 0: none, 1: hardware, 2: software*/
    char     tty;            /*tty: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7*/
    char    parity;        /*parity 0: none, 1: odd, 2: even*/
    char    stopbit;        /*stop bits, 1, 2*/
    const int reserved;        /*reserved, must be zero*/
}portinfo_t;
typedef portinfo_t *pportinfo_t;

/*
 *    打开串口，返回文件描述符
 *    pportinfo: 待设置的串口信息
*/
int PortOpen(pportinfo_t pportinfo);

/*
 *    设置串口
 *    fdcom: 串口文件描述符， pportinfo： 待设置的串口信息
*/
int PortSet(int fdcom, const pportinfo_t pportinfo);

/*
 *    关闭串口
 *    fdcom：串口文件描述符
*/
void PortClose(int fdcom);

/*
 *    发送数据
 *    fdcom：串口描述符， data：待发送数据， datalen：数据长度
 *    返回实际发送长度
*/
int PortSend(int fdcom, char *data, int datalen);

/*
 *    接收数据
 *    fdcom：串口描述符， data：接收缓冲区, datalen.：接收长度， baudrate：波特率
 *    返回实际读入的长度
*/
int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate);

    2)mycom.c
/*本程序符合GPL条约
MyCom.c
*/
#include <stdio.h>              /*printf*/
#include <fcntl.h>              /* open  */
#include <string.h>             /* bzero */
#include <stdlib.h>             /*exit   */
#include <sys/times.h>          /* times*/
#include <sys/types.h>          /* pid_t*/
#include <termios.h>        /*termios, tcgetattr(), tcsetattr()*/
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>          /* ioctl*/
#include "MyCom.h"
 
#define    TTY_DEV    "/dev/ttyS"    /*端口路径*/
#define TIMEOUT_SEC(buflen,baud) (buflen*20/baud+2)  /*接收超时*/
#define TIMEOUT_USEC 0
/*******************************************
 *    获得端口名称
********************************************/
char *get_ptty(pportinfo_t pportinfo)
{
    char *ptty;
 
    switch(pportinfo->tty){
        case '0':{
            ptty = TTY_DEV"0";
        }break;
        case '1':{
            ptty = TTY_DEV"1";
        }break;
        case '2':{
            ptty = TTY_DEV"2";
        }break;
    }
    return(ptty);
}
 
/*******************************************
 *    波特率转换函数（请确认是否正确）
********************************************/
int convbaud(unsigned long int baudrate)
{
    switch(baudrate){
        case 2400:
            return B2400;
        case 4800:
            return B4800;
        case 9600:
            return B9600;
        case 19200:
            return B19200;
        case 38400:
            return B38400;
        case 57600:
            return B57600;
        case 115200:
            return B115200;
        default:
            return B9600;
    }
}
 
/*******************************************
 *    Setup comm attr
 *    fdcom: 串口文件描述符，pportinfo: 待设置的端口信息（请确认）
 *
********************************************/
int PortSet(int fdcom, const pportinfo_t pportinfo)
{
    struct termios termios_old, termios_new;
    int     baudrate, tmp;
    char    databit, stopbit, parity, fctl;
 
    bzero(&termios_old, sizeof(termios_old));
    bzero(&termios_new, sizeof(termios_new));
    cfmakeraw(&termios_new);
    tcgetattr(fdcom, &termios_old);            /*get the serial port attributions*/
    /*------------设置端口属性----------------*/
    /*baudrates*/
    baudrate = convbaud(pportinfo -> baudrate);
    cfsetispeed(&termios_new, baudrate);        /*填入串口输入端的波特率*/
    cfsetospeed(&termios_new, baudrate);        /*填入串口输出端的波特率*/
    termios_new.c_cflag |= CLOCAL;            /*控制模式，保证程序不会成为端口的占有者*/
    termios_new.c_cflag |= CREAD;            /*控制模式，使能端口读取输入的数据*/
 
    /* 控制模式，flow control*/
    fctl = pportinfo-> fctl;
    switch(fctl){
        case '0':{
            termios_new.c_cflag &= ~CRTSCTS;        /*no flow control*/
        }break;
        case '1':{
            termios_new.c_cflag |= CRTSCTS;            /*hardware flow control*/
        }break;
        case '2':{
            termios_new.c_iflag |= IXON | IXOFF |IXANY;    /*software flow control*/
        }break;
    }
 
    /*控制模式，data bits*/
    termios_new.c_cflag &= ~CSIZE;        /*控制模式，屏蔽字符大小位*/
    databit = pportinfo -> databit;
    switch(databit){
        case '5':
            termios_new.c_cflag |= CS5;
        case '6':
            termios_new.c_cflag |= CS6;
        case '7':
            termios_new.c_cflag |= CS7;
        default:
            termios_new.c_cflag |= CS8;
    }
 
    /*控制模式 parity check*/
    parity = pportinfo -> parity;
    switch(parity){
        case '0':{
            termios_new.c_cflag &= ~PARENB;        /*no parity check*/
        }break;
        case '1':{
            termios_new.c_cflag |= PARENB;        /*odd check*/
            termios_new.c_cflag &= ~PARODD;
        }break;
        case '2':{
            termios_new.c_cflag |= PARENB;        /*even check*/
            termios_new.c_cflag |= PARODD;
        }break;
    }
 
    /*控制模式，stop bits*/
    stopbit = pportinfo -> stopbit;
    if(stopbit == '2'){
        termios_new.c_cflag |= CSTOPB;    /*2 stop bits*/
    }
    else{
        termios_new.c_cflag &= ~CSTOPB;    /*1 stop bits*/
    }
 
    /*other attributions default*/
    termios_new.c_oflag &= ~OPOST;            /*输出模式，原始数据输出*/
    termios_new.c_cc[VMIN]  = 1;            /*控制字符, 所要读取字符的最小数量*/
    termios_new.c_cc[VTIME] = 1;        /*控制字符, 读取第一个字符的等待时间    unit: (1/10)second*/
 
    tcflush(fdcom, TCIFLUSH);                /*溢出的数据可以接收，但不读*/
    tmp = tcsetattr(fdcom, TCSANOW, &termios_new);    /*设置新属性，TCSANOW：所有改变立即生效*/    tcgetattr(fdcom, &termios_old);
    return(tmp);
}
 
/*******************************************
 *    Open serial port
 *    tty: 端口号 ttyS0, ttyS1, ....
 *    返回值为串口文件描述符
********************************************/
int PortOpen(pportinfo_t pportinfo)
{
    int fdcom;    /*串口文件描述符*/
    char *ptty;
 
    ptty = get_ptty(pportinfo);
    /*fdcom = open(ptty, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK | O_NDELAY);*/
    fdcom = open(ptty, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);
 
    return (fdcom);
}
 
/*******************************************
 *    Close serial port
********************************************/
void PortClose(int fdcom)
{
    close(fdcom);
}
 
/********************************************
 *    send data
 *    fdcom: 串口描述符，data: 待发送数据，datalen: 数据长度
 *    返回实际发送长度
*********************************************/
int PortSend(int fdcom, char *data, int datalen)
{
    int len = 0;
 
    len = write(fdcom, data, datalen);    /*实际写入的长度*/
    if(len == datalen){
        return (len);
    }
    else{
        tcflush(fdcom, TCOFLUSH);
        return -1;
    }
}
 
/*******************************************
 *    receive data
 *    返回实际读入的字节数
 *
********************************************/
int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate)
{
    int readlen, fs_sel;
    fd_set    fs_read;
    struct timeval tv_timeout;
 
    FD_ZERO(&fs_read);
    FD_SET(fdcom, &fs_read);
    tv_timeout.tv_sec = TIMEOUT_SEC(datalen, baudrate);
    tv_timeout.tv_usec = TIMEOUT_USEC;
 
    fs_sel = select(fdcom+1, &fs_read, NULL, NULL, &tv_timeout);
    if(fs_sel){
        readlen = read(fdcom, data, datalen);
        return(readlen);
    }
    else{
        return(-1);
    }
 
    return (readlen);
}
 
/**************************Test*********************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fdcom, i, SendLen, RecvLen;
    struct termios termios_cur;
    char RecvBuf[10];
    portinfo_t portinfo ={
        '0',                              /* print prompt after receiving*/
         115200,                          /* baudrate: 9600*/
         '8',                              /* databit: 8*/
         '0',                              /* debug: off*/
         '0',                              /* echo: off*/
         '2',                              /* flow control: software*/
         '0',                              /* default tty: COM1*/
         '0',                              /* parity: none*/
         '1',                              /* stopbit: 1*/
          0                              /* reserved*/
    };
 
    if(argc != 2){
        printf("Usage: <type 0 -- send 1 -- receive>/n");
        printf("   eg:");
        printf("        MyPort 0");
        exit(-1);
    }
 
    fdcom = PortOpen(&portinfo);
    if(fdcom<0){
        printf("Error: open serial port error./n");
        exit(1);
    }
 
    PortSet(fdcom, &portinfo);
 
    if(atoi(argv[1]) == 0){
        /*send data*/
        for(i=0; i<100; i++){
            SendLen = PortSend(fdcom, "1234567890", 10);
            if(SendLen>0){
                printf("No %d send %d data 1234567890./n", i, SendLen);
            }
            else{
                printf("Error: send failed./n");
            }
            sleep(1);
        }
        PortClose(fdcom);
    }
    else{
        for(;;){
            RecvLen = PortRecv(fdcom, RecvBuf, 10, portinfo.baudrate);
            if(RecvLen>0){
                for(i=0; i<RecvLen; i++){
                    printf("Receive data No %d is %x./n", i, RecvBuf[i]);
                }
                printf("Total frame length is %d./n", RecvLen);
            }
            else{
                printf("Error: receive error./n");
            }
            sleep(2);
        }
    }
    return 0;
}

4.串口设置详解
       更详细的解释在:
http://tech.ccidnet.com/art/321/20060414/506801_1.html
       或者参看:
    参考资料

1.《Serial Programming Guide for POSIX Operating Systems》5th Edition Michael R.Sweet

2.《Linux 下串口编程入门》左锦

3.《Advanced Programming in the UNIX Environment》 W.Richard Stevens

4.《Linux Serial Programming HOWTO》

5.《Unix Systems Programming》Kay A.Robbins & Steven Robbins

6.《Linux Programming by Example》Arnold Robbins

        7.《Linux Programmer's Manual》