串口通訊編程（linux）

rs232是三芯通訊，即DB9的第2引腳RXD（接收）、第3引腳TXD（發送資料）、第5引腳DG（訊號地）。

rs232是三芯通訊，485是兩芯通訊的，RS-232串口線 通常 是 DB9--DB9 的 串口通訊線，9芯

RS-485資料線 是 雙絞線或者屏蔽雙絞線，232傳輸距離較近，485傳輸距離比較遠，485是單工（向）通訊，232是雙工（向）的。

通訊編程都沒有區別，都是按照RS232編程的，電腦沒有485介面，需要用一個232轉485的轉換器就可以了。

串口的操作一般都通過四個步驟來完成：
1、開啟串口
2、配置串口：對串口的傳輸速率、資料位元、停止位、校正碼、等進行設定。
3、讀寫串口
4、關閉串口

        在linux下編寫終端程式時，有規範模式，非規範模式（原始模式特殊的非規範模式）之分。不用於終端，而是在串口這種使用方式下，一般設定為原始模式（非規範的一種特殊情況）。但用read()函數，希望從串口接收指定的數量的字元時，往往接收到的實際字元數，都與指定的不同。如本人用read（）希望接收 10 bytes的資料，但實驗後發現，分了幾次才接收到，倆次接收2bytes
，兩次接收3bytes。

 查閱相關資料得知：

      一般地串口的讀寫入模式有直接模式和緩衝模式，在直接模式下，串口的讀寫都是單位元組的，也就是說一次的read或write只能操作一個位元組；但是大部份串口晶片都支援緩衝模式，緩衝模式一般同時支援中斷彙總和逾時機制，也就是說在有資料時，當緩衝滿或者逾時時間到時，都會觸發讀或寫中斷。寫的時候可以將要操作的資料先搬到緩衝裡，然後啟動寫操作，晶片會自動將一連串的資料寫出，在讀的時候類似，一次讀到的是串口晶片緩衝裡的資料。串口裝置的緩衝一般有限，一次能read到的最大位元組數就是緩衝的容量。所以串口晶片的緩衝容量決定了你一次能收到的位元組數。

     本人用一個usb轉232來充當串口接收時，發現一次可以接收8個bytes。對於具體一次傳輸多少位元組也不去追究了，總之通訊過程中無法保證一次發送的資料肯定是一次接收的，所以必須寫代碼來一次一次的接收，直到接收滿足預定的為止，當然在此過程中得使用select/poll來避免逾時接收。

      即從通訊的角度來說，接受方必須自己解決如何識別一個禎的問題.（操作串口相當於操作物理層，OSI／ISO模型中的第一層，解決禎同步問題是第二層的任務，所以我們需要自己搭一個第二層。也就是說：我們需要通過定義通訊協議，規定資料的內容自己分析什麼時候收完了一次需要的資料。因為通訊過程中無法保證一次發送的資料肯定是一次接收的）

       簡單的串口編程，一般設定成阻塞模式，便可以了。但是在大多數應用場合，把串口設定成阻塞模式是很不實用的，如read()時，如果沒有資料發來，這程式一直會阻塞在這裡（除非用多線程）。因此一般把其設定為非阻塞模式。一般是需要用串口讀取指定長度的資料，但是read函數實際讀取的資料長度，往往會與指定的不同，所以必須自己編寫一個讀寫N位元組資料的函數:很快想到用個迴圈，但是迴圈中必須有
‘即使一直沒有收到指定長度的資料但在一定時間後也必須跳出迴圈’的機制，否則就與阻塞模式的沒有區別了（也就是讓函數一直等，等到指定長度資料接收為止）。參考下APUE的程式清單14-11的readn（）函數，此函數看似很好，但是它不適合用於串口的讀取，因為它一旦if(nread = read(fd, ptr, nleft) < 0) 就立刻會跳出迴圈，沒有絲毫的時間上的容限，而串口的接收必然沒有這麼快，如若傳輸速率為1200，是比較慢的。倆個位元組傳輸的間隔，其都會被判斷為錯誤而跳出。當然該函數對於讀寫檔案是非常好用的。

ssize_t             /* Read "n" bytes from a descriptor  */
readn(int fd, void *ptr, size_t n)
{
 size_t  nleft;
 ssize_t  nread;

 nleft = n;
 while (nleft > 0) {
  if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
   if (nleft == n)
    return(-1); /* error, return -1 */
   else
    break;      /* error, return amount read so far */
  } else if (nread == 0) {
   break;          /* EOF */
  }
  nleft -= nread;
  ptr   += nread;
 }
 return(n - nleft);      /* return >= 0 */
}

非阻塞I/O使我們的操作要麼成功，要麼立即返回錯誤，不被阻塞。
對於一個給定的描述符兩種方法對其指定非阻塞I/O:
(1)調用open獲得描述符，並指定O_NONBLOCK標誌
(2)對已經開啟的檔案描述符，調用fcntl，開啟O_NONBLOCK檔案狀態標誌。
int flags，s為描述符

C/C++ code
flags = fcntl( s, F_GETFL, 0 ) )
fcntl( s, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK )

 

 再次參考下APUE的tread() 和treadn（）函數，這組函數結合了select函數，使得在放棄之前，有了個時間來阻塞。有了一定的時間容限。例如把select中的tv.tv_sec = 1;這樣就不會把 原本正常的倆個位元組的時間間隔，誤判為錯誤了。ssize_t

tread(int fd, void *buf, size_t nbytes, unsigned int timout)

{

       int                         nfds;

       fd_set                   readfds;

       struct timeval  tv;

 

       tv.tv_sec = timout;

       tv.tv_usec = 0;

       FD_ZERO(&readfds);

       FD_SET(fd, &readfds);

       nfds = select(fd+1, &readfds, NULL, NULL, &tv);

       if (nfds <= 0) {

              if (nfds == 0)

                     errno = ETIME;

              return(-1);

       }

       return(read(fd, buf, nbytes));

}

 ssize_t

treadn(int fd, void *buf, size_t nbytes, unsigned int timout)

{

       size_t      nleft;

       ssize_t     nread;

 

       nleft = nbytes;

       while (nleft > 0) {

         if ((nread = tread(fd, buf, nleft, timout)) < 0) {

                     if (nleft == nbytes)

                            return(-1); /* error, return -1 */

                     else

                            break;      /* error, return amount read so far */

             } else if (nread == 0) {

                     break;          /* EOF */

              }

              nleft -= nread;

              buf += nread;

       }

 return(nbytes - nleft);      /* return >= 0 */

}

實際應用如：

某個串口通訊協定一幀為10個位元組，linux 必須接收1幀後去解析該幀的命令。傳輸速率1200 。在linux中必須有個讀取一幀資料的函數，該函數不能‘一直等待接收10個位元組’，而必須在一定時間內沒有收到完整的一幀就放棄該幀，這樣才能防止對方發送錯誤或者通訊中的錯誤帶來的問題。利用treadn()很好的配合該思路的實現。可以定時限為10ms。如果超過10ms（可以設定長點）這treadn()也會返回，這時判斷如果實際收到的資料小於10，則丟棄即可。本人用1200的傳輸速率，tv設定成了500us，工作的很好。

1、串口操作需要的標頭檔：

#include <stdio.h>         //標準輸入輸出定義
#include <stdlib.h>        //標準函數庫定義
#include <unistd.h>       //Unix標準函數定義
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>          //檔案控制定義
#include <termios.h>     //POSIX中斷控制定義
#include <errno.h>        //錯誤號碼定義

2.開啟串口

串口位於/dev中，可作為標準檔案的形式開啟，其中：
串口1 /dev/ttyS0
串口2 /dev/ttyS1
代碼如下：

int fd;
fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR);
if(fd == -1)
{
    Perror(“串口1開啟失敗！”);
}
//else
    //fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);

除了使用O_RDWR標誌之外，通常還會使用O_NOCTTY和O_NDELAY這兩個標誌。
O_NOCTTY：告訴Unix這個程式不想成為“控制終端”控制的程式，不說明這個標誌的話，任何輸入都會影響你的程式。
O_NDELAY：告訴Unix這個程式不關心DCD訊號線狀態，即其他連接埠是否運行，不說明這個標誌的話，該程式就會在DCD訊號線為低電平時停止

3.設定傳輸速率

最基本的串口設定包括傳輸速率、校正位和停止位設定，且串口設定主要使用termios.h標頭檔中定義的termios結構，如下：
struct termios
{
   tcflag_t  c_iflag;   //輸入模式標誌
   tcflag_t  c_oflag;  //輸出模式標誌
   tcflag_t  c_cflag;  //控制模式標誌
   tcflag_t  c_lflag;   //本地模式標誌
   cc_t   c_line;              //line discipline
   cc_t   c_cc[NCC];    //control characters
}
代碼如下：

int speed_arr[] = { B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, };
int name_arr[] = {38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300, 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300, };

void SetSpeed(int fd, int speed)
{
    int i;
    struct termios Opt;    //定義termios結構

    if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0)
    {
        perror(“tcgetattr fd”);
        return;
    }
    for(i = 0; i < sizeof(speed_arr) / sizeof(int); i++)
    {
        if(speed == name_arr[i])
        {
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);
            cfsetispeed(&Opt, speed_arr[i]);
            cfsetospeed(&Opt, speed_arr[i]);
            if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0)
            {
                perror(“tcsetattr fd”);
                return;
            }
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);
        }
    }
}

注意tcsetattr函數中使用的標誌：
TCSANOW：立即執行而不等待資料發送或者接受完成。
TCSADRAIN：等待所有資料傳遞完成後執行。
TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change

4.設定資料位元、停止位和校正位

以下是幾個資料位元、停止位和校正位的設定方法：（以下均為1位停止位）
8位元據位、無校正位：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS8;
7位元據位、奇數同位：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag |= PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位元據位、偶校正：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag &= ~PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位元據位、Space校正：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
代碼如下：

int SetParity(int fd, int databits, int stopbits, int parity)
{
    struct termios Opt;
    if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0)
    {
        perror("tcgetattr fd");
        return FALSE;
    }
   Opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);        //一般必設定的標誌

    switch(databits)        //設定資料位元數
    {
    case 7:
        Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
        Opt.c_cflag |= CS7;
        break;
    case 8:
        Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
        Opt.c_cflag |= CS8;
        berak;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported data size.\n");
        return FALSE;
    }

    switch(parity)            //設定校正位
    {
    case 'n':
    case 'N':
        Opt.c_cflag &= ~PARENB;        //清除校正位
        Opt.c_iflag &= ~INPCK;        //enable parity checking
        break;
    case 'o':
    case 'O':
        Opt.c_cflag |= PARENB;        //enable parity
        Opt.c_cflag |= PARODD;        //奇數同位
        Opt.c_iflag |= INPCK            //disable parity checking
        break;
    case 'e':
    case 'E':
        Opt.c_cflag |= PARENB;        //enable parity
        Opt.c_cflag &= ~PARODD;        //偶校正
        Opt.c_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking
        break;
    case 's':
    case 'S':
        Opt.c_cflag &= ~PARENB;        //清除校正位
        Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;        //??????????????
        Opt.c_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported parity.\n");
        return FALSE;    
    }

    switch(stopbits)        //設定停止位
    {
    case 1:
        Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
        break;
    case 2:
        Opt.c_cflag |= CSTOPB;
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported stopbits.\n");
        return FALSE;
    }

    opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
 
    opt.c_oflag &= ~OPOST;
    opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);    //添加的
 
    opt.c_iflag &= ~(ICRNL | INLCR);
    opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);    //添加的

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    Opt.c_cc[VTIME] = 0;        //設定逾時為15sec
    Opt.c_cc[VMIN] = 0;        //Update the Opt and do it now
    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0)
    {
        perror("tcsetattr fd");
        return FALSE;
    }

    return TRUE;
}

在用write發送資料時沒有鍵入斷行符號，資訊就將發送不出去的情況，這主要是因為我們在輸出輸入時是按照 規範模式接受到斷行符號或者換行才發送，而很多情況我們是不需要斷行符號和換行的，這時，應當切換到行方式輸入，設定options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);不經處理直接發送。

5.某些設定項
在第四步中我們看到一些比較特殊的設定，下面簡述一下他們的作用。
c_cc數組的VSTART和VSTOP元素被設定成DC1和DC3，代表ASCII標準的XON和XOFF字元，如果在傳輸這兩個字元的時候就傳不過去，需要把軟體流量控制屏蔽，即：
Opt.c_iflag &= ~ (IXON | IXOFF | IXANY);
有時候，在用write發送資料時沒有鍵入斷行符號，資訊就發送不出去，這主要是因為我們在輸入輸出時是按照規範模式接收到斷行符號或換行才發送，而更多情況下我們是不必鍵入斷行符號或換行的。此時應轉換到行方式輸入，不經處理直接發送，設定如下：
Opt.c_lflag &= ~ (ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
還存在這樣的情況：發送字元0X0d的時候，往往接收端得到的字元是0X0a，原因是因為在串口設定中c_iflag和c_oflag中存在從NL-CR和CR-NL的映射，即串口能把斷行符號和換行當成同一個字元，可以進行如下設定屏蔽之：
Opt.c_iflag &= ~ (INLCR | ICRNL | IGNCR);
Opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);
6.讀寫串口
發送資料方式如下，write函數將返回寫的位元或者當錯誤時為-1。
char buffer[1024];
int length;
int nByte;
nByte = write(fd, buffer, length);
讀取資料方式如下，未經處理資料模式下每個read函數將返回實際串口收到的字元數，如果串口中沒有字元可用，回叫將會阻塞直到以下幾種情況：有字元進入；一個間隔計時器失效；錯誤發送。
在開啟串口成功後，使用fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY)語句，可以使read函數立即返回而不阻塞。FNDELAY選項使read函數在串口無字元時立即返回且為0。
char buffer[1024];
int length;
int readByte;
readByte = read(fd, buffer, len);
注意：設定為原始模式傳輸資料的話，read函數返回的字元數是實際串口收到的字元數。Linux下直接用read讀串口可能會造成堵塞，或者資料讀出錯誤，此時可使用tcntl或者select等函數實現非同步讀取。用select先查詢com口，再用read去讀就可以避免上述錯誤。

 

也可以每個連接埠各open兩個fd，一個rfd讀方式開啟(O_RDONLY|O_NDELAY),
，一個wfd寫方式開啟(O_WRONLY),
把你設定參數的函數只對wfd設定

7.關閉串口
串口作為檔案來處理，所以一般的關閉檔案函數即可：
close(fd);
8.目錄
c_cflag用於設定控制參數，除了傳輸速率外還包含以下內容：
EXTA         External rate clock
EXTB         External rate clock
CSIZE         Bit mask for data bits
CS5         5個資料位元
CS6         6個資料位元
CS7         7個資料位元
CS8         8個資料位元
CSTOPB         2個停止位（清除該標誌表示1個停止位
PARENB         允許校正位
PARODD         使用奇數同位（清除該標誌表示使用偶校正）
CREAD         Enable receiver
HUPCL         Hangup (drop DTR) on last close
CLOCAL         Local line – do not change “owner” of port
LOBLK         Block job control outpu
c_cflag標誌可以定義CLOCAL和CREAD，這將確保該程式不被其他連接埠控制和訊號幹擾，同時串口驅動將讀取進入的資料。CLOCAL和CREAD通常總是被是能的。

c_lflag用於設定本地模式，決定串口驅動如何處理輸入字元，設定內容如下：
ISIG            Enable SIGINTR, SIGSUSP, SIGDSUSP, and SIGQUIT signals
ICANON         Enable canonical input (else raw)
XCASE         Map uppercase \lowercase (obsolete)
ECHO         Enable echoing of input characters
ECHOE         Echo erase character as BS-SP-BS
ECHOK         Echo NL after kill character
ECHONL         Echo NL
NOFLSH         Disable flushing of input buffers after interrupt or quit characters
IEXTEN         Enable extended functions
ECHOCTL         Echo control characters as ^char and delete as ~?
ECHOPRT         Echo erased character as character erased
ECHOKE         BS-SP-BS entire line on line kill
FLUSHO         Output being flushed
PENDIN         Retype pending input at next read or input char
TOSTOP         Send SIGTTOU for background output

c_iflag用於設定如何處理串口上接收到的資料，包含如下內容：
INPCK         Enable parity check
IGNPAR         Ignore parity errors
PARMRK      Mark parity errors
ISTRIP         Strip parity bits
IXON         Enable software flow control (outgoing)
IXOFF         Enable software flow control (incoming)
IXANY         Allow any character to start flow again
IGNBRK         Ignore break condition
BRKINT         Send a SIGINT when a break condition is detected
INLCR         Map NL to CR
IGNCR         Ignore CR
ICRNL         Map CR to NL
IUCLC         Map uppercase to lowercase
IMAXBEL      Echo BEL on input line too long

c_oflag用於設定如何處理輸出資料，包含如下內容：
OPOST         Postprocess output (not set = raw output)
OLCUC         Map lowercase to uppercase
ONLCR         Map NL to CR-NL
OCRNL         Map CR to NL
NOCR         No CR output at column 0
ONLRET      NL performs CR function
OFILL         Use fill characters for delay
OFDEL         Fill character is DEL
NLDLY         Mask for delay time needed between lines
NL0            No delay for NLs
NL1            Delay further output after newline for 100 milliseconds
CRDLY      Mask for delay time needed to return carriage to left column
CR0            No delay for CRs
CR1            Delay after CRs depending on current column position
CR2            Delay 100 milliseconds after sending CRs
CR3            Delay 150 milliseconds after sending CRs
TABDLY      Mask for delay time needed after TABs
TAB0            No delay for TABs
TAB1         Delay after TABs depending on current column position
TAB2         Delay 100 milliseconds after sending TABs
TAB3         Expand TAB characters to spaces
BSDLY      Mask for delay time needed after BSs
BS0         No delay for BSs
BS1         Delay 50 milliseconds after sending BSs
VTDLY      Mask for delay time needed after VTs
VT0         No delay for VTs
VT1         Delay 2 seconds after sending VTs
FFDLY      Mask for delay time needed after FFs
FF0         No delay for FFs
FF1         Delay 2 seconds after sending FFs

c_cc定義了控制字元，包含以下內容：
VINTR  Interrupt  CTRL-C
VQUIT  Quit    CTRL-Z
VERASE   Erase    Backspace (BS)
VKILL   Kill-line   CTRL-U
VEOF   End-of-file   CTRL-D
VEOL   End-of-line   Carriage return (CR)
VEOL2   Second    end-of-line Line feed (LF)
VMIN   Minimum number of characters to read  
VSTART   Start flow   CTRL-Q (XON)
VSTOP   Stop flow   CTRL-S (XOFF)
VTIME   Time to wait for data (tenths of seconds)

注意：控制符VTIME和VMIN之間有複雜的關係。VTIME定義要求等待的時間（百毫米，通常是unsigned char變數），而VMIN定義了要求等待的最小位元組數（相比之下，read函數的第三個參數指定了要求讀的最大位元組數）。
如果VTIME=0，VMIN=要求等待讀取的最小位元組數，read必須在讀取了VMIN個位元組的資料或者收到一個訊號才會返回。
如果VTIME=時間量，VMIN=0，不管能否讀取到資料，read也要等待VTIME的時間量。
如果VTIME=時間量，VMIN=要求等待讀取的最小位元組數，那麼將從read讀取第一個位元組的資料時開始計時，並會在讀取到VMIN個位元組或者VTIME時間後返回。
如果VTIME=0，VMIN=0，不管能否讀取到資料，read都會立即返回。