Linux 串口编程
在linux下编写终端程序时，有规范模式 ，非规范模式（原始模式特殊的非规范模式）之分。不用于终端，而是在串口这种使用情况下，一般设置为原始模式（非规范的一种特殊情况）。但用read()函数，希望从串口接收指定的数量的字符时，往往接收到的实际字符数，都与指定的不同。如本人用read（）希望接收 10 bytes的数据，但实验后发现，分了几次才接收到，俩次接收2bytes ，两次接收3bytes。
查阅相关资料得知：
（操作串口相当于操作物理层，OSI／ISO模型中的第一层，解决祯同步问题是第二层的任务，所以我们需要自己搭一个第二层。
也就是说：我们需要通过定义通讯协议，规定数据的内容自己分析什么时候收完了一次需要的数据。因为通讯过程中无法保证一次发送的数据肯定是一次接收的）
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 */
}
再次参考下APUE的tread() 和treadn（）函数，这组函数结合了select函数，使得在放弃之前，有了个时间来阻塞。有了一定的时间容限。例如把select中的tv.tv_sec = 1;这样就不会把 原本正常的俩个字节的时间间隔，误判为错误了。
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 */
}
实际应用如：
某个串口通信协议一帧为10个字节，linux 必须接收1帧后去解析该帧的命令。波特率1200 。在linux中必须有个读取一帧数据的函数，该函数不能‘一直等待接收10个字节’，而必须在一定时间内没有收到完整的一帧就放弃该帧，这样才能防止对方发送错误或者通信中的错误带来的问题。 利用treadn()很好的配合该思路的实现。可以定时限为10ms。如果超过10ms（可以设置长点）这treadn()也会返回，这时判断如果实际收到的数据小于10，则丢弃即可。本人用1200的波特率，tv设置成了500us，工作的很好。
#include <stdio.h> //标准输入输出定义
#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中断控制定义
#include <errno.h> //错误号定义
2.打开串口
串口位于/dev中，可作为标准文件的形式打开，其中：
串口1 /dev/ttyS0
串口2 /dev/ttyS1
代码如下：
fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR);
if(fd == -1)
{
Perror(“串口1打开失败！”);
}
//else
//fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);
O_NOCTTY：告诉Unix这个程序不想成为“控制终端”控制的程序，不说明这个标志的话，任何输入都会影响你的程序。
O_NDELAY：告诉Unix这个程序不关心DCD信号线状态，即其他端口是否运行，不说明这个标志的话，该程序就会在DCD信号线为低电平时停止。
3.设置波特率
最基本的串口设置包括波特率、校验位和停止位设置，且串口设置主要使用termios.h头文件中定义的termios结构，如下：
struct termios
{
tcflag_t c_iflag; //输入模式标志
tcflag_t c_oflag; //输出模式标志
tcflag_t c_cflag; //控制模式标志
tcflag_t c_lflag; //本地模式标志
cc_t c_line; //line discipline
cc_t c_cc[NCC]; //control characters
}
代码如下：
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; //定义termios结构
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);
}
}
}
TCSANOW：立即执行而不等待数据发送或者接受完成。
TCSADRAIN：等待所有数据传递完成后执行。
TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change
4.设置数据位、停止位和校验位
以下是几个数据位、停止位和校验位的设置方法：（以下均为1位停止位）
8位数据位、无校验位：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS8;
7位数据位、奇校验：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag |= PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位数据位、偶校验：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag &= ~PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位数据位、Space校验：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
代码如下：
{
struct termios Opt;
if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0)
{
perror("tcgetattr fd");
return FALSE;
}
Opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); //一般必设置的标志
switch(databits) //设置数据位数
{
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) //设置校验位
{
case 'n':
case 'N':
Opt.c_cflag &= ~PARENB; //清除校验位
Opt.c_iflag &= ~INPCK; //enable parity checking
break;
case 'o':
case 'O':
Opt.c_cflag |= PARENB; //enable parity
Opt.c_cflag |= PARODD; //奇校验
Opt.c_iflag |= INPCK //disable parity checking
break;
case 'e':
case 'E':
Opt.c_cflag |= PARENB; //enable parity
Opt.c_cflag &= ~PARODD; //偶校验
Opt.c_iflag |= INPCK; //disable pairty checking
break;
case 's':
case 'S':
Opt.c_cflag &= ~PARENB; //清除校验位
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB; //??????????????
Opt.c_iflag |= INPCK; //disable pairty checking
break;
default:
fprintf(stderr, "Unsupported parity.\n");
return FALSE;
}
switch(stopbits) //设置停止位
{
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; //设置超时为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;
}
5.某些设置项
在第四步中我们看到一些比较特殊的设置，下面简述一下他们的作用。
c_cc数组的VSTART和VSTOP元素被设定成DC1和DC3，代表ASCII标准的XON和XOFF字符，如果在传输这两个字符的时候就传不过去，需要把软件流控制屏蔽，即：
Opt.c_iflag &= ~ (IXON | IXOFF | IXANY);
有时候，在用write发送数据时没有键入回车，信息就发送不出去，这主要是因为我们在输入输出时是按照规范模式接收到回车或换行才发送，而更多情况下我们是不必键入回车或换行的。此时应转换到行方式输入，不经处理直接发送，设置如下：
Opt.c_lflag &= ~ (ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
还存在这样的情况：发送字符0X0d的时候，往往接收端得到的字符是0X0a，原因是因为在串口设置中c_iflag和c_oflag中存在从NL-CR和CR-NL的映射，即串口能把回车和换行当成同一个字符，可以进行如下设置屏蔽之：
Opt.c_iflag &= ~ (INLCR | ICRNL | IGNCR);
Opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);
6.读写串口
发送数据方式如下，write函数将返回写的位数或者当错误时为-1。
char buffer[1024];
int length;
int nByte;
nByte = write(fd, buffer, length);
读取数据方式如下，原始数据模式下每个read函数将返回实际串口收到的字符数，如果串口中没有字符可用，回叫将会阻塞直到以下几种情况：有字符进入；一个间隔计时器失效；错误发送。
在打开串口成功后，使用fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY)语句，可以使read函数立即返回而不阻塞。FNDELAY选项使read函数在串口无字符时立即返回且为0。
char buffer[1024];
int length;
int readByte;
readByte = read(fd, buffer, len);
注意：设置为原始模式传输数据的话，read函数返回的字符数是实际串口收到的字符数。Linux下直接用read读串口可能会造成堵塞，或者数据读出错误，此时可使用tcntl或者select等函数实现异步读取。用select先查询com口，再用read去读就可以避免上述错误。
7.关闭串口
串口作为文件来处理，所以一般的关闭文件函数即可：
close(fd);
8.例子
这个例子中，需要打开串口1，设置9600波特率、8位数据位、1位停止位以及空校验，之后利用while语句循环判断串口中是否可以读出数据，将串口中数据连续读出后重新写回到串口中。
该程序可与minicom联合测试。
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>
main()
{
int fd;
int i;
int len;
int n = 0;
char read_buf[256];
char write_buf[256];
struct termios opt;
fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY); //默认为阻塞读方式
if(fd == -1)
{
perror("open serial 0\n");
exit(0);
}
tcgetattr(fd, &opt);
cfsetispeed(&opt, B9600);
cfsetospeed(&opt, B9600);
if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0 )
{
perror("tcsetattr error");
return -1;
}
opt.c_cflag &= ~CSIZE;
opt.c_cflag |= CS8;
opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
opt.c_cflag &= ~PARENB;
opt.c_cflag &= ~INPCK;
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
opt.c_cc[VTIME] = 0;
opt.c_cc[VMIN] = 0;
tcflush(fd, TCIOFLUSH);
printf("configure complete\n");
if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0)
{
perror("serial error");
return -1;
}
printf("start send and receive data\n");
while(1)
{
n = 0;
len = 0;
bzero(read_buf, sizeof(read_buf)); //类似于memset
bzero(write_buf, sizeof(write_buf));
while( (n = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) > 0 )
{
for(i = len; i < (len + n); i++)
{
write_buf[i] = read_buf[i - len];
}
len += n;
}
write_buf[len] = '\0';
printf("Len %d \n", len);
printf("%s \n", write_buf);
n = write(fd, write_buf, len);
printf("write %d chars\n",n);
sleep(2);
}
}
9.附录
c_cflag用于设置控制参数，除了波特率外还包含以下内容：
EXTA External rate clock
EXTB External rate clock
CSIZE Bit mask for data bits
CS5 5个数据位
CS6 6个数据位
CS7 7个数据位
CS8 8个数据位
CSTOPB 2个停止位（清除该标志表示1个停止位
PARENB 允许校验位
PARODD 使用奇校验（清除该标志表示使用偶校验）
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标志可以定义CLOCAL和CREAD，这将确保该程序不被其他端口控制和信号干扰，同时串口驱动将读取进入的数据。CLOCAL和CREAD通常总是被是能的。
c_lflag用于设置本地模式，决定串口驱动如何处理输入字符，设置内容如下：
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用于设置如何处理串口上接收到的数据，包含如下内容：
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用于设置如何处理输出数据，包含如下内容：
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定义了控制字符，包含以下内容：
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之间有复杂的关系。VTIME定义要求等待的时间（百毫米，通常是unsigned char变量），而VMIN定义了要求等待的最小字节数（相比之下，read函数的第三个参数指定了要求读的最大字节数）。
如果VTIME=0，VMIN=要求等待读取的最小字节数，read必须在读取了VMIN个字节的数据或者收到一个信号才会返回。
如果VTIME=时间量，VMIN=0，不管能否读取到数据，read也要等待VTIME的时间量。
如果VTIME=时间量，VMIN=要求等待读取的最小字节数，那么将从read读取第一个字节的数据时开始计时，并会在读取到VMIN个字节或者VTIME时间后返回。
如果VTIME=0，VMIN=0，不管能否读取到数据，read都会立即返回。
