张高兴的 .NET IoT 入门指南：（六）串口通信入门
在开始之前，首先要说明的是串口通信所用到的 SerialPort 类并不包含在 System.Device.Gpio NuGet 包中，而是在 System.IO.Ports NuGet 包中。之所以在这里介绍串口通信，是因为在嵌入式中串口通信是与其他设备进行交互的一种重要方式，而且在某些没有屏幕的设备中充当着程序调试的工具。
什么是串口
串口是串行接口的简称，这是一个非常大的概念，在嵌入式中串口通常指 UART （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）。使用串口进行的通信叫做串行通信，与之相对的一个概念是并行通信。串行通信是指数据一位一位的按顺序传输，而并行通信则是多位数据同时传输。如图1所示，DATA BUS 到 UART 1 之间是并行通信，UART 1 到 UART 2 之间是串行通信。
图1：串行通信与并行通信
串口通信的数据帧格式如图2所示，通常一帧共包括 10 位：1 个起始位，8 个数据位和 1 个停止位。有一些特殊的数据帧在停止位前面包含 1 位的奇偶校验位，还有的停止位有 2 个比特。其中起始位为低电平（0），标志着数据传输的开始；停止位为高电平（1），表示数据帧传输结束；数据位则为实际发送的数据，使用高低电平来表示比特信息，如果发送的内容是文本，那么这段数据为字符的二进制编码（ASCII，UTF-8……）。数据传输的速率我们使用波特率（Baud Rate）来表示，即每秒钟传送的码元符号的个数[1]。比如数据传输速率为 9600 字符/s，那么这时的波特率为 9600。
图2：串口通信的数据帧
设备进行串口通信时，设备的连线如图3所示，两个设备的信号线，即发送端（TXD）与接收端（RXD）交叉相连，并且需要共地。在 Raspberry Pi 的引脚上共引出了 1 组串口，即 UART 0 ，对应 8 和 10 号引脚。
图3：串口设备的连接
相关类
串口操作的相关类位于 System.IO.Ports 命名空间下。
SerialPort
public class SerialPort : Component
{
// portName 为串口的名称，可以使用静态方法 GetPortNames() 获取
public SerialPort(string portName);
// 传输的波特率
public int BaudRate { get; set; }
// 指定传输内容的编码
public Encoding Encoding { get; set; }
// 新行格式，即设置换行的字符
public string NewLine { get; set; }
// 设置停止位的格式
public StopBits StopBits { get; set; }
// 设置校验位的格式
public Parity Parity { get; set; }
// 打开串口通信流
public void Open();
// 关闭串口通信流
public void Close();
// 向串口通信流中写一行字符
public void WriteLine(string text);
// 从串口通信流中读一行字符
public string ReadLine();
// 读取缓冲区中的所有可用内容，一般用于清空缓冲区，防止读取旧的内容
public string ReadExisting();
// 获取可用的串口名称
public static string[] GetPortNames();
}
串口通信的步骤
- 配置串口通信参数，如波特率，内容编码，新行格式，超时时间等。
SerialPort sp = new SerialPort(portName: "/dev/ttyUSB0")
{
BaudRate = 115200,
Encoding = Encoding.UTF8,
ReadTimeout = 500,
WriteTimeout = 500,
}
- 打开串口
sp.Open();
- 读取和写入文本
sp.WriteLine($"Text content.");
string content = sp.ReadLine();
- 关闭串口
sp.Close();
USB 串口通信实验
硬件需求
| 名称 | 数量 |
|---|---|
| USB 串口 | x1 |
| 杜邦线 | 若干 |
USB 串口设备只要 Raspberry Pi 支持即可，这里使用的是 FT232RL。
电路
- GND - GND
- RX - TX (Pin 8)
- TX - RX (Pin 10)
- USB - USB
使用 Docker 运行示例
示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/SerialCommunication
docker build -t serial-sample -f Dockerfile .
docker run --rm -it --device /dev/ttyUSB0 --device /dev/ttyS0 serial-sample
代码
- 打开 Visual Studio ，新建一个 .NET Core 控制台应用程序，项目名称为“SerialCommunication”。
- 引入 System.IO.Ports NuGet 包。
- 在 Program.cs 中，将主函数代码替换如下：
static void Main(string[] args)
{
using (SerialPort usb = new SerialPort(portName: "/dev/ttyUSB0"))
{
usb.BaudRate = 115200;
usb.Encoding = Encoding.UTF8;
usb.ReadTimeout = 500;
usb.WriteTimeout = 500;
usb.Open();
using (SerialPort rpi = new SerialPort(portName: "/dev/ttyS0"))
{
rpi.BaudRate = 115200;
rpi.Encoding = Encoding.UTF8;
rpi.ReadTimeout = 500;
rpi.WriteTimeout = 500;
rpi.Open();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
rpi.WriteLine($"Hello {i}!");
Console.WriteLine($"USB receive: {usb.ReadLine()}");
}
rpi.Close();
}
usb.Close();
}
}
- 发布、拷贝、更改权限、运行
效果图
供参考
- Universal asynchronous receiver-transmitter - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter
- Serial Communication - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_communication
- BASICS OF UART COMMUNICATION：http://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/
- 波特率 - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/波特率
