Linux串口编程实践

GNU/Linux程序 1.9k 字 次

经常有人问我关于Linux平台的串口编程问题，但我一直没有亲自尝试，首先在本本使用的是USB转串口线，不太稳定；二来只有一台PC，不能测试多个串口(以前写MFC串口程序时使用了虚拟串口软件来模拟多个串口)；三来ARM开发板只有区区一个串口(这个用于与PC间通信，对开发板进行操作)。最近，下了决心练习一下。当然，限于实际情况，只能在一个串口下测试，不涉及太高深的知识。

每个类unix系统中的串口设备文件不一样，一般地，Linux中的串口设备文件为/dev/ttySx，其中x为表示串口号的数字，从0开始。即在MS Windows系统中常见的com1、com2，到了Linux中则成了/dev/ttyS0、/dev/ttyS1。Linux的串口使用termios结构体进行配置，这个结构体的成员设置比较麻烦，不像MFC中拖一个控件、设置几个类成员就能解决的，这应该是许多人认为很难的原因。文章不涉及对termios的详细介绍，许多成员、标志也省略，因为文中后面给出的参考资料有详细介绍。同时，文中的“串口”有时与“termios”是同义词。
最基本的串口编程无非涉及下面的几点：

    1. 打开串口；
    1. 设置串口，如波特率、数位，等；
    1. 读/写串口(接收数据、发送数据)；
    1. 关闭串口。

一、打开串口

串口的打开需要使用系统调用open，

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int open_port(int port)
{
    int fd = -1; /* File descriptor for the port, we return it. */
    int ret;
    char device[13] = {0}; /* ??? sizeof("/dev/ttyUSB0")=12 */

    if (port < 1 || port > 4)
        error_ret("Sorry, the port number must be 1~4.");
    if (USB_SERIAL)
        sprintf(device, "/dev/ttyUSB%d", port-1);
    else
        sprintf(device, "/dev/ttyS%d", port-1);
    //printf("%s %d\n", device, sizeof(device));

    fd = open(device, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd == -1)
        unix_error_ret("Unable to open the port");

    /* block */
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, 0);
    if (ret < 0)
        unix_error_ret("fcntl");
    ret = isatty(STDIN_FILENO);
    if (ret == 0)
        error_ret("Standard input is not a terminal device.");
    debug_msg("Open the port success!\n");
    
    return fd;
}

我们只能打开前面4个串口(如果存在的话)，一般来说足够了。在处理设备文件名称时使用sprintf函数，而不是一一指定文件名称。其中的出错处理函数是自己定义的，可以在在线手册中看到它们的源代码(其实它们是宏定义，不是函数)。

二、关闭串口

串口的关闭十分简单，直接使用系统调用close就可以了。代码如下：

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int close_port(int fd)
{
    if(close(fd) < 0)
        unix_error_ret("Unable to close the port.");
    debug_msg("Close the port success!\n");

    return 0;
}

三、设置串口参数

串口的设置是最复杂的，先附上完整的代码，之后再简单说一下。

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int setup_port(int fd, int speed, int data_bits, int parity, int stop_bits)
{
    int speed_arr[] = {B115200, B9600, B38400, B19200, B4800};
    int name_arr[] = {115200, 9600, 38400, 19200, 4800};
    struct termios opt;
    int ret=-1;
    int i=0;
    int len=0;

    ret = tcgetattr(fd, &opt);        /* get the port attr */
    if (ret < 0)
        unix_error_ret("Unable to get the attribute");

    opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); /* enable the receiver, set local mode */
    opt.c_cflag &= ~CSIZE;            /* mask the character size bits*/

    /* baud rate */
    len = sizeof(speed_arr) / sizeof(int);
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        if (speed == name_arr[i])
        {
            cfsetispeed(&opt, speed_arr[i]);
            cfsetospeed(&opt, speed_arr[i]);
        }
        if (i == len)
            error_ret("Unsupported baud rate.");
    }
    
    /* data bits */
    switch (data_bits)
    {
    case 8:
        opt.c_cflag |= CS8;
        break;
    case 7:
        opt.c_cflag |= CS7;
        break;
    default:
        error_ret("Unsupported data bits.");
    }

    /* parity bits */
    switch (parity)
    {
    case 'N':
    case 'n':
        opt.c_cflag &= ~PARENB;
        opt.c_cflag &= ~INPCK; /* ?? */
        break;
    case 'O':
    case 'o':
        opt.c_cflag|=(INPCK|ISTRIP); /*enable parity check, strip parity bits*/
        opt.c_cflag |= (PARODD | PARENB);
        break;
    case 'E':
    case 'e':
        opt.c_cflag|=(INPCK|ISTRIP); /*enable parity check, strip parity bits*/
        opt.c_cflag |= PARENB;
        opt.c_cflag &= ~PARODD;
        break;
    default:
        error_ret("Unsupported parity bits.");
    }

    /* stop bits */
    switch (stop_bits)
    {
    case 1:
        opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
        break;
    case 2:
        opt.c_cflag |= CSTOPB;
        break;
    default:
        error_ret("Unsupported stop bits.");
    }

    /* raw input */
    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    /* raw ouput */
    opt.c_oflag &= ~OPOST;

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    opt.c_cc[VTIME] = 0; /* no time out */
    opt.c_cc[VMIN] = 0; /* minimum number of characters to read */

    ret = tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt); /* update it now */
    if (ret < 0)
        unix_error_ret("Unable to setup the port.");
    debug_msg("Setup the port OK!\n");

    return 0; /* everything is OK! */
}

首先使用tcgetattr获取串口属性。termios中的成员只能通过“与”(“&”)、“或”(“|”)来操作，而不能直接赋值。之后，设置控制标志CLOCAL和CREAD，这两个选项可以保证程序不会变成端口的所有者，而端口所有者必须去处理发散性作业控制和挂断信号，同时还保证了串行接口驱动会读取过来的数据字节。在设置波特率时使用了点小技巧，就将最常用的放到数组的最前面，校验位也是如此。最后设置原始输入/输出，再使用这些属性重新设置串口。

四、读/写串口

这两个操作同样简单，就是使用系统调用read/write就行了。
本来打算使用两个线程进行读写操作的，但不成功，后面用minicom读取数据，而我们的串口程序只负责发送。我是短接串口的2、3脚进行测试的。让我不明白的是，为何这个程序不是独占串口？是不是上面的代码设置了？这些将会随着学习的深入而解决的。
下面是发送数据的线程：

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void *write_port_thread(void *argc)
{
    int ret;
    int fd;
    int i = 3;
    
    fd = (int)argc;

    //while (i--)
    while (1)
    {
    debug_msg("writing... ");
    ret = write(fd, buf, strlen(buf));
    
    if (ret < 0)
        pthread_exit(NULL);
    write(fd, "\r\n", 2);
    debug_msg("write: %d\n", ret);
    sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

我们的main函数：

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int main(void)
{
    int fd;
    int ret;
    
    //signal(SIGINT, sig_handle);
    fd = open_port(1);          /* open the port(com1) */
    if (fd < 0)
        exit(0);
    ret = setup_port(fd, 115200, 8, 'N', 1);
    if (ret<0)
        exit(0);

    ret = pthread_create(&write_tid, NULL, write_port_thread, (void*)fd);
    if (ret < 0)
        unix_error_exit("Create write thread error.");

    #if 0
    ret = pthread_create(&read_tid, NULL, read_port_thread, (void*)fd);
    if (ret < 0)
        unix_error_exit("Create read thread error.");
    #endif

    pthread_join(write_tid, NULL);
    //pthread_join(read_tid, NULL);
    close_port(fd);

    return 0;
}

下面是测试图示。图1为发送数据，22表示已发送字符串的长度。
图1 写数据到串口
图2为minicom接收数据，“Are you going to die?”没别的意思，它是《豪门夜宴》中曾志伟、刘嘉玲、张曼玉唱英文版《香夭》时嘉玲姐唱的第一句歌词，由beyond伴奏。
图2 minicom收受数据
(接收的第4行出现了乱码，说明用镊子短接串口不太稳定)

这次实践也尝试了doxygen，它是一个由源代码生成文档的工具，支持多种语法。我将生成的文档放到了我的网站上，可以去看看，里面有一些设置串口的详细信息，不过，说实话，帮助不太大。
本文的程序完整完代码(包括了doxygen生成的文档)下载：serialport-latelee.org.tar.bz2

参考资料：

  1. POSIX操作系统串口编程指南，地址：http://www.easysw.com/~mike/serial/serial.html。如果不能访问，请以“Serial Programming Guide for POSIX Operating Systems”为关键字搜索。本文有些文字就是来自这个指南的翻译。
  2. Linux下串口编程入门，地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-serials/。
  3. 本站中文在线手册：http://www.latelee.org/yetanothertest/serialport-html-cn/，请点击“文件”进行查看。
  4. 本站英文在线手册：http://www.latelee.org/yetanothertest/serialport-html/，请点击“Files”进行查看。
  5. 本文涉及的源码托管于这个github仓库。