Linux串口应用编程

在Linux系统中，操作设备的统一接口就是：open/ioctl/read/write。
对于UART，又在ioctl之上封装了很多函数，主要是用来设置行规程。
所以对于UART，编程的套路就是：

• 使用open函数打开串口
• 设置行规程，比如波特率、数据位、停止位、检验位、RAW模式、一有数据就返回
• read/write数据
  

1. 打开串口

由于串行端口是一个文件，因此使用open(2)函数来访问它。C语言代码示例如下。

1.1 示例

#include <stdio.h>   /* 标准输入/输出定义 */
#include <string.h>  /* 字符串函数定义 */
#include <unistd.h>  /* UNIX标准函数定义 */
#include <fcntl.h>   /* 文件控制定义 */
#include <errno.h>   /* 错误号定义 */
#include <termios.h> /* POSIX终端控制定义 */

// 成功时返回文件描述符，错误时返回-1。
int open_port(void){
  int fd; /* 端口的文件描述符 */
  fd = open("/dev/ttyf1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
  if (fd == -1){// 打开端口失败
    perror("open_port: Unable to open /dev/ttyf1 - ");
  }
  else
    fcntl(fd, F_SETFL, 0);
  return (fd);
}

其他系统可能需要相应的设备文件名，但除此之外代码是相同的。

1.2 open函数的标志位

当我们打开设备文件时，我们使用了另外两个标志以及读+写模式：

fd = open("/dev/ttyf1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

其中，

• O_NOCTTY ：表示告诉操作系统，应用程序（进程）打开串口之后，不要把程序当作控制终端。如果指定这一点，那么任何输入（如键盘中止信号等）都将影响进程。
• O_NDELAY：表示告诉操作系统，应用程序（进程）不关心DCD信号线的状态，即不关心端口的另一端是否启动并运行。如果没有指定这个标志，进程将被置于休眠状态，直到DCD信号线是空间电压。

2. 配置串口

配置串口也就是设置行规程，行规程的参数用结构体struct termios来表示。设置行规程就是设置该结构体中成员的值。

2.1 结构体struct termios

结构体struct termios定义如下：

struct termios{
	unsigned short c_iflag;   /* 输入模式标志*/
	unsigned short c_oflag;   /* 输出模式标志*/
	unsigned short c_cflag;   /* 控制模式标志*/
	unsigned short c_lflag;   /* 区域模式标志或本地模式标志或局部模式*/
	unsigned char c_line;     /* 行控制line discipline */
	unsigned char c_cc[NCC];  /* 控制字符特性*/
};

2.2 struct termios作用

struct termios被用来提供一个健全的线路设置集合, 如果这个端口在被用户初始化前使用. 驱动初始化这个变量使用一个标准的数值集, 它拷贝自 tty_std_termios 变量. tty_std_termos 在 tty 核心被定义为：

struct termios tty_std_termios = {
	.c_iflag = ICRNL | IXON;
	.c_oflag = OPOST | ONLCR;
	.c_cflag = B38400 | CS8 | CREAD | HUPCL;
	.c_lflag = ISIG | ICANON | ECHO | ECHOE | ECHOK | ECHOCTL | ECHOKE | IEXTEN;
	.c_cc = INIT_C_CC;
};

这个 struct termios 结构用来持有所有的当前线路设置，给这个 tty 设备的一个特定端口。这些线路设置控制当前波特率。数据大小。数据流控设置。以及许多其他值。

2.3 struct termios成员介绍

2.3.1 c_iflag标志常量：Input mode ( 输入模式)

输入模式成员c_iflag控制对端口上接收到的字符所做的任何输入处理。c_iflag中存储的最终值由下表中选项的按位或。

2.3.2 c_oflag 标志常量： Output mode ( 输出模式)

c_oflag成员包含输出过滤选项。与输入模式一样，您可以选择已处理或原始数据输出。c_oflag 中存储的最终值由下表中选项的按位或。

更多选项如下图所示：

一般有两种输出模式可供选择：
（1）选择已处理输出
通过在c_oflag成员中设置OPOST选项来选择处理后的输出：

options.c_oflag |= OPOST;

在所有不同的选项中，目前只能使用ONLCR选项，它将换行符映射为CR-LF对。其余的输出选项主要是历史上的，可以追溯到行打印机和终端无法跟上串行数据流的时候。
（2）选择原始输出
通过重置c_oflag成员中的OPOST选项来选择原始输出：

options.c_oflag &= ~OPOST;

当OPOST选项被禁用时，c_oflag中的所有其他选项位都会被忽略。

2.3.3 c_cflag 标志常量： Control mode ( 控制模式)

c_cflag成员控制波特率、数据位数、奇偶校验、停止位和硬件流控制。所有支持的配置都有常量。

c_cflag中存储的最终值由下表中选项确定。

c_cflag成员包含两个应该始终启用的选项，CLOCAL和CREAD。这将确保您的程序不会成为端口的“所有者”，受到零星的作业控制和挂起信号的影响，并且串行接口驱动程序将读取传入的数据字节。

不要直接初始化c_cflag(或任何其他标志)成员。应该始终使用按位的AND、OR和NOT操作符来设置或清除成员中的位。不同的操作系统版本可以以不同的方式使用位，因此使用位操作符将防止破坏新串行驱动程序中所需的位标志。

2.3.4 c_lflag 标志常量： Local mode ( 局部模式)

本地模式成员c_lflag控制串口驱动程序如何管理输入字符。通常，将为规范或原始输入配置c_lflag成员。c_cflag中存储的最终值由下表中选项确定。

一般有两种输入模式可供选择：
（1）选择规范输入
规范输入是面向行的。输入字符被放入缓冲区，用户可以交互地编辑缓冲区，直到收到CR(回车)或LF(换行)字符。
当选择此模式时，通常选择ICANON、ECHO和ECHO选项：

options.c_lflag |= (ICANON | ECHO | ECHOE);

（2）选择原始输入
原始输入未经处理。当接收到输入字符时，它们将完全按照接收到的方式传递。通常，当使用原始输入时，您将取消选择ICANON, ECHO, ECHOE和ISIG选项：

options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

2.3.5 c_cc 数组：特殊控制字元

UNIX串行接口驱动程序提供了指定字符和数据包超时的能力。c_cc数组中的两个元素用于超时：VMIN和VTIME。在规范输入模式下或通过open或fcntl在文件上设置NDELAY选项时，会忽略超时。

VMIN指定要读取的最小字符数。如果设置为0，则VTIME值指定等待读取每个字符的时间。请注意，这并不意味着对N个字节的读取调用将等待N个字符进入。相反，超时将应用于第一个字符，read调用将返回立即可用的字符数(最多可达您请求的字符数)。

如果VMIN不为零，则VTIME指定等待读取第一个字符的时间。如果在给定的时间内读取一个字符，则任何读取将阻塞(等待)，直到读取所有VMIN字符。也就是说，一旦读取了第一个字符，串行接口驱动程序期望接收整个字符包(VMIN字节总数)。如果在允许的时间内没有读取任何字符，则调用read返回0。此方法允许您告诉串行驱动程序您需要恰好N个字节，并且任何读调用将返回0或N个字节。然而，超时只适用于第一个字符读取，所以如果由于某种原因驱动程序错过了N字节包中的一个字符，那么read调用可能会永远阻塞，等待额外的输入字符。

VTIME指定等待传入字符的时间，以十分之一秒为单位。如果VTIME设置为0(默认值)，读取将无限期阻塞(等待)，除非在端口上设置NDELAY选项open或fcntl。

VMIN与VTIME的组合方式如下：
（1）VMIN = 0 , VTIME =0
有read立即回传，否则传回 0 ,不读取任何字元
（2）VMIN = 0 , VTIME >0
read传回读到的字元,或在十分之一秒后传回VTIME
（3）VMIN > 0 , VTIME =0
read会等待,直到VMIN字元可读
（4）VMIN > 0 , VTIME > 0
每一格字元之间计时器即会被启动
read会在读到VMIN字元,传回值或VTIME的字元计时(1/10秒)超过时将值传回

2.4 与结构体struct termios相关的函数

函数命名解释：

• tc：terminal contorl
• cf：control flag

2.4.1 tcgetattr()与tcsetattr()

（1）tcgetattr()函数：get terminal attributes，获得终端的属性
原型：

#include <termios.h>
#include <unistd.h>

int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p);

作用：取得终端介质（fd）初始值，并把其值 赋给temios_p; 函数可以从后台进程中调用；但是，终端属性可能被后来的前台进程所改变。

（2）tcsetattr() 函数：set terminal attributes，修改终端参数
原型：

#include <termios.h>
#include <unistd.h>

int tcsetattr(int fd, int optional_actions, const struct termios *termios_p);

作用：设置与终端相关的参数 ，使用 termios_p 引用的 termios 结构。optional_actions （tcsetattr函数的第二个参数）指定了什么时候改变会起作用，可以使用的值如下：

• TCSANOW：改变立即发生
• TCSADRAIN：改变在所有写入 fd 的输出都被传输后生效。这个函数应当用于修改影响输出的参数时使用。(当前输出完成时将值改变)
• TCSAFLUSH ：改变在所有写入 fd 引用的对象的输出都被传输后生效，所有已接受但未读入的输入都在改变发生前丢弃(同TCSADRAIN，但会舍弃当前所有值)。

2.4.2 tcflush()

原型：

int tcflush(int fd, int queue_selector);

作用：丢弃要写入 引用的对象，但是尚未传输的数据，或者收到但是尚未读取的数据，取决于 queue_selector 的值。 queue_selector的取值有：

• TCIFLUSH ：刷新收到的数据但是不读
• TCOFLUSH ：刷新写入的数据但是不传送
• TCIOFLUSH ：同时刷新收到的数据但是不读，并且刷新写入的数据但是不传送

2.4.3 tcflow()

原型：

int tcflow(int fd, int action);

作用：挂起 fd 引用的对象上的数据传输或接收，取决于 action 的值。 action 取值有：

• TCOOFF ：挂起输出
• TCOON ：重新开始被挂起的输出
• TCIOFF ：发送一个 STOP 字符，停止终端设备向系统传送数据
• TCION ：发送一个 START 字符，使终端设备向系统传输数据

打开一个终端设备时的默认设置是输入和输出都没有挂起。

2.4.4 波特率函数

波特率函数被用来获取和设置 termios结构体中输入和输出波特率的值。新值不会马上生效，直到成功调用了 tcsetattr() 函数。
（1）cfgetospeed()函数
原型：

speed_t cfgetispeed(const struct termios *termios_p);

作用：返回 termios_p 指向的 termios 结构中存储的输出波特率。返回存储在终端结构中的输入波特率。
（2）cfsetispeed()函数：sets the input baud rate，设置输入波特率
原型：

int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

作用：设置 termios 结构中存储的输入波特率为 speed。如果输入波特率被设为0，实际输入波特率将等于输出波特率。
（3）cfsetospeed()函数：sets the output baud rate，设置输出波特率
原型：

int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

作用：设置 termios 结构中存储的输出波特率为 speed。

（4）cfsetspeed()函数：同时设置输入、输出波特率
原型：

int cfsetspeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

作用：cfsetspeed()是一个4.4BSD扩展。它接受与cfsetispeed()相同的参数，并设置输入和输出速度。
（5）波特率大小设置选择
如图：

3. Linux串口应用编程实例

下面给出了串口配置的完整的函数。通常，为了函数的通用性，通常将常用的选项都在函数中列出，这样可以大大方便以后用户的调试使用。该设置函数如下所示：

3.1 串口配置的函数

// fd：设备文件描述符；nSpeed：需要设置的波特率；nBits：需要设置的数据位数；nEvent：奇偶校验位；nStop：停止位
int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop){
	struct termios newtio,oldtio;

	/*保存测试现有串口参数设置，在这里如果串口号等出错，会有相关的出错信息*/
	if  ( tcgetattr( fd,&oldtio)  !=  0) { 
		perror("SetupSerial 1");
		return -1;
	}
	
	//将 newtio 清零
	bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );

	/*步骤一，设置字符大小*/
	newtio.c_cflag  |=  CLOCAL | CREAD; 
	newtio.c_cflag &= ~CSIZE; 

	/*设置数据位*/
	switch( nBits ){
		case 7:
			newtio.c_cflag |= CS7;
			break;
		case 8:
			newtio.c_cflag |= CS8;
			break;
	}

	/*设置奇偶校验位*/
	switch( nEvent ){
		case 'O': //奇数
			newtio.c_cflag |= PARENB;
			newtio.c_cflag |= PARODD;
			newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
			break;

		case 'E': //偶数
			newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
			newtio.c_cflag |= PARENB;
			newtio.c_cflag &= ~PARODD;
			break;
		case 'N':  //无奇偶校验位
			newtio.c_cflag &= ~PARENB;
			break;
	}

	/*设置波特率*/
	switch( nSpeed ){
		case 2400:
			cfsetispeed(&newtio, B2400);
			cfsetospeed(&newtio, B2400);
			break;
		case 4800:
			cfsetispeed(&newtio, B4800);
			cfsetospeed(&newtio, B4800);
			break;
		case 9600:
			cfsetispeed(&newtio, B9600);
			cfsetospeed(&newtio, B9600);
			break;
		case 115200:
			cfsetispeed(&newtio, B115200);
			cfsetospeed(&newtio, B115200);
			break;
		case 460800:
			cfsetispeed(&newtio, B460800);
			cfsetospeed(&newtio, B460800);
			break;
		default:
			cfsetispeed(&newtio, B9600);
			cfsetospeed(&newtio, B9600);
			break;
	}

	/*设置停止位*/
	if( nStop == 1 )
		newtio.c_cflag &=  ~CSTOPB;
	else if ( nStop == 2 )
		newtio.c_cflag |=  CSTOPB;

	/*设置等待时间和最小接收字符*/
	newtio.c_cc[VTIME]  = 0;
	newtio.c_cc[VMIN] = 0;

	/*处理未接收字符*/
	tcflush(fd,TCIFLUSH);

	/*激活新配置*/
	if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0){
		perror("com set error");
		return -1;
	}
	printf("set done!\n");
	return 0;
}

3.2 打开串口的函数

下面给出了一个完整的打开串口的函数，同样写考虑到了各种不同的情况。程序如下所示：

/*打开串口函数*/
int open_port(int fd,int comport){
	char *dev[]={"/dev/ttyS0","/dev/ttyS1","/dev/ttyS2"};

	//串口 1
	if (comport==1){
		fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
		if (-1 == fd){
			perror("Can't Open Serial Port");
			return(-1);
		}
	}
	else if(comport==2){//串口 2
		fd = open( "/dev/ttyS1", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
		if (-1 == fd){
			perror("Can't Open Serial Port");
			return(-1);
		}
	}
	else if (comport==3){//串口 3
		fd = open( "/dev/ttyS2", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
		if (-1 == fd){
			perror("Can't Open Serial Port");
			return(-1);
		}
	}

	/*恢复串口为阻塞状态*/
	if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0)
		printf("fcntl failed!\n");
	else
		printf("fcntl=%d\n",fcntl(fd, F_SETFL,0));

	/*测试是否为终端设备*/
	if(isatty(STDIN_FILENO)==0)
		printf("standard input is not a terminal device\n");
	else
		printf("isatty success!\n");
		
	printf("fd-open=%d\n",fd);

	return fd;
}

3.3 从串口中读取数据

//
int read_datas(int fd, char *rcv_buf,int rcv_wait){
	int retval;

	fd_set rfds;

	struct timeval tv;

	int ret,pos;

	tv.tv_sec = rcv_wait;      // wait 2.5s
	tv.tv_usec = 0;

	pos = 0; // point to rceeive buf

	while (1){
		FD_ZERO(&rfds);

		FD_SET(fd, &rfds);

		retval = select(fd+1 , &rfds, NULL, NULL, &tv);

		if (retval == -1){
			perror("select()");
			break;
		}
		else if (retval){// pan duan shi fou hai you shu ju
			ret = read(fd, rcv_buf+pos, 2048);
			pos += ret;
	
			if (rcv_buf[pos-2] == '\r' && rcv_buf[pos-1] == '\n'){
				FD_ZERO(&rfds);
				FD_SET(fd, &rfds);
	
				retval = select(fd+1 , &rfds, NULL, NULL, &tv);
	
				if (!retval) break;// no datas, break
		
			}
		}
		else{
			printf("No data\n");
			break;
		}

	}
	return 1;
}

3.4 向串口传数据

int send_data(int fd, char *send_buf){
	ssize_t ret;
	ret = write(fd,send_buf,strlen(send_buf));

    if (ret == -1){
		printf ("write device %s error\n", DEVICE_TTYS);
		return -1;
	}
    return 1;
}

参考

[1] https://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm
[2] https://blog.csdn.net/yemingzhu163/article/details/5897156
[3] https://www.cnblogs.com/feisky/archive/2010/05/21/1740893.html文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-762777.html

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