串口通信作為一種最傳統(tǒng)的通信方式，在工業(yè)自動(dòng)化、通訊、控制等領(lǐng)域得到廣泛使用。而Linux系統(tǒng)，作為一種流行的開源操作系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。本文將深度分析Linux的UART子系統(tǒng)，介紹如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)完美的串口通信解決方案。

一、UART子系統(tǒng)概述

UART(Universal Asynchronous Receiver/Tranitter)是一種常見的串行通信協(xié)議，支持異步傳輸。UART接口被應(yīng)用于所有的計(jì)算機(jī)上，從微控制器到工控機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備。

Linux內(nèi)核提供了UART子系統(tǒng)作為串行設(shè)備的核心實(shí)現(xiàn)。UART子系統(tǒng)的主要作用是管理和控制串行設(shè)備的讀寫，包括接口的標(biāo)準(zhǔn)化和通信流程的控制。它是Linux內(nèi)核和用戶空間之間交互的接口。在Linux內(nèi)核中，UART子系統(tǒng)也是串行驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。

UART子系統(tǒng)有四個(gè)重要的組成部分，包括內(nèi)核中的UART驅(qū)動(dòng)程序、串口子系統(tǒng)、TTY驅(qū)動(dòng)程序以及用戶空間的工具。

1. 內(nèi)核中的UART驅(qū)動(dòng)程序

在Linux內(nèi)核中，UART驅(qū)動(dòng)程序掌管與串行設(shè)備的通信。它提供了串口通信的底層操作函數(shù)，可以調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)的開關(guān)、初始化、寫、讀、控制等各種操作。Linux中有許多UART驅(qū)動(dòng)程序，每種驅(qū)動(dòng)程序可以用于支持不同的串行設(shè)備。

2. 串口子系統(tǒng)

串口子系統(tǒng)提供了一個(gè)抽象的串行接口，它允許控制和管理所有共享同一個(gè)串口的設(shè)備。串口子系統(tǒng)通過設(shè)備文件/dev/ttySx或/dev/ttyUSBx訪問。串口驅(qū)動(dòng)程序控制串口設(shè)備的行為，而TTY驅(qū)動(dòng)程序提供了編碼和解碼機(jī)制來解決通用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和串口驅(qū)動(dòng)程序之間的差異。

3. TTY驅(qū)動(dòng)程序

TTY驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)通用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它將技術(shù)細(xì)節(jié)屏蔽在內(nèi)部并將其公開為標(biāo)準(zhǔn)接口，與不同設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序兼容。對(duì)于串口設(shè)備，TTY驅(qū)動(dòng)程序通過串口子系統(tǒng)中的解碼器和編碼器提供了UART協(xié)議支持。這種方式簡化了通訊編程，讓應(yīng)用程序員可以更加輕松地與串行設(shè)備交互。

4. 用戶空間工具

用戶空間應(yīng)用程序可通過讀寫串口設(shè)備的文件來與串口設(shè)備通信?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)C庫函數(shù)和API調(diào)用，如open()、close()、read()和write()等。

二、實(shí)現(xiàn)串口通信

實(shí)現(xiàn)串口通信需要廣泛的應(yīng)用程序知識(shí)，具體步驟如下：

1. 打開串口設(shè)備文件

首先需要通過open()函數(shù)打開串口設(shè)備文件。設(shè)備名稱如/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。

“`C

int fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR | O_NOCTTY);

“`

2. 配置串口設(shè)備參數(shù)

通過TCgetattr()和TCsetattr()等函數(shù)可以從控制終端獲取或設(shè)置端口的屬性。常用的屬性包括波特率、字符大小、校驗(yàn)位和停止位等。

“`C

struct termios options;

tcgetattr(fd, &options);

options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

options.c_cflag &= ~CSIZE;

options.c_cflag |= CS8;

options.c_cflag &= ~PARENB;

options.c_cflag &= ~CSTOPB;

cfsetispeed(&options, B115200);

cfsetospeed(&options, B115200);

tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

“`

以上是一種常見的串口設(shè)備屬性設(shè)置，包括字符長度為8bits，無校驗(yàn)位，1個(gè)停止位，波特率為115200等。

3. 讀/寫數(shù)據(jù)

讀寫串口設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用read()和write()函數(shù)。這些函數(shù)可以在指定的時(shí)間內(nèi)等待讀/寫完成。

“`C

char buf[255];

int len = read(fd, buf, sizeof(buf));

write(fd, buf, len);

“`

4. 關(guān)閉串口設(shè)備

當(dāng)完成串口通信后，應(yīng)該使用close()函數(shù)關(guān)閉串口設(shè)備。

“`C

close(fd);

“`

通過上述步驟，我們可以輕松地實(shí)現(xiàn)串口通信。但是，由于串口技術(shù)的專業(yè)性，調(diào)試和優(yōu)化過程可能會(huì)變得繁瑣和昂貴。在此處，我們建議使用常見的串口調(diào)試工具，在Linux中有許多優(yōu)秀的串口調(diào)試工具可用。

三、使用Debug工具

調(diào)試串口通信時(shí)，有幾個(gè)重要的參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。通過串口調(diào)試工具，可以更加直觀地查看回應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)整參數(shù)等。

1. minicom

Minicom是一款開源的串口通信程序，可用于調(diào)試、監(jiān)視和控制串口設(shè)備。它是一個(gè)命令行串口調(diào)試工具，提供了許多強(qiáng)大的功能，包括自動(dòng)發(fā)送和斷線重聯(lián)等。

一、串行通訊與并行通訊

在通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)中，串行通信(Serial Communication)是一個(gè)通用概念，泛指所有的串行的通信協(xié)議，如RS232、RS422、RS485、USB、I2C、SPI等。

串行通訊是指僅用一根接收線和一根發(fā)送線就能將數(shù)據(jù)以位進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通訊方式。盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ怕?，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

二、串口通訊模式

串口通訊模式包括單工、半雙工和全雙工，其中單工模式數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸。半雙工模式允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但某一時(shí)刻只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，實(shí)際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個(gè)端口。詳見下圖：

三、串口通訊協(xié)議

最初數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)輸出簡單過程量，后來儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，這就促生了RS422和RS485。

我們知道串口通信的數(shù)據(jù)傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號(hào)線的GND再與其他設(shè)備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。所以差分通信、支持多機(jī)通信、抗干擾強(qiáng)的RS422和RS485就被廣泛的使用了。

RS422和RS485通信最大特點(diǎn)就是傳輸速度最大可以達(dá)到10Mb/s以上，最大傳輸距離超過1000米。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸?shù)乃俣仁菚?huì)隨距離的增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

四、RS232詳細(xì)介紹

1.RS232的基本特性

RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA: Electronic Industries Alliance)制訂并發(fā)布的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。特性如下：

2.RS232的物理特性

在RS232的通訊方式中，兩個(gè)通訊設(shè)備的"DB9接口"之間通過串口信號(hào)線建立起連接，串口信號(hào)線中使用"RS-232標(biāo)準(zhǔn)"傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。D型或D-subminiature(D形狀超小型)連接器的原始編號(hào)系統(tǒng)使用D作為前綴(將其名稱命名為系列)，然后根據(jù)外殼尺寸選擇A，B，C，D或E，末尾數(shù)字表示引腳數(shù)量。詳見下圖：

3.RS232的通信協(xié)議

RS232一般使用DB9接口，由于兩個(gè)通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(hào)(RXD與TXD)應(yīng)交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的DB9母頭的收發(fā)信號(hào)接法一般與公頭的相反。DB9公頭、母頭以及引腳說明詳見下方圖和表。

4.RS232的波特率

在信道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號(hào)單元叫碼元，單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率(Baud Rate)，其單位是波特(Baud,symbol/s)，波特率是傳輸通道頻寬的指標(biāo)。RS232典型的“波特率”是

300/1200/2400/9600/19200/38400/115200 /230400等。

表2 不同BAUD Rate對(duì)應(yīng)的RS232通信距離

5.RS232的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的串行數(shù)據(jù)，也就是一個(gè)數(shù)據(jù)幀(Data frame)，或者一個(gè)字符幀，包括起始位、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)位前后即幀頭和幀尾，包含一些必要的控制信息。其中，MSB(Most Significant Bit)是指低地址存放最高有效字節(jié)，LSB(Least Significant Bit)則是低地址存放最低有效字節(jié)。

起始位：起始位必須是持續(xù)一個(gè)比特時(shí)間的邏輯0電平，標(biāo)志傳輸一個(gè)字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時(shí)鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位僅占一位，用于進(jìn)行奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)，奇偶檢驗(yàn)位不是必須有的。如果是奇校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個(gè)邏輯高位;如果是偶校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個(gè)邏輯高位。

停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設(shè)定。它一定是邏輯1電平，標(biāo)志著傳輸一個(gè)字符的結(jié)束。

空閑位：空閑位是指從一個(gè)字符的停止位結(jié)束到下一個(gè)字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

6.RS232與RS232(TTL)

RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過一個(gè)"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的"TTL校準(zhǔn)"的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-Transistor Logic)，這種串行通信，對(duì)應(yīng)的物理電平，始終是在0V和Vcc之間，其中常見的Vcc是5V或3.3V。TTL 高電平1是>=2.4V，低電平0是<=0.5V(對(duì)于5V或3.3V電源電壓)，這里是正邏輯。

RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過一個(gè)"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的"TTL"的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。