嵌入式linux串口应用

一、基础概念

1. 串口（Serial Port）
   • 串口是一种异步传输数据的接口标准。它通过一根线（在多根线的情况下是特定的信号线组合）来传输数据位序列。串口通信基于起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位的格式。
   • 在嵌入式Linux系统中，串口设备通常被表示为 /dev/ttyS*（传统的串口设备，如 /dev/ttyS0）或者 /dev/ttyUSB*（对于通过USB转串口设备连接的情况）等形式。

• 嵌入式Linux
  • 嵌入式Linux是将Linux操作系统定制化后运行在嵌入式设备中的系统。这些设备具有特定的功能需求，如智能家居设备、工业控制设备等。与通用PC上的Linux不同，嵌入式Linux通常针对资源受限的设备进行优化，在内存占用、启动速度等方面有特殊要求。

二、相关优势

1. 硬件兼容性
   • 串口是一种广泛应用于各种硬件的接口标准。在嵌入式Linux下使用串口，可以方便地与不同厂商生产的传感器、执行器等设备进行连接，因为大多数工业级和消费级设备都支持串口通信。

• 简单易用
  • 串口通信协议相对简单，易于理解和实现。在嵌入式Linux中，有成熟的驱动程序和工具（如 minicom、putty等串口调试工具）来操作串口设备，开发人员可以快速地进行数据传输的开发。
• 成本低
  • 串口硬件本身成本较低，并且不需要复杂的布线和接口转换设备（相比于一些高速网络接口等），适合于对成本敏感的嵌入式项目。

三、类型

1. 标准串口（RS - 232）
   • 这是最常见的串口类型，传输距离相对较短（一般不超过15米），传输速率也相对较低（最高可达115200bps）。它使用正负电压来表示逻辑电平（例如， - 12V到+12V或者 - 5V到+5V）。

• TTL电平串口
  • 这种串口使用TTL（Transistor - Transistor Logic）电平标准，通常在0V到+5V之间表示逻辑电平。它的传输距离较短，但成本更低，并且常用于芯片之间的近距离通信，在嵌入式系统中经常用于连接微控制器等设备。
• RS - 485串口
  • RS - 485是一种差分信号传输的串口标准，它可以在较长距离（可达1200米）内传输数据，并且可以支持多节点通信（在一个总线上可以连接多个设备），适合于工业现场的总线式控制网络。

四、应用场景

1. 工业自动化
   • 在工业环境中，嵌入式Linux设备可以通过串口与各种传感器（如温度传感器、压力传感器等）和执行器（如电机驱动器、电磁阀等）进行通信，实现对生产过程的监控和控制。

• 智能家居
  • 智能家居设备中的控制器（运行嵌入式Linux）可以通过串口与一些传统的家电设备（如老式的门锁、灯具控制器等）进行连接，实现智能化管理。
• 远程监控系统
  • 嵌入式Linux设备作为监控终端，可以通过串口采集现场的数据（如环境监测站的气象数据采集），然后将数据通过网络传输到远程服务器进行分析和处理。

五、常见问题及解决方法

1. 数据传输错误
   • 原因：
     • 可能是波特率设置不匹配。如果发送端和接收端的波特率不一致，会导致数据接收错误。
     • 串口线路干扰。在一些电磁环境复杂的场所，串口信号可能会受到干扰，导致数据出错。
   • 解决方法：
     • 确保发送端和接收端的波特率、数据位、停止位和奇偶校验位等参数设置一致。在嵌入式Linux中，可以使用 stty命令来设置串口参数，例如：stty -F /dev/ttyS0 9600 cs8 -cstopb -parenb（设置波特率为9600，8个数据位，无停止位，无奇偶校验）。
     • 对于线路干扰问题，可以采用屏蔽双绞线来传输串口信号，并且合理布局设备，减少电磁干扰源的影响。

• 设备无法识别
  • 原因：
    • 可能是驱动程序未正确安装。如果是新连接的串口设备（特别是USB转串口设备），可能需要安装相应的驱动程序。
    • 设备权限问题。在Linux系统中，访问串口设备需要相应的权限，如果没有权限，设备将无法被正常识别和使用。
  • 解决方法：
    • 对于驱动程序问题，根据设备的型号查找对应的驱动并安装。例如，对于常见的USB转串口芯片（如CH340），在大多数Linux发行版中有现成的驱动可供使用。
    • 解决设备权限问题，可以将当前用户添加到 dialout组（在大多数Linux系统中，该组具有访问串口设备的权限），命令为：sudo usermod -aG dialout $USER，然后重新登录使权限生效。

以下是一个简单的在嵌入式Linux下使用C语言进行串口数据发送的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>

int main() {
    int serial_port = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
    if (serial_port < 0) {
        printf("Error opening serial port\n");
        return -1;
    }

    struct termios tty;
    if (tcgetattr(serial_port, &tty)!= 0) {
        printf("Error from tcgetattr: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    cfsetispeed(&tty, B9600);
    cfsetospeed(&tty, B9600);

    tty.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    tty.c_cflag &= ~PARENB;
    tty.c_cflag &= ~CSTOPB;
    tty.c_cflag &= ~CSIZE;
    tty.c_cflag |= CS8;

    if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty)!= 0) {
        printf("Error from tcsetattr: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    const char *message = "Hello, Serial!";
    int n = write(serial_port, message, strlen(message));
    if (n < 0) {
        printf("Error writing to serial port\n");
    }

    close(serial_port);
    return 0;
}

这个示例代码打开 /dev/ttyS0串口设备，设置波特率为9600，8个数据位，无奇偶校验，无停止位，然后发送字符串 "Hello, Serial!"到串口。