6. 串口通讯

本章配套视频介绍:

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《30-在鲁班猫上使用UART串口》

https://www.bilibili.com/video/BV1us4y1v7fC/

本章主要讲解LubanCat系列板卡的40pin引脚中串口的基本使用。

6.1. 串口引脚关系

其中串口的引脚关系如下表所示：

串口

引脚

功能

TXD

8

发送信号线

RXD

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接受信号线

对应实物的40pin接口如下：

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  • LubanCat-Zero系列使用的是uart8。

  • LubanCat-1系列和LubanCat-2系列使用的是uart3。

虽然接口名字不一样，但是操作方式是一样的。

6.2. 使能串口接口

串口在默认情况是关闭状态的，需要使能才能使用。

6.2.1. 方法一

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#进入工具配置
sudo fire-config

#移动光标到下图的位置
#按确认键进入配置
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打开串口：

  1. 使用方向键移动光标到 UART。

  2. 按 “空格键” 选中UART(出现 “*” )，如下图。

  3. 按 “确认键” 进行设置。

  4. 按 “Esc键” 退出到终端，运行 sudo reboot 进行重启应用。

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6.2.2. 方法二

可以通过打开 /boot/uEnv/uEnv.txt ，查看是否启用了uart相关设备设备树插件。

编辑文件，将带有 uart (以uart3为例) 的那一行的注释符号去掉，如下图:

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配置完成后重启激活配置。

注解

如果是直接拔电源的方式重启，会有可能出现文件没能做出修改 （原因：文件未能及时从内存同步到存储设备中，解决方法，在终端上输入 “sync” 再拔电关机）。

6.3. 检查串口设备

查看串口有没有成功使能

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#执行命令查看终端设备
ls /dev/tty*

  • LubanCat-Zero系列使用的是ttyS8。

  • LubanCat-1系列和LubanCat-2系列使用的是ttyS3。

如下图，此处为LubanCat-1对应ttyS3:

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6.4. 串口通讯实验(Shell)

本次实验以LubanCat-1板卡讲解，其他板卡的操作和本实验类似，这里就不过多赘述了。 使用板卡上的串口3进行实验，对应的设备文件为/dev/ttyS3。 对tty的设备文件直接读写就可以控制设备通过串口接收或发送数据，下面我们使用板卡配合Windows下的串口调试助手或Linux下的minicom进行测试。

6.4.1. 连接串口

实验前需要使用串口线或USB转串口线把它与板卡与电脑连接起来。

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板卡 -  电脑
TXD --- RXD
RXD --- TXD
GND --- GND

实物连接如下图：

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6.4.2. 查询串口3的通信参数

串口3外设使能后，在/dev目录下生成ttyS3设备文件，用stty工具查询其通信参数。

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#在板卡的终端执行如下命令
stty -F /dev/ttyS3

如下图:

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6.4.3. 修改串口波特率

以修改波特率为115200为例：

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 #设置通讯速率，其中ispeed为输入速率，ospeed为输出速率
 stty -F /dev/ttyS3 ispeed 115200 ospeed 115200

如下图:

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6.4.4. 关闭回显

默认串口是开启回显的 可以使用以下命令关闭回显。

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stty -F /dev/ttyS3 -echo

6.5. 与Windows主机通讯

配置好串口调试助手后，尝试使用以下命令测试发送数据：

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#在板卡上的终端执行以下指令
#使用echo命令向终端设备文件写入字符串"Hello!"、"I'm lubancat"
echo Hello! > /dev/ttyS3
echo "I'm lubancat" > /dev/ttyS3
#Windows上的串口调试助手会接收到内容

如下图:

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可以看到，往/dev/ttyS3设备文件写入的内容会直接通过串口线发送至Winodws的主机。

而读取设备文件则可接收Winodws主机发往板卡的内容，可以使用cat命令来读取：

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#在板卡上的终端执行如下指令
#使用cat命令读取终端设备文件
cat /dev/ttyS3
#cat命令会等待
#使用串口调试助手发送字符串
#字符串最后必须加回车！
#板卡的终端会输出接收到的内容

如下图:

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6.6. 原始模式与规范模式

默认是需要发送换行符cat命令才能接收到数据的，如果要修改不需要换行符也能接收数据可使用以下命令：

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#切换为原始模式，关闭行缓冲，实时传输
stty -F /dev/ttyS3 raw

#更详细的命令，配置串口ttyS8 raw模式、9600波特率、8数据位、1停止位、无奇偶校验
stty -F /dev/ttyS3 raw speed 9600 cs8 -cstopb -parenb


#如需恢复，切换为规范模式
stty -F /dev/ttyS3 sane

Linux把串口当作“终端设备”来管理，默认启用规范模式，这个模式的核心特点是：

  • 终端驱动会在底层缓冲输入的数据，不会立刻把数据传给cat这类读取程序。

  • 只有当检测到换行符（n）、回车符（r）、EOF（结束符）等 “行终止符” 时，才会把缓冲的一整行数据一次性交给cat，此时才能在终端看到打印结果。

而原始模式特点是：

  • 终端驱动不做任何缓冲、不解析任何字符，比如换行符、回车符都只是普通字节。

  • 只要串口收到 1 个字节的数据，终端驱动就立刻把这个字节传给cat，cat读取后马上打印，实现 “实时监控”。

6.7. 使用minicom通讯

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#安装minicom软件包
sudo apt install minicom

#设置串口
sudo minicom -s

如下图：

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进入设置，修改串口或者波特率， 按键盘上的字母 进入各自要设置的东西，enter键确认。 如按下键盘的“A”，即可跳转到“A - Serial Device”配置行。

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设置完成后，可以选择“Save setup as dfl”一行保存配置，保存后，以后再打开不用进行设置。

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然后按exit键进入minicom的终端。

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如果输入字母，屏幕上没反应，可以通过打开回显来显示， 先按“ctrl + A” 再按’z’键进入菜单。

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按下’e’，回显就打开成功了（左下角会有提示，打开或者关闭），可以按下按键测试一下，观察是否有回显。 我们还可以先按“ctrl + A” 再按’z’键，再按’c’键来清除屏幕， 将板卡和电脑用串口线连起来，同时设置为115200， 在板卡上，输入”Hello! i’m lubancat!’’

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注意

使用minicom时，不能使用退格键把发出去的内容删掉， minicom是以单个字符的方式发送的。

在pc端发送文字，在板卡端能接收到相应信息。

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minicom的菜单有很多功能，
s ---- 发送文件
p ---- 设置通讯参数，包括一些预设的波特率，数据格式，数据位等
l ---- 就可以将log信息保存到一个文件中了,方便查看
t ---- 设置终端参数，以及键位设置
w ---- 超出一行的数据后自动换行
r ---- 接收文件
a ---- 换行发送时会增加时间戳
n ---- 增加时间戳
c ---- 清除屏幕
o ---- 设置minicom，相当于sudo minicom -s
j ---- 休眠状态
x ---- 退出的同时复位
q ---- 退出

也可以不用通过按 "ctrl + a" + 'z' + '?'的方式设置
而是直接使用"ctrl + a"  + '?'

6.8. 串口通讯实验(系统调用)

终端设备通过termios进行配置，同样串口终端也是通过termios配置。

6.8.1. termios结构体

内核源码/include/uapi/asm-generic/termbits.h 头文件中声明了串口终端相关数据结构。

termio结构体如下所示。

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 #define NCCS 19
 struct termio {
         unsigned short c_iflag;         /* input mode flags */
         unsigned short c_oflag;         /* output mode flags */
         unsigned short c_cflag;         /* control mode flags */
         unsigned short c_lflag;         /* local mode flags */
         unsigned char c_line;           /* line discipline */
         unsigned char c_cc[NCC];        /* control characters */
 };

termios编程相关函数如下。

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

 //读取当前串口配置参数
 int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p);

 //设置串口配置参数
 int tcsetattr(int fd, int optional_actions,const struct termios *termios_p);

 //获取输入波特率
 speed_t cfgetispeed(const struct termios *termios_p);

 //获取输出波特率
 speed_t cfgetospeed(const struct termios *termios_p);

 //设置输入波特率
 int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

 //设置输出波特率
 int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

 //同时设置输入输出波特率
 int cfsetspeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

 //清空buffer数据
 int tcflush(int fd, int queue_selector);

 //等待所有输出都被发送
 int tcdrain(int fd);

 //在一个指定的时间区内发送连续的0位流
 int tcsendbreak(int fd, int duration);

 //用于对输入和输出流控制进行控制
 int tcflow(int fd, int action);

 //将终端设置为原始模式
 void cfmakeraw(struct termios *termios_p);

6.8.2. 编写应用程序

6.8.2.1. 规范模式

根据上面介绍termios相关数据结构及函数，编写应用程序如下，以下为规范模式，需接收换行符才可打印数据：

代码位置
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quick_start/uart/uart.c

代码较长复制粘贴容易乱序，可以下载我们提供的源码 uart.c

quick_start/uart/uart.c
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

//第一部分代码/
//根据具体的设备修改
const char default_path[] = "/dev/ttyS3";

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    int res;
    char *path;
    char buf[1024] = "Embedfire tty send test.\n";

    //第二部分代码/
    //若无输入参数则使用默认终端设备
    if (argc > 1)
        path = argv[1];
    else
        path = (char *)default_path;

    //获取串口设备描述符
    printf("This is tty/usart demo.\n");
    fd = open(path, O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        printf("Fail to Open %s device\n", path);
        return 0;
    }


    //第三部分代码/
    struct termios opt;
    //清空串口接收缓冲区
    tcflush(fd, TCIOFLUSH);
    // 获取串口参数opt
    tcgetattr(fd, &opt);
    //设置串口输出波特率
    cfsetospeed(&opt, B9600);
    //设置串口输入波特率
    cfsetispeed(&opt, B9600);
    
    //设置数据位数
    opt.c_cflag &= ~CSIZE;
    opt.c_cflag |= CS8;
    //校验位
    opt.c_cflag &= ~PARENB;
    opt.c_iflag &= ~INPCK;
    //设置停止位
    opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
    //更新配置
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);
    printf("Device %s is set to 9600bps,8N1\n",path);

    //第四部分代码/
    do {
        //发送字符串
        write(fd, buf, strlen(buf));
        //接收字符串
        res = read(fd, buf, 1024);
        if (res >0 )
        //给接收到的字符串加结束符
        buf[res] = '\0';
        printf("Receive res = %d bytes data: %s\n",res, buf);
    } while (res >= 0);

    printf("read error,res = %d",res);
    close(fd);
    return 0;
}

最后使用直接使用gcc进行编译即可。

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#在板卡使用gcc编译
gcc -o uart uart.c

#运行
sudo ./uart

#如果板卡上没有安装gcc，可以使用以下命令安装
sudo apt install gcc

#也可以用交叉编译的方式编译出的文件拷贝到板卡上执行即可

6.8.2.2. 原始模式

根据上面介绍termios相关数据结构及函数，编写应用程序如下，以下为原始模式，无需接收换行符即可打印数据：

代码位置
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quick_start/uart/uart_raw.c

代码较长复制粘贴容易乱序，可以下载我们提供的源码 uart_raw.c

quick_start/uart/uart_raw.c
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

//第一部分代码/
//根据具体的设备修改
const char default_path[] = "/dev/ttyS3";

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    int res;
    char *path;
    char buf[1024] = "Embedfire tty send test.\n";

    //第二部分代码/
    //若无输入参数则使用默认终端设备
    if (argc > 1)
        path = argv[1];
    else
        path = (char *)default_path;

    //获取串口设备描述符
    printf("This is tty/usart demo (Raw Mode).\n");
    fd = open(path, O_RDWR | O_NOCTTY);  // O_NOCTTY：不将串口设为控制终端
    if (fd < 0) {
        printf("Fail to Open %s device\n", path);
        return -1;
    }


    //第三部分代码/
    struct termios opt;
    //清空串口接收缓冲区
    tcflush(fd, TCIOFLUSH);
    //获取串口参数opt
    if (tcgetattr(fd, &opt) != 0) {
        printf("Failed to get serial attributes\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // -------------------------- 原始模式核心配置 --------------------------
    // 关闭规范模式，取消行缓冲、回显、信号处理
    // ICANON：关闭规范模式；ECHO/ECHOE：关闭回显；ISIG：关闭信号,如Ctrl+C
    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    
    // 关闭软件流控、回车/换行转换等输入处理
    // IXON/IXOFF/IXANY：关闭软件流控；ICRNL/INLCR/IGNCR：取消回车<->换行转换
    opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY | ICRNL | INLCR | IGNCR);
    
    // 关闭输出处理，原始输出，不修改任何字符
    opt.c_oflag &= ~OPOST;
    
    // 设置读取规则：VMIN=1，至少读1个字符才返回，VTIME=0，无超时，阻塞等待
    opt.c_cc[VMIN] = 1;   // 最小读取字符数：有1个字符就返回
    opt.c_cc[VTIME] = 0;  // 超时时间：0表示无限阻塞，直到有数据
    // ---------------------------------------------------------------------

    //设置串口输出波特率
    cfsetospeed(&opt, B9600);
    //设置串口输入波特率
    cfsetispeed(&opt, B9600);
    
    // 设置数据位数：8位
    opt.c_cflag &= ~CSIZE;
    opt.c_cflag |= CS8;
    // 校验位：无校验
    opt.c_cflag &= ~PARENB;
    opt.c_iflag &= ~INPCK;
    // 停止位：1位
    opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
    // 启用接收器，忽略调制解调器状态线
    opt.c_cflag |= CREAD | CLOCAL;

    // 更新配置，TCSANOW：立即生效
    if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0) {
        printf("Failed to set serial attributes\n");
        close(fd);
        return -1;
    }
    printf("Device %s is set to 9600bps,8N1 (Raw Mode)\n", path);

    //第四部分代码/
    do {
        // 发送字符串
        write(fd, buf, strlen(buf));
        // 接收字符串，原始模式下，有1个字符就会返回
        res = read(fd, buf, sizeof(buf)-1);  // 留1位给结束符，避免越界
        if (res > 0) {
            // 给接收到的字符串加结束符
            buf[res] = '\0';
            printf("Receive res = %d bytes data: %s\n", res, buf);
        } else if (res < 0) {
            perror("Read error");
            break;
        }
        usleep(100000);
    } while (res >= 0);

    printf("Exit, res = %d\n", res);
    close(fd);
    return 0;
}

最后使用直接使用gcc进行编译即可。

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#在板卡使用gcc编译
gcc -o uart_raw uart_raw.c

#运行
sudo ./uart_raw

#如果板卡上没有安装gcc，可以使用以下命令安装
sudo apt install gcc

#也可以用交叉编译的方式编译出的文件拷贝到板卡上执行即可

6.9. 更多

更多关于uart的使用以及资料可以查阅： rk开源手册/Common/UART 。

6.10. 参考资料

本文档主要提供有一定经验的使用者快速入门使用，对于初学者可查看以下文档：

《imx6ull : 串口通讯与终端设备》

《LubanCat RK系列 : 串口通讯》

《stty工具命令》

设备树相关知识点请阅读下面章节的内容：

《设备树修改基础知识》

《设备树插件修改方法指导》

rk开源资料(github): 《开源手册》