Linux 串口应用编程

1 串口 API

Linux串口通信：

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：

⚫ open ；

⚫ 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 ；

怎么设置行规程？行规程的参数用结构体 termios 来表示，可以参考 Linux串口—struct termios 结构体：

这些函数在名称上有一些惯例：

⚫ tc ： terminal contorl

⚫ cf: control flag

下面列出一些函数：

函数名作用

tcgetattr get terminal attributes，获得终端的属性

tcsetattr set terminal attributes，修改终端参数

tcflush 清空终端未完成的输入/输出请求及数据

cfsetispeed sets the input baud rate，设置输入波特率

cfsetospeed sets the output baud rate，设置输出波特率

cfsetspeed 同时设置输入、输出波特率

函数不多，主要是需要设置好 termios 中的参数，这些参数很复杂，可以参考 Linux 串口— struct termios 结构体。

2 串口收发实验

本实验通过把串口的发送、接收引脚短接，实现自发自收：使用 write 函数发出字符，使用 read 函数读取字符。

2.1 上机实验

2.1.1 设置工具链

vim ~/.bashrc
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihfexport PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin

2.1.2 编译、执行程序

1. Ubuntu 上
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o serial_send_recv serial_send_recv.c
2. 板子上
/mnt/serial_send_recv /dev/ttymxc5

2.2 GPS 模块实验

2.2.1 GPS 简介

全球定位系统(Global Positioning System ， GPS) 是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS 主要由三大组成部分：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS 系统具有高精度、全天候、用广泛等特点。

太空卫星部分由多颗卫星组成，分成多个轨道，绕行地球一周约 12 小时。每个卫星均持续发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波，提供地球上的各种接收机来应用。

地面管制部分，这是为了追踪及控制太空卫星运行所设置的地面管制站，主要工作为负责修正与维护每个卫星能够正常运转的各项参数数据，以确保每个卫星都能够提供正确的讯息给使用者接收机来接收

使用者接收机（即用户设备），追踪所有的 GPS 卫星，并实时的计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。我们日常接触到的是用户设备部分，这里使用到的 GPS 模块即为用户设备接收机部分。

2.2.2 GPS 模块硬件

GPS 模块与外部控制器的通讯接口有多种方式，这里我们使用串口进行通讯，波特率为 9600bps,1bit 停止位，无校验位，无流控，默认每秒输出一次标准格式数据。

GPS 模块外观如下图所示，通过排线与控制器进行供电和通讯。该模块为集成模块，没有相关原理图。

2.2.3 GPS 模块数据格式

GPS 使用多种标准数据格式，目前最通用的 GNSS 格式是 NMEA0183 格式。NMEA0183 是最终定位格式，即将二进制定位格式转为统一标准定位格式，与卫星类型无关。这是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的格式，每种都是独立相关的 ASCII 格式，逗点隔开数据流，数据流长度从 30-100 字符不等，通常以每秒间隔持续输出。

NVMEA0183 格式主要针对民用定位导航，与专业 RTCM2.3/3.0 和 CMR+ 的GNSS 数据格式不同。通过 NMEA0183 格式，可以实现 GNSS 接收机与 PC 或 PDA 之间的数据交换，可以通过 USB 和 COM 口等通用数据接口进行数据传输，其兼容性高，数据传输稳定。这里我们使用串口进行是通讯，通信框图如下图所示。

我们使用串口接收数据，收到的数据包含：$GPGGA （ GPS 定位数据）、 $GPGLL（地理定位信息）、$GPGSA （当前卫星信息）、 $GPGSV （可见卫星状态信息）、$GPRMC（推荐最小定位信息）、 $GPVTG （地面速度信息）。

这里我们只分析$GPGGA (Global Positioning System Fix Data) 即可，它包含了 GPS 定位经纬度、质量因子、 HDOP 、高程、参考站号等字段。其标准格式如下：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*hh<CR><LF>

$XXGGA 语句各字段的含义和取值范围各字段的含义和取值范围见下表所示，XX 取值有：

◼ GPGGA ：单 GPS

◼ BDGGA ：单北斗

◼ GLGGA ：单 GLONASS

◼ GNGGA ：多星联合定位

$XXGGA 字段

<1> UTC 时间 hhmmss.ss 000000.00~235959.99

<2> 纬度，格式：ddmm.mmmm 000.00000~8959.9999

<3> 南北半球 N 北纬 S 南纬

<4> 经度格式 dddmm.mmmm 00000.0000~17959.9999

<5> 东西半球 E 表示东经 W 表示西经

<6> GPS 状态 0=未定位

1=GPS 单点定位固定解

2=差分定位

3=PPS 解

4=RTK 固定解

5=RTK 浮点解

6=估计值

7=手工输入模式

8=模拟模式

<7> 应用解算位置的卫星数 00~12

<8> HDOP 水平图形强度因子 0.500~99.000（大于 6 不可用 )

<9> 海拔高度 -9999.9~99999.9

<l0> 地球椭球面相对大地水准面的高度（高程异常） -9999.9~99999.9

<11> 差分时间从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空

<12> 参考站号 0000~1023；不使用 DGPS 时为空

例子： $GPGGA ， 074529.82 ， 2429.6717 ， N ， 11804.6973 ， E ， 1 ， 8 ， 1.098 ， 42.110，，， M ，， *76 。

2.3 编程

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <stdlib.h>

/* set_opt(fd,115200,8,'N',1) */
int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
	struct termios newtio,oldtio;
	
	if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) { 
		perror("SetupSerial 1");
		return -1;
	}
	
	bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
	newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD; 
	newtio.c_cflag &= ~CSIZE; 

	newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/
	newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/

	switch( nBits )
	{
	case 7:
		newtio.c_cflag |= CS7;
	break;
	case 8:
		newtio.c_cflag |= CS8;
	break;
	}

	switch( nEvent )
	{
	case 'O':
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag |= PARODD;
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
	break;
	case 'E': 
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag &= ~PARODD;
	break;
	case 'N': 
		newtio.c_cflag &= ~PARENB;
	break;
	}

	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;
	default:
		cfsetispeed(&newtio, B9600);
		cfsetospeed(&newtio, B9600);
	break;
	}
	
	if( nStop == 1 )
		newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
	else if ( nStop == 2 )
		newtio.c_cflag |= CSTOPB;
	
	newtio.c_cc[VMIN]  = 1;  /* 读数据时的最小字节数: 没读到这些数据我就不返回! */
	newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1个数据的时间: 
	                         * 比如VMIN设为10表示至少读到10个数据才返回,
	                         * 但是没有数据总不能一直等吧? 可以设置VTIME(单位是10秒)
	                         * 假设VTIME=1，表示: 
	                         *    10秒内一个数据都没有的话就返回
	                         *    如果10秒内至少读到了1个字节，那就继续等待，完全读到VMIN个数据再返回
	                         */

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

int open_port(char *com)
{
	int fd;
	//fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
	fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (-1 == fd){
		return(-1);
    }
	
	  if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0) /* 设置串口为阻塞状态*/
	  {
			printf("fcntl failed!\n");
			return -1;
	  }
  
	  return fd;
}


int read_gps_raw_data(int fd, char *buf)
{
	int i = 0;
	int iRet;
	char c;
	int start = 0;
	
	while (1)
	{
		iRet = read(fd, &c, 1);
		if (iRet == 1)
		{
			if (c == '$')
				start = 1;
			if (start)
			{
				buf[i++] = c;
			}
			if (c == '\n' || c == '\r')
				return 0;
		}
		else
		{
			return -1;
		}
	}
}

/* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF> */
int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
{
	char tmp[10];
	
	if (buf[0] != '$')
		return -1;
	else if (strncmp(buf+3, "GGA", 3) != 0)
		return -1;
	else if (strstr(buf, ",,,,,"))
	{
		printf("Place the GPS to open area\n");
		return -1;
	}
	else {
		//printf("raw data: %s\n", buf);
		sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
		return 0;
	}
}


/*
 * ./serial_send_recv <dev>
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	int iRet;
	char c;
	char buf[1000];
	char time[100];
	char Lat[100]; 
	char ns[100]; 
	char Lng[100]; 
	char ew[100];

	float fLat, fLng;

	/* 1. open */

	/* 2. setup 
	 * 115200,8N1
	 * RAW mode
	 * return data immediately
	 */

	/* 3. write and read */
	
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage: \n");
		printf("%s </dev/ttySAC1 or other>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	fd = open_port(argv[1]);
	if (fd < 0)
	{
		printf("open %s err!\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	iRet = set_opt(fd, 9600, 8, 'N', 1);
	if (iRet)
	{
		printf("set port err!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		/* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF>*/
		/* read line */
		iRet = read_gps_raw_data(fd, buf);
		
		/* parse line */
		if (iRet == 0)
		{
			iRet = parse_gps_raw_data(buf, time, Lat, ns, Lng, ew);
		}
		
		/* printf */
		if (iRet == 0)
		{
			printf("Time : %s\n", time);
			printf("ns   : %s\n", ns);
			printf("ew   : %s\n", ew);
			printf("Lat  : %s\n", Lat);
			printf("Lng  : %s\n", Lng);

			/* 纬度格式: ddmm.mmmm */
			sscanf(Lat+2, "%f", &fLat);
			fLat = fLat / 60;
			fLat += (Lat[0] - '0')*10 + (Lat[1] - '0');

			/* 经度格式: dddmm.mmmm */
			sscanf(Lng+3, "%f", &fLng);
			fLng = fLng / 60;
			fLng += (Lng[0] - '0')*100 + (Lng[1] - '0')*10 + (Lng[2] - '0');
			printf("Lng,Lat: %.06f,%.06f\n", fLng, fLat);
		}
	}

	return 0;
}