inux应用开发基础知识——串口应用编程(十一)

前言：

在Linux系统中，串口设备以文件的形式存在，通常位于/dev目录下，如ttyS0、ttyUSB0等。这些设备文件可以用于读取和写入数据。要使用串口设备，需要打开相应的设备文件。在打开串口时，可以使用O_RDWR选项标志进行读写操作，同时使用O_NOCTTY选项标志告诉Linux“本程序不作为串口的‘控制终端’”，以避免一些输入字符影响进程运行。下面让我们对串口应用编程进行一个简单的入门学习吧。

一、串口的作用

二、UART硬件介绍

1.使用串口

2. mini2440：

3. JZ2440:

三、TTY体系中设备节点的差别

1.什么是TTY？

2.各类设备节点的差别

四、TTY驱动程序的框架

五、回环

1.串口API

2.串口收发实验

六、GPS 模块

1.GPS 模块硬件

2.GPS 模块数据格式

一、串口的作用

UART:通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，简称串口。

调试:移植u-boot、内核、应用程序时，主要使用串口查看打印信息

外接各种模块

串口因为结构简单、稳定可靠，广受欢迎。

通过三根线即可，发送、接收、地线。

二、UART硬件介绍

1.使用串口

（1）波特率

（2）格式：数据位，停止位，校验位，流量控制

怎么样发送1Byte，比如‘A’

'A' = 0x41 = 0100 0001

(1) 双方约定波特率: 每一位占据的时间，假设为1秒

(2) 逻辑电平

如果TTL想转化为RS-232的话需要电平转化芯片

2. mini2440：

3. JZ2440:

波特率为115200格式为8n1时每秒可以传输的字节为：11520 byte

三、TTY体系中设备节点的差别

/dev/ttySo、/dev/ttySACO、/dev/tty.ldev/tty0、/dev/tty1、/devlconsole,

它们有什么差别?

TTYTerminal/ConsolE/UART，

它们有什么差别?

1.什么是TTY？

teletype，更准确地说是teleprinter，是一种通信设备，可以用来发送、接收文本信息。

teletype是一家公司的名字，它生产的teleprinter实在太有名，结果公司名变成了这类产品的名字:teleprinter都被称为teletype了。

teletype被用来传输商业电报，想象一下:

把两台teletype的线缆接在一起，或者使用无线技术连接两台telety这边打字，另一边就可以接收到信息并诵过纸张打印出来。

将 teletype 的另一端直接与电脑连接起来，这样TTY就与计算机关联起来了。

以前的计算机非常的昂贵，可能会有很多地方是共用一台电脑，通过终端进行操作计算机，一个系统存在多个终端。

Terminal和Console的差别
        Terminal含有远端的意思，中文为:终端。Console翻译为控制台，可以理解为权限更大、能查看更多信息。比如我们可以在Console上看到内核的打印信息，从这个角度上看:

        Console是某一个Terminal

        Terminal并不都是Console。

        我们可以从多个Terminal中选择某一个作为Console

        很多时候，两个概念混用，并无明确的、官方的定义

随着时代的发展又出现了新的设备。

随着时代的发展个人电脑和虚拟终端也进入了人们的生活中

在Ubuntu上演示：
按住键盘:Ctrl+Alt+F3启动一个虚拟终端，Ctrl+Alt+F4再启动一个虚拟终端。在里面切换为root用户:
sudo passwd root //如果su root不成功，就先设置root密码su root

2.各类设备节点的差别

/devlconsole

比如: coisole=ttyS0 console=tty
不想去分辨这个设备是串口还是虚拟端,有没有办法得到这个设备?
有!通过/devlconsole!
console=ttyS0时: /devlconsole就是ttyso
console=tty时:/devlconsole就是前台程序的虚拟终端

console=tty0时: /devlconsole就是前台程序的虚拟终端

console=ttyN时:/devlconsole就是/dev/ttyN
console有多个取值时，使用最后一个取值来判断

四、TTY驱动程序的框架

大多数用户都会在输入时犯错，所以退格键会很有用。这当然可以由应用程序本身来实现，但是根据UNIX设计"哲学"，应用程序应尽可能保持简单。为了方便起见，操作系统提供了一个编辑缓冲区和一些基本的编辑命令(退格清除单个单词，清除行，重新打印)，这些命令在行规范(（line discipline)内默认启用。高级应用程序可以通过将行规范设置为原姓模式(raw mode)而不是默认的成熟或准则模式(cooked and canonical)来禁用这些功能。

五、回环

1.串口API

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：

https://blog.csdn.net/yemingzhu163/article/details/5897156

这些函数在名称上有一些惯例：

tc：terminal contorl

cf: control flag

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。

   
  1 #include <stdio.h>
  2 #include <string.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <errno.h>
  5 #include <sys/stat.h>
  6 #include <fcntl.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <termios.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10
 11 /* set_opt(fd,115200,8,'N',1) */
 12 int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
 13 {
 14     struct termios newtio,oldtio;
 15
 16     if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) {
 17         perror("SetupSerial 1");
 18         return -1;
 19     }
 20
 21     bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
 22     newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;
 23     newtio.c_cflag &= ~CSIZE;
 24
 25     newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/
 26     newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/
 27
 28     switch( nBits )
 29     {
 30     case 7:
 31         newtio.c_cflag |= CS7;
 32     break;
 33     case 8:
 34         newtio.c_cflag |= CS8;
 35     break;
 36     }
 37
 38     switch( nEvent )
 39     {
 40     case 'O':
 41         newtio.c_cflag |= PARENB;
 42         newtio.c_cflag |= PARODD;
 43         newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
 44     break;
 45     case 'E':
 46         newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
 47         newtio.c_cflag |= PARENB;
 48         newtio.c_cflag &= ~PARODD;
 49     break;
 50     case 'N':
 51         newtio.c_cflag &= ~PARENB;
 52     break;
 53     }
 54
 55     switch( nSpeed )
 56     {
 57     case 2400:
 58         cfsetispeed(&newtio, B2400);
 59         cfsetospeed(&newtio, B2400);
 60     break;
 61     case 4800:
 62         cfsetispeed(&newtio, B4800);
 63         cfsetospeed(&newtio, B4800);
 64     break;
 65     case 9600:
 66         cfsetispeed(&newtio, B9600);
 67         cfsetospeed(&newtio, B9600);
 68     break;
 69     case 115200:
 70         cfsetispeed(&newtio, B115200);
 71         cfsetospeed(&newtio, B115200);
 72     break;
 73     default:
 74         cfsetispeed(&newtio, B9600);
 75         cfsetospeed(&newtio, B9600);
 76     break;
 77     }
 78
 79     if( nStop == 1 )
 80         newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
 81     else if ( nStop == 2 )
 82         newtio.c_cflag |= CSTOPB;
 83
 84     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! */
 85     newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1个数据的时间:
 86                              * 比如VMIN设为10表示至少读到10个数据才返回,
 87                              * 但是没有数据总不能一直等吧? 可以设置VTIME(单位是10秒)
 88                              * 假设VTIME=1，表示:
 89                              *    10秒内一个数据都没有的话就返回
 90                              *    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
 91                              */
 92
 93     tcflush(fd,TCIFLUSH);
 94
 95     if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
 96     {
 97         perror("com set error");
 98         return -1;
 99     }                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     
100     //printf("set done!\n");
101     return 0;
102 }
103
104 int open_port(char *com)
105 {
106     int fd;
107     //fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
108     fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
109     if (-1 == fd){
110         return(-1);
111     }
112
113       if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0) /* 设置串口为阻塞状态*/
114       {
115             printf("fcntl failed!\n");
116             return -1;
117       }
118
119       return fd;
120 }
121
122
123 /*
124  * ./serial_send_recv <dev>
125  */
126 int main(int argc, char **argv)
127 {
128     int fd;
129     int iRet;
130     char c;
131
132     /* 1. open */
133
134     /* 2. setup
135      * 115200,8N1
136      * RAW mode
137      * return data immediately
138      */
139
140     /* 3. write and read */
141
142     if (argc != 2)
143     {
144         printf("Usage: \n");
145         printf("%s </dev/ttySAC1 or other>\n", argv[0]);
146         return -1;
147     }
148
149     fd = open_port(argv[1]);
150     if (fd < 0)
151     {
152         printf("open %s err!\n", argv[1]);
153         return -1;
154     }
155
156     iRet = set_opt(fd, 115200, 8, 'N', 1);
157     if (iRet)
158     {
159         printf("set port err!\n");
160         return -1;
161     }
162
163     printf("Enter a char: ");
164     while (1)
165     {
166         scanf("%c", &c);
167         iRet = write(fd, &c, 1);
168         iRet = read(fd, &c, 1);
169         if (iRet == 1)
170             printf("get: %02x %c\n", c, c);
171         else
172             printf("can not get data\n");
173     }
174
175     return 0;
176 }

第152行：打开设备节点

第156行：设置波特率和格式

164     while (1)
165     {
166         scanf("%c", &c);
167         iRet = write(fd, &c, 1);
168         iRet = read(fd, &c, 1);
169         if (iRet == 1)
170             printf("get: %02x %c\n", c, c);
171         else
172             printf("can not get data\n");
173     }
第164~173行：进入循环后等待用户输入数据，得到数据后发给指定的串口，再读取指定串口上的数据，读到后在命令行中打印出来

104 int open_port(char *com)
第104~120行：打开设备节点

第113行：

1.fcntl (fd,FSETFL,FNDELAY);读数据时不等待，没有数据就返回0

2.fcntl (fd, F_SETFL,0);读数据时，没有数据阻塞

12 int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
第12~102行： 设置波特率和格式

2.串口收发实验

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。

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

六、GPS 模块

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。

1.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。

2.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。

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：

$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

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

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <string.h>
  3 #include <sys/types.h>
  4 #include <errno.h>
  5 #include <sys/stat.h>
  6 #include <fcntl.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <termios.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10
 11 /* set_opt(fd,115200,8,'N',1) */
 12 int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
 13 {
 14     struct termios newtio,oldtio;
 15
 16     if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) {
 17         perror("SetupSerial 1");
 18         return -1;
 19     }
 20
 21     bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
 22     newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;
 23     newtio.c_cflag &= ~CSIZE;
 24
 25     newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/
 26     newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/
 27
 28     switch( nBits )
 29     {
 30     case 7:
 31         newtio.c_cflag |= CS7;
 32     break;
 33     case 8:
 34         newtio.c_cflag |= CS8;
 35     break;
 36     }
 37
 38     switch( nEvent )
 39     {
 40     case 'O':
 41         newtio.c_cflag |= PARENB;
 42         newtio.c_cflag |= PARODD;
 43         newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
 44     break;
 45     case 'E':
 46         newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
 47         newtio.c_cflag |= PARENB;
 48         newtio.c_cflag &= ~PARODD;
 49     break;
 50     case 'N':
 51         newtio.c_cflag &= ~PARENB;
 52     break;
 53     }
 54
 55     switch( nSpeed )
 56     {
 57     case 2400:
 58         cfsetispeed(&newtio, B2400);
 59         cfsetospeed(&newtio, B2400);
 60     break;
 61     case 4800:
 62         cfsetispeed(&newtio, B4800);
 63         cfsetospeed(&newtio, B4800);
 64     break;
 65     case 9600:
 66         cfsetispeed(&newtio, B9600);
 67         cfsetospeed(&newtio, B9600);
 68     break;
 69     case 115200:
 70         cfsetispeed(&newtio, B115200);
 71         cfsetospeed(&newtio, B115200);
 72     break;
 73     default:
 74         cfsetispeed(&newtio, B9600);
 75         cfsetospeed(&newtio, B9600);
 76     break;
 77     }
 78
 79     if( nStop == 1 )
 80         newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
 81     else if ( nStop == 2 )
 82         newtio.c_cflag |= CSTOPB;
 83
 84     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! */
 85     newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1个数据的时间:
 86                              * 比如VMIN设为10表示至少读到10个数据才返回,
 87                              * 但是没有数据总不能一直等吧? 可以设置VTIME(单位是10秒)
 88                              * 假设VTIME=1，表示:
 89                              *    10秒内一个数据都没有的话就返回
 90                              *    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
 91                              */
 92
 93     tcflush(fd,TCIFLUSH);
 94
 95     if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
 96     {
 97         perror("com set error");
 98         return -1;
 99     }
100     //printf("set done!\n");
101     return 0;
102 }
103
104 int open_port(char *com)
105 {
106     int fd;
107     //fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
108     fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
109     if (-1 == fd){
110         return(-1);
111     }
112
113       if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0) /* 设置串口为阻塞状态*/
114       {
115             printf("fcntl failed!\n");
116             return -1;
117       }
118
119       return fd;
120 }
121
122
123 int read_gps_raw_data(int fd, char *buf)
124 {
125     int i = 0;
126     int iRet;
127     char c;
128     int start = 0;
129
130     while (1)
131     {
132         iRet = read(fd, &c, 1);
133         if (iRet == 1)
134         {
135             if (c == '$')
136                 start = 1;
137             if (start)
138             {
139                 buf[i++] = c;
140             }
141             if (c == '\n' || c == '\r')
142                 return 0;
143         }
144         else
145         {
146             return -1;
147         }
148     }
149 }
150
151 /* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF> */
152 int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
153 {
154     char tmp[10];
155
156     if (buf[0] != '$')
157         return -1;
158     else if (strncmp(buf+3, "GGA", 3) != 0)
159         return -1;
160     else if (strstr(buf, ",,,,,"))
161     {
162         printf("Place the GPS to open area\n");
163         return -1;
164     }
165     else {
166         //printf("raw data: %s\n", buf);
167         sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
168         return 0;
169     }
170 }
171
172
173 /*
174  * ./serial_send_recv <dev>
175  */
176 int main(int argc, char **argv)
177 {
178     int fd;
179     int iRet;
180     char c;
181     char buf[1000];
182     char time[100];
183     char Lat[100];
184     char ns[100];
185     char Lng[100];
186     char ew[100];
187
188     float fLat, fLng;
189
190     /* 1. open */
191
192     /* 2. setup
193      * 115200,8N1
194      * RAW mode
195      * return data immediately
196      */
197
198     /* 3. write and read */
199
200     if (argc != 2)
201     {
202         printf("Usage: \n");
203         printf("%s </dev/ttySAC1 or other>\n", argv[0]);
204         return -1;
205     }
206
207     fd = open_port(argv[1]);
208     if (fd < 0)
209     {
210         printf("open %s err!\n", argv[1]);
211         return -1;
212     }
213
214     iRet = set_opt(fd, 9600, 8, 'N', 1);
215     if (iRet)
216     {
217         printf("set port err!\n");
218         return -1;
219     }
220
221     while (1)
222     {
223         /* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF>*/
224         /* read line */
225         iRet = read_gps_raw_data(fd, buf);
226
227         /* parse line */
228         if (iRet == 0)
229         {
230             iRet = parse_gps_raw_data(buf, time, Lat, ns, Lng, ew);
231         }
232
233         /* printf */
234         if (iRet == 0)
235         {
236             printf("Time : %s\n", time);
237             printf("ns   : %s\n", ns);
238             printf("ew   : %s\n", ew);
239             printf("Lat  : %s\n", Lat);
240             printf("Lng  : %s\n", Lng);
241
242             /* 纬度格式: ddmm.mmmm */
243             sscanf(Lat+2, "%f", &fLat);
244             fLat = fLat / 60;
245             fLat += (Lat[0] - '0')*10 + (Lat[1] - '0');
246
247             /* 经度格式: dddmm.mmmm */
248             sscanf(Lng+3, "%f", &fLng);
249             fLng = fLng / 60;
250             fLng += (Lng[0] - '0')*100 + (Lng[1] - '0')*10 + (Lng[2] - '0');
251             printf("Lng,Lat: %.06f,%.06f\n", fLng, fLat);
252         }
253     }
254
255     return 0;
256 }
257

123 int read_gps_raw_data(int fd, char *buf)
第123行对应到255行：GPS原始数据，读取一行数据
152 int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
第151~170行：进行数据解析
167 sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
注：%[^] 剔除不包含符合

第181~186 ：定义这五个数据

第228行：iRet == 0表明读到数据

第234~252行：读到数据并进行数据解析，如果解析成功则将这些信息打印出来

第181~186行：定义这五个数据。

第242~251行：将经纬度转变并且打印出来。

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