树莓派 4B 多串口配置

news2024/11/18 2:20:51

0. 实验准备以及原理

0.1 实验准备

安装树莓派官方系统的树莓派 4B，有 python 环境，安装了 serial 库
杜邦线若干
屏幕或者可以使用 VNC 进入到树莓派的图形界面

0.2 原理

树莓派 4B 有 UART0（PL011）、UART1（mini UART）和 4 个 PL011 串口共计有 6 个 UART

1. 硬件串口配置

可以将硬件串口（例如 /dev/ttyAMA0）配置为普通的串口设备，以便与其他设备进行串口通信

确保树莓派的引脚上的串口功能没有被占用。默认情况下，树莓派的 GPIO 引脚会使用串口功能。可以通过编辑 /boot/config.txt 文件来禁用串口功能。在文件的末尾添加或修改以下行，保存文件后重启树莓派（可以使用vi来编辑此文件，vi 的使用可以查看这一篇文章）：

enable_uart=1

在这里插入图片描述
在终端中运行以下命令可以确认驱动是否已经加载：

ls -l /dev/ttyAMA0

能看到下面的输出就代表驱动是正常的

在这里插入图片描述

默认情况下，树莓派会将 /dev/ttyAMA0 用作终端串口，而不是普通的串口设备。可以通过编辑 /boot/cmdline.txt 文件来禁用终端串口。找到以 console=serial0 开头的行，并将其修改为 console=tty1，如下图所示

在这里插入图片描述
确保你的用户被添加到 dialout 组中，以便具有串口访问权限。运行以下命令将当前用户添加到 dialout 组：

sudo usermod -a -G dialout $USER

在添加到 dialout 组后，需要注销并重新登录才能使更改生效，到这里硬件串口就配置完成了，不需要看其他的可以直接跳到最后一节进行验证

2. 其他串口配置

2.1 展示所有串口命令

输出下面的命令可以看到所有的串口

dtoverlay -a | grep uart

在这里插入图片描述

2.2 查看特定串口信息

使用下面的命令会展示串口的配置信息

dtoverlay -h uart3

在这里插入图片描述

2.3 配置开启串口 UART2-5

在/boot/config.txt的末尾添加如下的代码，保存重启树莓派

dtoverlay=uart2
dtoverlay=uart3
dtoverlay=uart4
dtoverlay=uart5

在这里插入图片描述
查看是否生效

ls /dev/ttyAMA*

结果如下图
在这里插入图片描述
到这里就打开了所有的串口了

3. 验证结果

各 UART 串口与 GPIO 对应关系：

GPIO14 = TXD0 -> ttyAMA0
GPIO0  = TXD2 -> ttyAMA1
GPIO4  = TXD3 -> ttyAMA2
GPIO8  = TXD4 -> ttyAMA3
GPIO12 = TXD5 -> ttyAMA4

GPIO15 = RXD0 -> ttyAMA0
GPIO1  = RXD2 -> ttyAMA1
GPIO5  = RXD3 -> ttyAMA2
GPIO9  = RXD4 -> ttyAMA3
GPIO13 = RXD5 -> ttyAMA4

在这里插入图片描述
这里进行两个验证：UART2的自环测试，UART2和3的串口间通信，以及一个究极测试：同时打开所有的串口（包括USB转的，看看树莓派的CPU使用率有多少）

3.1 UART2的自环测试

杜邦线短接 GPIO4 和 GPIO5
编写下面的 python 程序

import serial

ser1 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA2',baudrate=115200)
ser1.write(b'Hello, World!\n')

data = ser1.readline()
print(data)

执行结果如下图
在这里插入图片描述

3.2 UART2和3的串口间通信

使用杜邦线按照下图的方式进行连接

GPIO4(TXD3)-------GPIO9(RXD2)
GPIO5(RXD3)-------GPIO8(TXD2)

然后编写如下的程序

import serial

ser2 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA2',baudrate=115200)
ser3 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA3',baudrate=115200)

ser2.write(b'hello ser3,I am ser2\n')
ser3.write(b'hello ser2,I am ser3\n')
line2 = ser2.readline()
line3 = ser3.readline()
print('ser2Rec:'+str(line2))
print('ser3Rec:'+str(line3))

结果如下图，说明串口生效，实验成功：
在这里插入图片描述

3.3 究极测试

同时打开 USB0、USB1 和 ttyAMA0 到 ttyAMA4 一共 7 个串口，发送数据的同时存储数据，查看一下 CPU 的使用率
我的配置为：
USB0、1 使用 UART 转 TTL 模块，使用电脑发送数据过来
ttyAMA0 作为硬件串口，然后改为的通用串口，也使用 UART 转 TTL 模块，电脑发送数据过来
ttyAMA1 和 ttyAMA4 连接
ttyAMA2 和 ttyAMA3 连接
对应的连接图可以参考上面的GPIO对照着连线
代码如下

import serial
import time
import threading
import sys
READ = 1
READTIME = 600

ser0 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA0',baudrate=115200)
ser1 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA1',baudrate=115200)
ser2 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA2',baudrate=115200)
ser3 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA3',baudrate=115200)
ser4 = serial.Serial(port='/dev/ttyAMA4',baudrate=115200)
serUSB0 = serial.Serial(port='/dev/ttyUSB0',baudrate=115200)
serUSB1 = serial.Serial(port='/dev/ttyUSB1',baudrate=115200)

def WriteSer1():
    global READ
    while(READ):
        ser1.write(b'I am ser1')
        
def WriteSer2():
    global READ
    while(READ):
        ser2.write(b'I am ser2')
        
def WriteSer3():
    global READ
    while(READ):
        ser3.write(b'I am ser3')
        
def WriteSer4():
    global READ
    while(READ):
        ser4.write(b'I am ser4')
        
def ReadSer0():
    ser0.write(bytearray([0xaa,0x0a]))
    global READ
    data0 = b''
    while(READ):
        if(ser0.in_waiting):
            data0 +=  ser0.read(ser0.in_waiting)
    f = open('ser0.bin','ab')
    f.write(data0)
    f.close()
    
def ReadSer1():
    global READ
    data1 = b''
    while(READ):
        if(ser1.in_waiting):
            data1 +=  ser1.read(ser1.in_waiting)
    f = open('ser1.bin','ab')
    f.write(data1)
    f.close()
    
def ReadSer2():
    global READ
    data2 = b''
    while(READ):
        if(ser2.in_waiting):
            data2 +=  ser2.read(ser2.in_waiting)
    f = open('ser2.bin','ab')
    f.write(data2)
    f.close()

def ReadSer3():
    global READ
    data3 = b''
    while(READ):
        if(ser3.in_waiting):
            data3 +=  ser3.read(ser3.in_waiting)
    f = open('ser3.bin','ab')
    f.write(data3)
    f.close()
    
def ReadSer4():
    global READ
    data4 = b''
    while(READ):
        if(ser4.in_waiting):
            data4 +=  ser4.read(ser4.in_waiting)
    f = open('ser4.bin','ab')
    f.write(data4)
    f.close()
    
def ReadSerUSB0():
    global READ
    dataUSB0 = b''
    while(READ):
        if(serUSB0.in_waiting):
            dataUSB0 +=  serUSB0.read(serUSB0.in_waiting)
    f = open('serUSB0.bin','ab')
    f.write(dataUSB0)
    f.close()
    
def ReadSerUSB1():
    global READ
    dataUSB1 = b''
    while(READ):
        if(serUSB1.in_waiting):
            dataUSB1 +=  serUSB1.read(serUSB1.in_waiting)
    f = open('serUSB1.bin','ab')
    f.write(dataUSB1)
    f.close()
#%%
def start():
    global READ
    timeStart = time.time()
    
    ser1Write_thread = threading.Thread(target=WriteSer1)
    ser2Write_thread = threading.Thread(target=WriteSer2)
    ser3Write_thread = threading.Thread(target=WriteSer3)
    ser4Write_thread = threading.Thread(target=WriteSer4)
    
    ser0_thread = threading.Thread(target=ReadSer0)
    ser1_thread = threading.Thread(target=ReadSer1)
    ser2_thread = threading.Thread(target=ReadSer2)
    ser3_thread = threading.Thread(target=ReadSer3)
    ser4_thread = threading.Thread(target=ReadSer4)
    serUSB0_thread = threading.Thread(target=ReadSerUSB0)
    serUSB1_thread = threading.Thread(target=ReadSerUSB1)
    
    ser1Write_thread.start()
    ser2Write_thread.start()
    ser3Write_thread.start()
    ser4Write_thread.start()
    
    ser0_thread.start()
    ser1_thread.start()
    ser2_thread.start()
    ser3_thread.start()
    ser4_thread.start()
    serUSB0_thread.start()
    serUSB1_thread.start()
    
    time.sleep(READTIME)

    READ = False

    print('test time'+str(time.time()-timeStart))
    sys.exit()
    
if __name__ == '__main__':
    start()

使用命令，来查看当前CPU的使用率

htop

可以发现即使跑了这么多的串口，树莓派的 CPU 使用率依旧不算很高，4 核差不多都在 40% 的利用率左右
在这里插入图片描述

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