inux應用開發基礎知識——串口應用編程(十一)

前言：

在Linux系統中，串口設備以文件的形式存在，通常位于/dev目錄下，如ttyS0、ttyUSB0等。這些設備文件可以用于讀取和寫入數據。要使用串口設備，需要打開相應的設備文件。在打開串口時，可以使用O_RDWR選項標志進行讀寫操作，同時使用O_NOCTTY選項標志告訴Linux“本程序不作為串口的‘控制終端’”，以避免一些輸入字符影響進程運行。下面讓我們對串口應用編程進行一個簡單的入門學習吧。

?一、串口的作用

二、UART硬件介紹

1.使用串口

2. mini2440：

3. JZ2440:?

三、TTY體系中設備節點的差別

1.什么是TTY？

2.各類設備節點的差別

?四、TTY驅動程序的框架

五、回環?

1.串口API

2.串口收發實驗

六、GPS 模塊

1.GPS 模塊硬件

2.GPS 模塊數據格式

?一、串口的作用

UART:通用異步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，簡稱串口。

????????調試:移植u-boot、內核、應用程序時，主要使用串口查看打印信息

????????外接各種模塊

串口因為結構簡單、穩定可靠，廣受歡迎。

通過三根線即可，發送、接收、地線。
?

二、UART硬件介紹

1.使用串口

（1）波特率

（2）格式：數據位，停止位，校驗位，流量控制

怎么樣發送1Byte，比如‘A’????????

????????'A' = 0x41 = 0100 0001

(1) 雙方約定波特率: 每一位占據的時間，假設為1秒

(2) 邏輯電平

?如果TTL想轉化為RS-232的話需要電平轉化芯片

2. mini2440：

3. JZ2440:?

波特率為115200格式為8n1時每秒可以傳輸的字節為：11520 byte

三、TTY體系中設備節點的差別

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

它們有什么差別?

TTYTerminal/ConsolE/UART，

它們有什么差別?

1.什么是TTY？

????????teletype，更準確地說是teleprinter，是一種通信設備，可以用來發送、接收文本信息。

????????teletype是一家公司的名字，它生產的teleprinter實在太有名，結果公司名變成了這類產品的名字:teleprinter都被稱為teletype了。

teletype被用來傳輸商業電報，想象一下:

????????把兩臺teletype的線纜接在一起，或者使用無線技術連接兩臺telety這邊打字，另一邊就可以接收到信息并誦過紙張打印出來。

將?teletype 的另一端直接與電腦連接起來，這樣TTY就與計算機關聯起來了。

????????以前的計算機非常的昂貴，可能會有很多地方是共用一臺電腦，通過終端進行操作計算機，一個系統存在多個終端。

Terminal和Console的差別
????????Terminal含有遠端的意思，中文為:終端。Console翻譯為控制臺，可以理解為權限更大、能查看更多信息。比如我們可以在Console上看到內核的打印信息，從這個角度上看:

????????Console是某一個Terminal

????????Terminal并不都是Console。

????????我們可以從多個Terminal中選擇某一個作為Console

????????很多時候，兩個概念混用，并無明確的、官方的定義

????????隨著時代的發展又出現了新的設備。

????????隨著時代的發展個人電腦和虛擬終端也進入了人們的生活中

在Ubuntu上演示：
按住鍵盤:Ctrl+Alt+F3啟動一個虛擬終端，Ctrl+Alt+F4再啟動一個虛擬終端。在里面切換為root用戶:
sudo passwd root //如果su root不成功，就先設置root密碼su root

2.各類設備節點的差別

?/devlconsole

比如: coisole=ttyS0 console=tty
不想去分辨這個設備是串口還是虛擬端,有沒有辦法得到這個設備?
有!通過/devlconsole!
console=ttyS0時: /devlconsole就是ttyso
console=tty時:/devlconsole就是前臺程序的虛擬終端

console=tty0時: /devlconsole就是前臺程序的虛擬終端

console=ttyN時:/devlconsole就是/dev/ttyN
console有多個取值時，使用最后一個取值來判斷

?四、TTY驅動程序的框架

????????大多數用戶都會在輸入時犯錯，所以退格鍵會很有用。這當然可以由應用程序本身來實現，但是根據UNIX設計"哲學"，應用程序應盡可能保持簡單。為了方便起見，操作系統提供了一個編輯緩沖區和一些基本的編輯命令(退格清除單個單詞，清除行，重新打印)，這些命令在行規范(（line discipline)內默認啟用。高級應用程序可以通過將行規范設置為原姓模式(raw mode)而不是默認的成熟或準則模式(cooked and canonical)來禁用這些功能。

五、回環?

1.串口API

????????在Linux系統中，操作設備的統一接口就是: open/ioctl/read/write。

????????對于UART，又在ioctl之上封裝了很多函數，主要是用來設置行規程。所以對于UART，編程的套路就是:
?????????????????open
????????????????設置行規程，比如波特率、數據位、停止位、檢驗位、RAW模式、一有數據就返回? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? read/write

????????怎么設置行規程？?

????????行規程的參數用結構體 termios 來表示，可以參考 Linux 串口—struct termios 結構體：

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

這些函數在名稱上有一些慣例：

?tc：terminal contorl

?cf: control flag

????????主要是需要設置好 termios 中的參數，這些參數很復雜，可以參考 Linux 串口—struct termios 結構體。?

   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>1011 /* 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;1516     if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) {17         perror("SetupSerial 1");18         return -1;19     }2021     bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );22     newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;23     newtio.c_cflag &= ~CSIZE;2425     newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/26     newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/2728     switch( nBits )29     {30     case 7:31         newtio.c_cflag |= CS7;32     break;33     case 8:34         newtio.c_cflag |= CS8;35     break;36     }3738     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     }5455     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     }7879     if( nStop == 1 )80         newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;81     else if ( nStop == 2 )82         newtio.c_cflag |= CSTOPB;8384     newtio.c_cc[VMIN]  = 1;  /* 讀數據時的最小字節數: 沒讀到這些數據我就不返回! */85     newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1個數據的時間:86                              * 比如VMIN設為10表示至少讀到10個數據才返回,87                              * 但是沒有數據總不能一直等吧? 可以設置VTIME(單位是10秒)88                              * 假設VTIME=1，表示:89                              *    10秒內一個數據都沒有的話就返回90                              *    如果10秒內至少讀到了1個字節，那就繼續等待，完全讀到VMIN個數據再返回91                              */9293     tcflush(fd,TCIFLUSH);9495     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) /* 設置串口為阻塞狀態*/
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：打開設備節點

第156行：設置波特率和格式

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：進入循環后等待用戶輸入數據，得到數據后發給指定的串口，再讀取指定串口上的數據，讀到后在命令行中打印出來??

104 int open_port(char *com)
?第104~120行：打開設備節點

?第113行：

? ? ? ? ? ? ? ?1.fcntl (fd,FSETFL,FNDELAY);讀數據時不等待，沒有數據就返回0

???????????????2.fcntl (fd, F_SETFL,0);讀數據時，沒有數據阻塞

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

2.串口收發實驗

????????通過把串口的發送、接收引腳短接，實現自發自收：使用 write 函數發出字符，使用 read 函數讀取字符。

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 模塊

????????全球定位系統(Global Positioning System，GPS)是一種以空中衛星為基礎的高精度無線電導航的定位系統，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。GPS 主要由三大組成部分：空間部分、地面監控部分和用戶設備部分。GPS 系統具有高精度、全天候、用廣泛等特點。

1.GPS 模塊硬件

????????GPS 模塊與外部控制器的通訊接口有多種方式，這里我們使用串口進行通訊， 波特率為 9600bps,1bit 停止位，無校驗位，無流控，默認每秒輸出一次標準格式數據。

2.GPS 模塊數據格式

????????GPS 使用多種標準數據格式，目前最通用的 GNSS 格式是 NMEA0183 格式。 NMEA0183 是最終定位格式，即將二進制定位格式轉為統一標準定位格式，與衛星類型無關。這是一套定義接收機輸出的標準信息，有幾種不同的格式，每種都是獨立相關的 ASCII 格式，逗點隔開數據流，數據流長度從 30-100 字符不等，通常以每秒間隔持續輸出。

????????我們使用串口接收數據，收到的數據包含：$GPGGA（GPS 定位數據）、$GPGLL （地理定位信息）、$GPGSA（當前衛星信息）、$GPGSV（可見衛星狀態信息）、 $GPRMC（推薦最小定位信息）、$GPVTG（地面速度信息）。

???????? 這里我們只分析$GPGGA (Global Positioning System Fix Data)即可，它包含了 GPS 定位經緯度、質量因子、HDOP、高程、參考站號等字段。其標準格式如下：

$XXGGA 語句各字段的含義和取值范圍各字段的含義和取值范圍見下表所示， XX 取值有： ? ????????GPGGA：單 GPS

????????BDGGA：單北斗

????????GLGGA：單 GLONASS

????????GNGGA：多星聯合定位

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>1011 /* 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;1516     if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) {17         perror("SetupSerial 1");18         return -1;19     }2021     bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );22     newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;23     newtio.c_cflag &= ~CSIZE;2425     newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/26     newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/2728     switch( nBits )29     {30     case 7:31         newtio.c_cflag |= CS7;32     break;33     case 8:34         newtio.c_cflag |= CS8;35     break;36     }3738     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     }5455     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     }7879     if( nStop == 1 )80         newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;81     else if ( nStop == 2 )82         newtio.c_cflag |= CSTOPB;8384     newtio.c_cc[VMIN]  = 1;  /* 讀數據時的最小字節數: 沒讀到這些數據我就不返回! */85     newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1個數據的時間:86                              * 比如VMIN設為10表示至少讀到10個數據才返回,87                              * 但是沒有數據總不能一直等吧? 可以設置VTIME(單位是10秒)88                              * 假設VTIME=1，表示:89                              *    10秒內一個數據都沒有的話就返回90                              *    如果10秒內至少讀到了1個字節，那就繼續等待，完全讀到VMIN個數據再返回91                              */9293     tcflush(fd,TCIFLUSH);9495     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) /* 設置串口為阻塞狀態*/
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             /* 緯度格式: ddmm.mmmm */
243             sscanf(Lat+2, "%f", &fLat);
244             fLat = fLat / 60;
245             fLat += (Lat[0] - '0')*10 + (Lat[1] - '0');
246
247             /* 經度格式: 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行對應到255行：GPS原始數據，讀取一行數據
152 int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
?第151~170行：進行數據解析

?
167 sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
?注：%[^] 剔除不包含符合

?第181~186 ：定義這五個數據?

?第228行：iRet == 0表明讀到數據

?第234~252行：讀到數據并進行數據解析，如果解析成功則將這些信息打印出來

第181~186行：定義這五個數據。

第242~251行：將經緯度轉變并且打印出來。

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