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。
目录
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
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9 #include
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
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 \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
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9 #include
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. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76" */
152 int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
153 {
154 char tmp[10];
155
156 if (buf[0] != '$')
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
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 \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"*/
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
