Arduino| 串口通讯、入门示例

为什么要做串口通讯

串口通讯：串口通信是用来在不同电子设备之间交换数据用的技术，其实就是要实现不同电子设备之间的“通讯对话”。

串口给通讯应用例子：刚拿到Arduino进行Blink测试，程序通过引脚控制了小灯亮起，但是如果我们想要改变当前小灯的亮度，想要把这个“想法”传递给Arduino的时候，就需要串口通讯了。可以通过串口通讯，从PC端告诉Arduino程序我们想要改变当前小灯的亮度。

串口：Arduino和其它设备通信的接口。

串口通讯原理

Arduino通讯串口：Arduino的串口通常称为UART或USART，通过0(RX)和1(TX)引脚以及USB 端口，来和其它设备进行通信。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）：UART是通用异步收发器，采用异步串行通信协议，通过信号线把需要发送的数据以二进制的形式发出，高电平为数据“1”，低电平为数据“0”。

通信传输线：串口通常会有三根线来完成通讯，分别是地线、发送线、接收线。串口通信是异步的，能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据，其他线用于握手。

数据帧：Arduino用Serial.print和Serial.println函数发送数据时候，其实是发出一连串数字信号，这些数字信号称为数据帧。数据帧通常由四个部分组成，分别是起始位、数据位、校验位和停止位。

• 起始位：数据帧开始传输的信号，通常起始位电平为低电平。
• 数据位：包含了实际发送的数据，Arduino默认使用8位数据，每次可以传输1B数据。
• 校验位：数据检错的方式，可以设置为奇校验和偶校验，Arduino默认无校验位。
• 停止位：表示该段数据帧传输结束，通常停止位都是高电平。

串口通讯缓冲区：Arduino的USB端口有串口寄存器，可以用来暂存电脑从USB发送的数据。Arduino从串口寄存器读取的速度比串口发送数据的速度快，所以串口通讯读取数据前需要加一定延时。和电脑通信的时候，Arduino UNO的串口寄存器空间默认是63帧的数据帧大小，超出后信息会挤掉前面的信息。

串口通讯函数

Serial 类：通过 Serial 类来使用开发板上的UART串口，只需要指定波特率，就能使用了。

波特率（Baud Rate）：在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，单位时间内通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。常用的波特率为9600、115200、4800等，波特率越大表明通信的速率越快。。当传输的码元信息量刚好为1比特的时候，波特率等于比特率。通信双方需要使用一致的的波特率才能正常通信。

Serial.begin()
函数作用：开启串口。
使用方法：speed为波特率；config为设置数据位、校验位和停止位。

• Serial.begin(speed)
• Serial.begin(speed, config)

Serial.end()
函数作用：禁止串口传输，此时串口0(RX)和1(TX)引脚可以作为数字引脚使用。

Serial.print()
函数作用：串口输出数据，写入字符数据到串口。
使用方法：val是打印的值；config输出数据格式，BIN(二进制)、OCT(八进制)、DEC(十进制)、HEX(十六进制)等。

• Serial.print(val)
• Serial.print(val, format)

Serial.println()
函数作用：串口输出数据并换行。
使用方法：

• Serial.println(val)
• Serial.println(val, format)

Serial.available()
函数作用：判断串口缓冲区的状态，返回从串口缓冲区读取的字节数。

Serial.read()
函数作用：读取串口数据，一次读一个字符，读完后删除已读数据；当没有可读数据时返回-1，整数类型。

Serial.peek()
函数作用：读取串口数据，一次读一个字符，读完后不删除；当没有可读数据时返回-1，整数类型。。

Serial.readString()
函数作用：每次读取一个字符串，返回一个String类型。

Serial.readStringUntil()
函数作用：每次读取一个字符串，知道遇到截止字符，返回一个String类型。
使用方法：inByte为截止字符。

• Serial.readStringUntil(inByte)

字符串常用函数

了解字符串的常用函数，可以更好进行串口通讯中复杂指令的处理。

获取字符串中的部分内容：

• charAt(n)：返回字符串中第n个字符。
• substring(from, to)：从指定的起始索引 " from " 到结束索引 " to " （不包括）截取字符串的子串。
• substring(from)：返回一个从给定索引" from " 到结尾的子串。

比较两个字符串：

• compareTo(S2)：与S2字符串比较，如果两个字符串相同，返回值等于0；否则，返回值不等于0。
• equals(S2)：比较两个字符串是否相等，区分大小写。

字符串类型转换：

• toInt()：数字字符串转为整数值。
• toCharArray(buf,len) ：把字符串转换成数组char[]，其中buf是char[]，len为复制长度。

获取字符串长度：

• length()：返回字符串中的字符数。
• strlen()：获取字符串的长度，不包括空终止符。
• sizeof()：获取字符串的长度，包括空终止符。

两个字符串之间的合并：

• strcat(str1,str2)：把str1（包括“\0”）复制到str2后面（删除str2原来末尾的“\0”）。
• concat(S2)：返回字符串和字符串S2合并后的新字符串

串口通讯示例

入门示例

先处理一个简单的指令。
示例代码的解释：往串口每次输入一串指令“a1”后，Arduino返回“YES”。

String str;

void setup() {
  Serial.begin(115200);// 设置波特率，上位机的波特率要保证相同，不然无法识别
  str="";
}

void loop() {
  delay(100);//等待100ms=0.1s，加延时是因为Arduino从串口寄存器读取的速度比串口发送数据的速度快
  while (Serial.available() > 0)
  {
    str += char(Serial.read());// read是剪切，而不是复制
  }
  if(str=="a1\0"){
      Serial.println("YES");
  }
  str="";
}

测试串口通讯

程序验证上传到Arduino后。

点击IDE右上角有个串口监视器。

点击后会有下方会出现串口监视器，调整波特率和代码对应，然后输入没有结束符的消息“a1”，就可以看到Arduino返回的“YES”。

复杂指令处理

在前面的入门示例中，要处理的上位机指令很简单，上位机每次只发送一个指令“a1”。

但是如果上位机发送的指令很长，而且还包含了数字，甚至可能发送指令的速度很快，“Serial.available() > 0”判断的时候可能有多条指令要区分。

下面是一个处理稍微复杂指令的示例代码，涵盖了处理复杂指令的基本操作。
示例代码的解释：指令格式为“指令类型+数字+\n”，前4位为指令类型分别有1001、1002和1003，分别对应的功能为对数字进行1次方、2次方和3次方，指令结尾为“\n”。该代码会对输入的指令进行解读，并且进行相应的功能，返回对应的数值。

String str,pre_str,last_str;

String type_str[] = {"1001", "1002", "1003"}; //指令前4位表示不同类型指令，其中1001表示1次方，1002表示2次方，1003表示3次方

int i,j,ans,cnt;

void setup() {
  Serial.begin(115200);// 设置波特率
}

void loop() {
  delay(100);//等待100ms=0.1s
  while (Serial.available() > 0)
  {
    str= Serial.readStringUntil('\n');//读取指令，指令以“\n”结尾，通过“\n”来分割不同的指令
    pre_str = str.substring(0, 4);//截取输入指令前4位
    last_str= str.substring(5, str.length());//截取输入指令4位后的数据
    
    cnt = last_str.toInt();//将字符串last_str转成数字cnt
    ans=cnt;

    // 根据不同指令计算cnt多少次方
    for(i=0;i<3;i++){
      if(pre_str.compareTo(type_str[i])==0){
        for(j=0;j<i;j++){
          ans*=cnt;
        }
      }
    }

    Serial.println(ans);
  }
}

代码串口测试：