Qt应用软件【串口篇】串口通信

1.串口概述

串口通信是计算机与外部设备进行数据交换的一种基础通信方式。它使用串行通信协议，其中数据按位顺序传输，通常用于较低速率的通信。串口通信广泛应用于各种设备，如打印机、鼠标、调制解调器等

串口通信通常使用 RS-232、RS-422 或 RS-485 等标准。其中，RS-232 是最常用的串口通信标准，它在计算机、通信设备和其他类型的设备之间广泛使用。

2.串口传输数据的基本原理

1. 数字信号到电信号的转换：在串口通信中，数据首先以二进制形式存在。这些二进制数据（0和1）被转换为电信号。在 RS-232 标准中，一般情况下，负电压代表二进制位“1”（逻辑高），正电压代表二进制位“0”（逻辑低）。电压的具体值可以根据标准的不同而有所变化。
2. 串行数据传输：与并行传输不同，串行传输是指数据位按顺序一个接一个地通过单个线路传输。这意味着数据位（比特）是连续发送的，而不是同时发送。
3. 起始位和停止位：每个数据包通常以一个起始位开始，该起始位通知接收设备一个新字节的开始。数据位随后按顺序发送。最后，数据包以一个或多个停止位结束，表示数据字节的结束。
4. 奇偶校验位（可选）：为了错误检测，有时会在数据位之后添加一个奇偶校验位。这个位可以用来检查数据在传输过程中是否出现错误

电信号的传输过程

1. 线路驱动器：串口通信中的发送设备包含一个线路驱动器，该驱动器负责将二进制数据转换为适合在物理介质上传输的电信号。
2. 传输介质：电信号通过串行接口的物理线路传输，例如使用双绞线。
3. 线路接收器：接收设备包含一个线路接收器，负责将收到的电信号转换回二进制数据。
4. 同步：为了正确地解释接收到的数据，接收设备需要与发送设备同步。这通常通过观察起始位和停止位来实现，以确定数据位的边界

• 时序图

二进制数据 转换器(驱动器) 物理线路(电缆) 接收器 解码数据 数据 (0和1) 将二进制转换为电信号 电信号 通过电缆传输 电信号 数据 (0和1) 将电信号转换为二进制 二进制数据 转换器(驱动器) 物理线路(电缆) 接收器 解码数据

• 串口连线图

2 (RXD)

3 (TXD)

5 (GND)

2 (TXD)

3 (RXD)

7 (GND)

DB9 Connector

DB25 Connector

• 对于 DB9 连接器：
  • 引脚 2 是接收数据（RXD）
  • 引脚 3 是发送数据（TXD）
  • 引脚 5 是地线（GND）
• 对于 DB25 连接器：
  • 引脚 2 是发送数据（TXD）
  • 引脚 3 是接收数据（RXD）
  • 引脚 7 是地线（GND）

3.串口的几个概念

数据位（Data Bits）

数据位是串口通信中每个数据包的大小，表示每个数据字节中用于承载信息的位数。常见的数据位设置有 7 位或 8 位。例如，8 数据位意味着每个数据字节包含 8 个位。

奇偶校验位（Parity Bit）

奇偶校验位是一种错误检测机制。它在每个数据字节后添加一个额外的校验位，用于检测数据传输过程中的单比特错误。奇偶校验可以是无校验、奇校验或偶校验。

停止位（Stop Bits）

停止位用于标记每个数据包的结束。它在每个数据字节后添加一定数量的额外位，以指示数据包的终止。常见的停止位设置有 1 位、1.5 位和 2 位。

流控制（Flow Control）

流控制是用于管理数据传输速率和确保数据完整性的一种机制。它可以防止发送方在接收方来得及处理之前发送过多数据。流控制可以是无流控制、硬件流控制（RTS/CTS）或软件流控制（XON/XOFF）。

波特率（Baud Rate）

波特率是衡量串口通信速度的单位，表示每秒钟可以传输多少比特（位）的数据。常见的波特率设置有 9600、19200、38400、57600 和 115200 等。选择合适的波特率取决于设备的能力和通信距离。

串口名（Port Name）

串口名是用于标识计算机上特定串口的名称。在 Windows 系统中，串口名通常是以 “COM” 开头的，如 “COM1”、“COM2” 等。在 Unix/Linux 系统中，串口名通常以 “/dev/tty” 开头，如 “/dev/ttyS0”、“/dev/ttyUSB0” 等。

这些参数共同定义了串口通信的基本特性，包括数据的格式、速率和传输控制方式。正确配置这些参数对于确保串口通信的可靠性和效率至关重要。

4.CH340串口接线方法

简述

CH340 是一种常见的 USB 转串口芯片，广泛用于提供 USB 到串行通信的接口

• 安装官方驱动

http://sparks.gogo.co.nz/ch340.html

• USB转串口CH340接线

• VCC：电源输入，通常为 3.3V 或 5V。
  TXD (Transmit Data)：数据发送线，用于发送数据到另一设备
  RXD (Receive Data)：数据接收线，用于接收来自另一设备的数据。
  GND (Ground)：地线，用于电气接地

接线步骤

USB 转 TTL 串口模块（如基于 CH340 芯片的模块）可以用来将 USB 接口转换为 TTL 串口（即逻辑电平串口）。这种模块通常用于连接电脑的 USB 端口和使用 TTL 电平通信的设备，如微控制器或其他串口设备。以下是 USB 转 TTL 串口模块（CH340）的一般接线方法：

USB 转 TTL 模块（CH340）的典型管脚

1. VCC：提供电源（通常为 3.3V 或 5V）。
2. GND：地线，用于接地。
3. TXD：发送数据（Transmit Data），CH340 的 TXD 连接到目标设备的 RXD。
4. RXD：接收数据（Receive Data），CH340 的 RXD 连接到目标设备的 TXD。
5. DTR、RTS 等（如果有）：用于流控制，根据需要连接。

接线步骤

1. 连接 VCC 和 GND：

   • 将 CH340 模块的 VCC 连接到目标设备的 VCC（注意电压匹配，通常为 3.3V 或 5V）。
   • 将 CH340 模块的 GND 连接到目标设备的 GND。

2. 连接 TXD 和 RXD：

   • 将 CH340 模块的 TXD（发送数据）连接到目标设备的 RXD（接收数据）。
   • 将 CH340 模块的 RXD（接收数据）连接到目标设备的 TXD（发送数据）。

   这种交叉连接确保一方的发送线连接到另一方的接收线。

3. 连接流控制引脚（可选）：

   • 如果您的应用需要流控制，可以连接 CH340 模块的 DTR、RTS 等管脚到目标设备相应的引脚。

注意事项

• 确保电源电压匹配，避免对设备造成损害。
• 确认目标设备的 TTL 电平是否与 CH340 模块兼容（通常为 3.3V 或 5V TTL 电平）。
• 如果设备需要特殊的初始化序列（例如进入引导模式），可能需要特别处理 DTR 或 RTS 等控制信号。

在连接之前，请检查目标设备的文档以确认正确的接线方法。每个设备的接线要求可能略有不同。

5.Qt串口API

QSerialPort 类

QSerialPort(QObject *parent = nullptr) // 构造函数，创建一个 QSerialPort 对象。
void setPortName(const QString &name) // 设置串口的端口名。
QString portName() const // 获取当前串口的端口名。
void setBaudRate(qint32 baudRate, QSerialPort::Directions directions = AllDirections) // 设置波特率。
qint32 baudRate(QSerialPort::Directions directions = AllDirections) const // 获取当前波特率。
void setDataBits(QSerialPort::DataBits dataBits) // 设置数据位。
QSerialPort::DataBits dataBits() const // 获取当前设置的数据位。
void setParity(QSerialPort::Parity parity) // 设置奇偶校验位。
QSerialPort::Parity parity() const // 获取当前奇偶校验设置。
void setStopBits(QSerialPort::StopBits stopBits) // 设置停止位。
QSerialPort::StopBits stopBits() const // 获取当前停止位设置。
void setFlowControl(QSerialPort::FlowControl flowControl) // 设置流控制。
QSerialPort::FlowControl flowControl() const // 获取当前流控制设置。
bool open(QIODevice::OpenMode mode) // 打开串口，设置打开模式（读、写、读写）。
void close() // 关闭串口。
bool isOpen() const // 检查串口是否打开。
bool isReadable() const // 检查串口是否可读。
bool isWritable() const // 检查串口是否可写。
bool writeData(const char *data, qint64 len) // 向串口写入数据。
bool readData(char *data, qint64 maxSize) // 从串口读取数据。
QByteArray readAll() // 读取串口接收到的所有数据。
qint64 bytesAvailable() const // 获取可读取的字节数。
bool waitForReadyRead(int msecs) // 等待数据可读，带有超时。
bool waitForBytesWritten(int msecs) // 等待数据写入完成，带有超时。
QSerialPort::SerialPortError error() const // 获取当前的错误状态。
void clearError() // 清除当前的错误状态。

QSerialPortInfo 类

static QList<QSerialPortInfo> availablePorts() // 获取系统中所有可用的串口列表。
QString portName() const // 获取串口的端口名。
QString description() const // 获取串口的描述信息。
QString manufacturer() const // 获取串口的制造商信息。
QString serialNumber() const // 获取串口的序列号。
QString systemLocation() const // 获取串口在系统中的位置。
qint16 vendorIdentifier() const // 获取串口的供应商标识符。
qint16 productIdentifier() const // 获取串口的产品标识符。
bool hasVendorIdentifier() const // 检查是否有供应商标识符。
bool hasProductIdentifier() const // 检查是否有产品标识符。
bool isBusy() const // 检查串口是否正在使用中。

信号和槽

void readyRead() // 当串口有数据可读时发出的信号。
void bytesWritten(qint64 bytes) // 当串口有数据写入时发出的信号。
void errorOccurred(QSerialPort::SerialPortError error) // 当串口发生错误时发出的信号。

这些函数提供了在 Qt 中进行串口通信所需的基本功能，包括配置串口参数、打开/关闭串口、读写数据以及处理错误和事件。

6.串口通信代码示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

class SerialPortWidget : public QWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    SerialPortWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent)
    {
        serial = new QSerialPort(this);

        auto layout = new QVBoxLayout(this);
        auto sendButton = new QPushButton(tr("Send"), this);
        auto refreshButton = new QPushButton(tr("Refresh Ports"), this);
        comboBox = new QComboBox(this);
        textEdit = new QTextEdit(this);
        textEdit->setReadOnly(true);

        layout->addWidget(new QLabel(tr("Select Serial Port:")));
        layout->addWidget(comboBox);
        layout->addWidget(sendButton);
        layout->addWidget(refreshButton);
        layout->addWidget(textEdit);

        refreshSerialPorts();

        connect(sendButton, &QPushButton::clicked, this, &SerialPortWidget::sendData);
        connect(refreshButton, &QPushButton::clicked, this, &SerialPortWidget::refreshSerialPorts);
        //串口可以读取事件
        connect(serial, &QSerialPort::readyRead, this, &SerialPortWidget::readData);
        //串口发生错误
        connect(serial, &QSerialPort::errorOccurred, this, &SerialPortWidget::handleError);
    }

private slots:
    void sendData()
    {
        QString data = "Hello, Serial Port!";
        serial->write(data.toLocal8Bit());
    }

    void readData()
    {
        QByteArray data = serial->readAll();
        textEdit->append(QString(data));
    }

    void handleError(QSerialPort::SerialPortError error)
    {
        if (error == QSerialPort::ResourceError) {
            QMessageBox::critical(this, tr("Critical Error"), serial->errorString());
            serial->close();
        }
    }

    void refreshSerialPorts()
    {
        comboBox->clear();
        //获取所有可用串口
        const auto infos = QSerialPortInfo::availablePorts();
        for (const QSerialPortInfo &info : infos) {
            comboBox->addItem(info.portName());
        }
    }

    void openSerialPort()
    {
    	//打开串口名
        serial->setPortName(comboBox->currentText());
        //波特率
        serial->setBaudRate(QSerialPort::Baud9600);
        //数据位
        serial->setDataBits(QSerialPort::Data8);
        //奇偶校验位
        serial->setParity(QSerialPort::NoParity);
        //停止位
        serial->setStopBits(QSerialPort::OneStop);
        //流控制
        serial->setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);

        if (!serial->open(QIODevice::ReadWrite)) {
            QMessageBox::critical(this, tr("Error"), serial->errorString());
            return;
        }
    }

    void closeSerialPort()
    {
        if (serial->isOpen())
            serial->close();
    }

private:
    QSerialPort *serial;
    QTextEdit *textEdit;
    QComboBox *comboBox;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication app(argc, argv);
    SerialPortWidget widget;
    widget.show();
    return app.exec();
}

7.串口编程技巧

1. 串口枚举和检测：

   • 在开发串口应用程序时，首先需要检测和枚举系统中可用的串口。QSerialPortInfo 类可以用来获取系统中所有可用串口的详细信息，包括端口名、描述、制造商等。

2. 异步通信：

   • Qt 串口模块支持异步通信，即你可以在不阻塞主线程的情况下进行读写操作。通过使用信号和槽机制，你可以实现非阻塞式的数据读写。例如，readyRead() 信号可用于在有数据可读时通知应用程序。

3. 线程和串口通信：

   • 在某些情况下，可能需要在单独的线程中处理串口通信，以避免主界面线程因长时间的 I/O 操作而变得不响应。在这种情况下，你需要确保线程之间正确地共享串口资源并同步数据。

4. 错误处理：

   • 处理串口通信中可能出现的错误是非常重要的。QSerialPort 提供了 errorOccurred() 信号和 error() 方法来报告和查询错误状态。

5. 信号调制和解调：

   • 通常，串口通信涉及信号的调制和解调，特别是在涉及长距离或无线传输时。虽然这些功能超出了 Qt 串口模块的直接支持范围，但了解这些概念对于设计健壮的通信系统是有益的。

6. 跨平台兼容性：

   • Qt 串口模块是跨平台的，这意味着你可以在 Windows、Linux、macOS 等操作系统上以相同的方式使用这些 API。

7. 测试和调试：

   • 在开发串口通信应用程序时，测试和调试是非常重要的。你可能需要使用串口调试工具来模拟串口设备，或者捕获和分析串口数据。