Linux 串口编程<四> 串口设备程序开发

Linux 串口编程和程序相对来说是很简单的，之所以用博客连载来展示，主要是想在学会使用的基础上掌握相关背景，原理以及注意事项。相信在遇到问题的时候，我们就不会对于技术的概念和 API 的使用浅尝辄止了。下面进入具体应用案例，由于现在很多电脑已经没有引出串口以及波特率范围会受到限制，这里我以 CH340 USB 转串口芯片制作的模块为基础讲解串口应用程序开发，关于该芯片在 Linux 系统的使用以及驱动加载可以参考：CH340 Linux驱动使用教程。

设备的打开与关闭

1. int libtty_open(const char *devname);
函数功能：根据传入的串口设备名打开相应的设备。成功返回设备句柄，失败返回-1。

2. int libtty_close(int fd);
函数功能：关闭打开的设备句柄。成功返回0，失败返回负值。

设备的配置

1. int libtty_setopt(int fd, int speed, char databits, char stopbits, char parity);
函数功能：配置串口设备，传入参数依次为波特率设置、数据位设置、停止位设置、检验设置。
Notes：设备打开前，可以通过 ls /dev 确认自己的硬件设备名，对于 USB 转串口 IC，在系统下名称为 "ttyUSBx"，设备序号是根据插入主机的先后顺序自动分配的，这里我的为 "ttyUSB0"，读者根据自己的需要修改。
/**
* libtty_open - open tty device
* @devname: the device name to open
*
* In this demo device is opened blocked, you could modify it at will.
*/
int libtty_open(const char *devname)
{
int fd = open(devname, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
int flags = 0;

if (fd == -1) {
perror("open device failed");
return -1;
}

flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flags &= ~O_NONBLOCK;
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0) {
printf("fcntl failed.\n");
return -1;
}

if (isatty(fd) == 0)
{
printf("not tty device.\n");
return -1;
}
else
printf("tty device test ok.\n");

return fd;
}
Note：传入的 devname 参数为设备绝对路径；

O_NOCTTY标志用于通知系统，这个程序不会成为对应这个设备的控制终端。如果没有指定这个标志，那么任何一个输入（如SIGINT等）都将会影响用户的进程；
O_NDELAY标志与O_NONBLOCK 等效，但这里不仅仅是设置为非阻塞，还用于通知系统，这个程序不关心 DCD 信号线所处的状态（即与设备相连的另一端是否激活或者停止）。如果用户指定了这一标志，则进程将会一直处在休眠状态，直到 DCD 信号线被激活；
使用 fcntl 函数恢复设备状态为阻塞状态，在数据收发时就会进行等待；
使用 isatty函数测试当前打开的设备句柄是否关联到终端设备，如果不是 tty 设备，那么也返回出错；

/**
* libtty_setopt - config tty device
* @fd: device handle
* @speed: baud rate to set
* @databits: data bits to set
* @stopbits: stop bits to set
* @parity: parity set
*
* The function return 0 if success, or -1 if fail.
*/
int libtty_setopt(int fd, int speed, int databits, int stopbits, char parity)
{
struct termios newtio;
struct termios oldtio;
int i;

bzero(&newtio, sizeof(newtio));
bzero(&oldtio, sizeof(oldtio));

if (tcgetattr(fd, &oldtio) != 0) {
perror("tcgetattr");
return -1;
}
newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;
newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

/* set tty speed */
for (i = 0; i < sizeof(speed_arr) / sizeof(int); i++) {
if (speed == name_arr[i]) {
cfsetispeed(&newtio, speed_arr[i]);
cfsetospeed(&newtio, speed_arr[i]);
}
}

/* set data bits */
switch (databits) {
case 5:
newtio.c_cflag |= CS5;
break;
case 6:
newtio.c_cflag |= CS6;
break;
case 7:
newtio.c_cflag |= CS7;
break;
case 8:
newtio.c_cflag |= CS8;
break;
default:
fprintf(stderr, "unsupported data size\n");
return -1;
}

/* set parity */
switch (parity) {
case 'n':
case 'N':
newtio.c_cflag &= ~PARENB;    /* Clear parity enable */
newtio.c_iflag &= ~INPCK;     /* Disable input parity check */
break;
case 'o':
case 'O':
newtio.c_cflag |= (PARODD | PARENB); /* Odd parity instead of even */
newtio.c_iflag |= INPCK;     /* Enable input parity check */
break;
case 'e':
case 'E':
newtio.c_cflag |= PARENB;    /* Enable parity */
newtio.c_cflag &= ~PARODD;   /* Even parity instead of odd */
newtio.c_iflag |= INPCK;     /* Enable input parity check */
break;
default:
fprintf(stderr, "unsupported parity\n");
return -1;
}

/* set stop bits */
switch (stopbits) {
case 1:
newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
break;
case 2:
newtio.c_cflag |= CSTOPB;
break;
default:
perror("unsupported stop bits\n");
return -1;
}

newtio.c_cc[VTIME] = 0;	  /* Time-out value (tenths of a second) [!ICANON]. */
newtio.c_cc[VMIN] = 0;    /* Minimum number of bytes read at once [!ICANON]. */

tcflush(fd, TCIOFLUSH);

if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio) != 0)
{
perror("tcsetattr");
return -1;
}
return 0;
}

Note:首先保存了原先串口配置，为了方便演示，这里保存为局部变量，实际使用时是需要把配置保存到全局 termios 结构体中的。使用tcgetattr还可以测试配置是否正确、串口是否可用等。返回值参见 man 手册；
使用 CLOCAL 用于忽略所有 MODEM 状态信号线，CREAD 标志用于使能接收。CSIZE 为数据位掩码；
调用 cfsetispeed与cfsetospeed参数设置波特率，函数中引用了两个数组，在后面的完整代码中会看到，这样书写可以简化设置代码；
通过控制 c_cflag 与 c_iflag 配置串口数据位、停止位以及校验设置等；
VTIME与VMIN作用已经讲解多次，不再赘述，值得注意的是，TIME 值的单位是十分之一秒；
通过 tcflush清空输入和输出缓冲区，根据实际需要修改；
最后通过 tcsetattr 函数对将配置实际作用于串口；
数据读写直接使用 read、write 函数接口就可以了，因此没有列举出来。下面给出完整的串口读写测试代码：

/* TTY testing utility (using tty driver)
* Copyright (c) 2017
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation; either version 2 of the License.
*
* Cross-compile with cross-gcc -I /path/to/cross-kernel/include
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int speed_arr[] = {
B115200,
B57600,
B38400,
B19200,
B9600,
B4800,
B2400,
B1200,
B300
};

int name_arr[] = {
115200,
57600,
38400,
19200,
9600,
4800,
2400,
1200,
300
};

/**
* libtty_setopt - config tty device
* @fd: device handle
* @speed: baud rate to set
* @databits: data bits to set
* @stopbits: stop bits to set
* @parity: parity set
*
* The function return 0 if success, or -1 if fail.
*/
int libtty_setopt(int fd, int speed, int databits, int stopbits, char parity)
{
struct termios newtio;
struct termios oldtio;
int i;

bzero(&newtio, sizeof(newtio));
bzero(&oldtio, sizeof(oldtio));

if (tcgetattr(fd, &oldtio) != 0) {
perror("tcgetattr");
return -1;
}
newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;
newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

/* set tty speed */
for (i = 0; i < sizeof(speed_arr) / sizeof(int); i++) {
if (speed == name_arr[i]) {
cfsetispeed(&newtio, speed_arr[i]);
cfsetospeed(&newtio, speed_arr[i]);
}
}

/* set data bits */
switch (databits) {
case 5:
newtio.c_cflag |= CS5;
break;
case 6:
newtio.c_cflag |= CS6;
break;
case 7:
newtio.c_cflag |= CS7;
break;
case 8:
newtio.c_cflag |= CS8;
break;
default:
fprintf(stderr, "unsupported data size\n");
return -1;
}

/* set parity */
switch (parity) {
case 'n':
case 'N':
newtio.c_cflag &= ~PARENB;    /* Clear parity enable */
newtio.c_iflag &= ~INPCK;     /* Disable input parity check */
break;
case 'o':
case 'O':
newtio.c_cflag |= (PARODD | PARENB); /* Odd parity instead of even */
newtio.c_iflag |= INPCK;     /* Enable input parity check */
break;
case 'e':
case 'E':
newtio.c_cflag |= PARENB;    /* Enable parity */
newtio.c_cflag &= ~PARODD;   /* Even parity instead of odd */
newtio.c_iflag |= INPCK;     /* Enable input parity check */
break;
default:
fprintf(stderr, "unsupported parity\n");
return -1;
}

/* set stop bits */
switch (stopbits) {
case 1:
newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
break;
case 2:
newtio.c_cflag |= CSTOPB;
break;
default:
perror("unsupported stop bits\n");
return -1;
}

newtio.c_cc[VTIME] = 0;	  /* Time-out value (tenths of a second) [!ICANON]. */
newtio.c_cc[VMIN] = 0;    /* Minimum number of bytes read at once [!ICANON]. */

tcflush(fd, TCIOFLUSH);

if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio) != 0)
{
perror("tcsetattr");
return -1;
}
return 0;
}

/**
* libtty_open - open tty device
* @devname: the device name to open
*
* In this demo device is opened blocked, you could modify it at will.
*/
int libtty_open(const char *devname)
{
int fd = open(devname, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
int flags = 0;

if (fd == -1) {
perror("open device failed");
return -1;
}

flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flags &= ~O_NONBLOCK;
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0) {
printf("fcntl failed.\n");
return -1;
}

if (isatty(fd) == 0)
{
printf("not tty device.\n");
return -1;
}
else
printf("tty device test ok.\n");

return fd;
}

/**
* libtty_close - close tty device
* @fd: the device handle
*
*/
int libtty_close(int fd)
{
return close(fd);
}

void tty_test(int fd)
{
int nwrite, nread;
char buf[100];

memset(buf, 0x32, sizeof(buf));

while (1) {
nwrite = write(fd, buf, sizeof(buf));
printf("wrote %d bytes already.\n", nwrite);
nread = read(fd, buf, sizeof(buf));
printf("read %d bytes already.\n", nread);
sleep(2);
}

}

int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
int ret;

fd = libtty_open("/dev/ttyUSB0");
if (fd < 0) {
printf("libtty_open error.\n");
exit(0);
}

ret = libtty_setopt(fd, 9600, 8, 1, 'n');
if (ret != 0) {
printf("libtty_setopt error.\n");
exit(0);
}

tty_test(fd);

ret = libtty_close(fd);
if (ret != 0) {
printf("libtty_close error.\n");
exit(0);
}
}

执行成功的话，会在终端屏幕上看到每隔两秒输出串口成功发送和接收的字节数，测试时可以直接短接串口的发送和接收引脚进行测试。以下为成功测试截图：



关于 Linux 串口编程的其他文章，可以移步至以下链接：《Linux 串口编程<一> 一些背景》
《Linux 串口编程<二> 深入了解 termios》
《Linux 串口编程<三> 使用termios与API 进行串口程序开发》
《Linux 串口编程<四> 串口设备程序开发》

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