使用C++实现串口通信

#include <iostream>  // 用于标准输入输出
#include <fcntl.h>   // 包含文件控制相关函数，如 open
#include <termios.h> // 包含串口通信配置的头文件
#include <unistd.h>  // 提供 read、write 等系统调用
#include <vector>    // 用于动态数组
#include <thread>    // 用于实现线程休眠
#include <chrono>    // 提供时间相关功能

class SerialPort {
public:
    /**
     * 构造函数：打开串口并初始化
     * @param port_name 串口设备名称，例如 /dev/ttyS7
     */
    SerialPort(const std::string& port_name) {
        // 打开串口，以读写模式，禁用控制终端功能
        fd = open(port_name.c_str(), O_RDWR | O_NOCTTY | O_SYNC);
        if (fd == -1) { // 打开失败时退出
            perror("打开串口失败");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        configurePort(); // 配置串口参数
    }

    /**
     * 析构函数：关闭串口
     */
    ~SerialPort() {
        if (fd != -1) close(fd); // 检查文件描述符有效性后关闭
    }

    /**
     * 发送命令到串口
     * @param command 要发送的数据（字节数组）
     */
    void sendCommand(const std::vector<uint8_t>& command) {
        // 清空串口发送和接收缓冲区
        tcflush(fd, TCIOFLUSH);

        // 打印即将发送的数据
        std::cout << "发送数据: ";
        for (uint8_t byte : command) {
            printf("0x%02X ", byte);
        }
        std::cout << std::endl;

        // 将数据写入串口
        ssize_t written = write(fd, command.data(), command.size());
        if (written == -1) { // 写入失败时输出错误
            perror("写入失败");
        } else {
            std::cout << "实际发送字节数: " << written << std::endl;
        }

        // 延迟一定时间以确保设备能处理数据
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
    }

    /**
     * 从串口接收响应
     * @param length 要读取的最大字节数
     * @return 接收到的数据（字节数组）
     */
    std::vector<uint8_t> receiveResponse(size_t length) {
        std::vector<uint8_t> response(length); // 为接收数据预留空间
        ssize_t n = read(fd, response.data(), length); // 从串口读取数据
        if (n == -1) { // 读取失败时输出错误
            perror("读取失败");
            response.clear(); // 清空返回数据
        } else {
            response.resize(n); // 调整为实际读取的大小
            std::cout << "接收字节数: " << n << std::endl;
        }
        return response;
    }

private:
    int fd; // 文件描述符，表示串口设备

    /**
     * 配置串口属性
     */
    void configurePort() {
        struct termios tty; // 串口属性结构
        if (tcgetattr(fd, &tty) != 0) { // 获取当前属性
            perror("获取串口属性失败");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 配置波特率为 115200
        cfsetospeed(&tty, B115200);
        cfsetispeed(&tty, B115200);

        // 设置为 8 数据位，无校验位，1 停止位
        tty.c_cflag = (tty.c_cflag & ~CSIZE) | CS8; // 8 数据位
        tty.c_cflag &= ~PARENB;                     // 无校验位
        tty.c_cflag &= ~CSTOPB;                     // 1 停止位
        tty.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);            // 开启接收和本地连接

        // 设置为原始模式（重要）
        tty.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 禁用规范模式和回显
        tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);         // 禁用软件流控
        tty.c_oflag &= ~OPOST;                         // 禁用输出处理

        // 设置阻塞读取模式
        tty.c_cc[VMIN] = 1;   // 至少读取 1 字节
        tty.c_cc[VTIME] = 10; // 超时时间为 1 秒

        // 应用修改的属性
        if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &tty) != 0) {
            perror("设置串口属性失败");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
};

int main() {
    try {
        // 创建串口对象，指定设备名
        SerialPort serial("/dev/ttyS7"); 

        // 准备发送数据
        std::vector<uint8_t> command = {0xA5, 0x00, 0x01};
        serial.sendCommand(command); // 发送数据

        // 接收响应
        auto response = serial.receiveResponse(3); // 假设接收 3 字节
        std::cout << "响应数据: ";
        for (uint8_t byte : response) {
            printf("0x%02X ", byte);
        }
        std::cout << std::endl;

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

3. 代码解析

串口配置要点

在串口通信中，最关键的部分之一就是正确配置串口的各种参数。这些参数包括波特率、数据位、校验位、停止位等。如果配置不正确，数据可能无法正确传输或接收。我们使用 termios 结构体来设置串口参数，具体解析如下：

3.1 打开串口 (`open`)

fd = open(port_name.c_str(), O_RDWR | O_NOCTTY | O_SYNC);

O_RDWR：打开串口设备的读写权限。
O_NOCTTY：如果该设备文件对应终端设备，则不会成为该终端的控制终端。
O_SYNC：同步I/O模式，要求数据写入到串口时立刻完成（而不是缓存）。

如果 open 返回 -1，则表示打开失败，通常是由于没有访问权限或指定的设备文件路径错误。

3.2 获取和设置串口属性 (`tcgetattr` 和 `tcsetattr`)

if (tcgetattr(fd, &tty) != 0) {
    perror("获取串口属性失败");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

tcgetattr：获取当前串口的配置属性，返回一个 termios 结构体。如果返回值不为 0，表示获取串口属性失败。
tcsetattr：将修改后的串口配置应用到串口中。如果返回值不为 0，表示设置串口属性失败。

3.3 配置波特率

cfsetospeed(&tty, B115200);
cfsetispeed(&tty, B115200);

cfsetospeed 和 cfsetispeed：分别设置输出和输入的波特率。波特率的选择应与目标设备一致。常见波特率有 B9600, B115200 等。

3.4 配置数据格式

tty.c_cflag = (tty.c_cflag & ~CSIZE) | CS8;  // 设置数据位为8位
tty.c_cflag &= ~PARENB;                     // 关闭校验位
tty.c_cflag &= ~CSTOPB;                     // 设置停止位为1位
tty.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);            // 开启接收和本地连接

CSIZE：掩码，用来指定数据位长度。通过与 ~CSIZE 配合使用，清除已有的配置后再设置为 CS8，即 8 数据位。
PARENB：禁用校验位（即选择无校验）。
CSTOPB：禁用 2 停止位，设置为 1 停止位。
CLOCAL：本地连接，表示设备不受终端控制。
CREAD：开启串口接收。

3.5 配置输入输出模式（原始模式）

tty.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 禁用规范模式和回显
tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);         // 禁用软件流控
tty.c_oflag &= ~OPOST;                         // 禁用输出处理

ICANON：禁用规范模式。规范模式下，串口通信会等待输入的行结束符（如回车），而在原始模式下，输入的字符会立即传输。
ECHO 和 ECHOE：禁用回显，避免串口收到数据时自动显示。
ISIG：禁用信号处理（如 Ctrl+C）。
IXON, IXOFF, IXANY：禁用软件流控。
OPOST：禁用输出处理，确保字符按原样发送。

通过这些设置，我们能够将串口配置为“原始模式”，确保数据不被系统额外处理。

3.6 配置读取模式

tty.c_cc[VMIN] = 1;   // 至少读取1字节
tty.c_cc[VTIME] = 10; // 超时时间1秒

VMIN：设置读取操作中最小的字符数，这里设置为 1，表示读取至少 1 个字符。
VTIME：设置超时时间，以十分之一秒为单位。这里设置为 10，相当于 1 秒的超时。

发送与接收数据

3.7 发送数据（`sendCommand`）

ssize_t written = write(fd, command.data(), command.size());

write 函数将数据写入串口。command.data() 是数据的起始地址，command.size() 是数据的长度。
如果写入成功，返回实际写入的字节数。如果失败，返回 -1。

为了确保数据发送后能够及时处理，我们使用 std::this_thread::sleep_for 进行短暂延迟。

3.8 接收数据（`receiveResponse`）

ssize_t n = read(fd, response.data(), length);

read 函数从串口读取数据，response.data() 是接收缓冲区的起始地址，length 是要读取的字节数。
如果读取成功，返回实际读取的字节数。如果读取失败或超时，返回 -1。

在读取数据后，我们调整接收到的字节数（如果读取的字节数小于预期），并返回接收到的数据。

4. 常见问题排查

在使用串口通信时，可能会遇到一些常见问题。以下是对这些问题的分析、排查方法和解决方案。

4.1 串口通信不稳定或数据丢失

原因分析：

波特率设置不一致：发送端和接收端的波特率必须一致。若设置不一致，可能导致数据错误或丢失。
流控设置不匹配：串口通信通常使用硬件流控（RTS/CTS）或软件流控（XON/XOFF）。如果双方流控设置不匹配，可能会导致数据丢失。
不正确的停止位或数据位：数据位和停止位的设置不匹配，可能导致数据错乱。

排查方法：

检查波特率：确保发送端和接收端的波特率设置一致。
检查流控设置：检查 termios 配置中的流控选项，确认双方设置相同。
确认数据位和停止位：确认 termios 中的数据位和停止位设置正确。

解决方法：

统一波特率设置，检查设备文档确认流控及数据格式。
如有必要，可以禁用流控来简化调试。

4.2 数据不符或乱码

原因分析：

没有设置原始模式：如果串口未配置为原始模式（Raw Mode），可能会有特殊字符（如换行符、回车符等）被操作系统自动处理或转换，从而导致数据不符。
缓冲区未清空：如果在发送和接收数据之前没有清空串口缓冲区，可能会有残留数据影响通信。

排查方法：

检查原始模式设置：确认 termios 配置中的原始模式设置。
检查串口缓冲区：使用 tcflush 清空串口缓冲区，确保没有旧数据干扰。

解决方法：

使用原始模式来禁用操作系统对串口数据的干预。
在每次发送和接收前使用 tcflush 清空缓冲区。

4.3 串口无法打开或权限问题

原因分析：

权限不足：在 Linux 中，普通用户可能没有访问串口设备的权限，导致无法打开串口。
串口设备不存在：设备文件路径错误或设备没有正确连接。

排查方法：

检查设备路径：使用 ls /dev/ 命令确认设备是否存在，如 /dev/ttyS7 或 /dev/ttyUSB0。
检查权限：使用 ls -l /dev/ttyS7 检查权限，确认当前用户有读取和写入权限。

解决方法：

使用 sudo 权限运行程序。
修改设备文件的权限，如使用 chmod 666 /dev/ttyS7 赋予所有用户读写权限。

5. 进阶调试技巧

在实际的串口通信中，除了常见的排查方法外，以下几种调试技巧也非常有用：

5.1 使用串口调试工具

使用如 minicom、screen 等串口调试工具，可以帮助你测试串口连接是否正常，并手动发送和接收数据。它们也能帮助你排查硬件连接问题和通信协议错误。

5.2 分析波形

使用示波器或逻辑分析仪监测 TX 和 RX 引脚的波形，可以帮助你确定是否存在电气连接问题或者信号干扰。

5.3 加强错误处理

在代码中加入更多的错误检查和超时机制，可以帮助你尽早发现问题。例如，使用 select 或 poll 等系统调用来处理串口读取超时。

6. 串口通信的优化

6.1 提高通信效率

为了提高串口通信效率，可以通过以下方式优化：

调整缓冲区大小：通过修改 termios 中的输入和输出缓冲区大小，减少数据传输的延迟。
使用多线程：如果需要并发处理多个串口设备，可以使用多线程来提高处理效率。

6.2 高效的错误恢复机制

串口通信过程中可能会出现数据丢失或传输错误，设计一个高效的错误恢复机制至关重要。可以通过协议中的校验和重传机制来确保数据的可靠传输。

7. 总结

在本文中，我们详细介绍了如何使用 C++ 实现串口通信，解释了代码中的每个关键部分，包括如何设置波特率、数据位、停止位和流控等。我们还探讨了常见的通信问题及其排查方法，并提供了调试技巧和优化建议。