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  • 树莓派ZeroW串口通讯

    >> [目录] 数据远程采集 Step by Step


    电脑系统：WIN10

    树莓派型号：Zero W

    树莓派系统：Raspbian，2018-11-13-raspbian-stretch-lite.img

    Python 2.7.3

    软件&工具：sscom5.13.1（串口助手），串口通讯线，串口驱动（电脑用）


    硬件配置

    使用树莓派的GPIO15、GPIO16作为串口的TxD和RxD，另外还有附近的5V、GND。准备好串口通讯线，电脑上装好驱动。

    image

    树莓派CPU的内部有两个串口，一个是硬件串口，一个是迷你串口(mini-uart)。硬件串口的速率是稳定的，而迷你串口没有时钟源，由内核提供时钟参考源，由于内核本身的频率是变化的，导致迷你串口的速率不稳定。

    系统默认把硬件串口分配给了蓝牙模块，迷你串口分配给了GPIO（GPIO15、GPIO16），这将影响串口通讯的可靠性，所以在安装树莓派系统的时候，交换了两个串口的分配：

    image

    pi@raspberrypi:~ $ ls -l /dev  #查看设备信息

    image

    ttyAMA0就是GPIO上的那个串口，系统默认它是作为console使用的，不过在安装树莓派系统的时候已经把这个配置给删掉了，现在可以作为普通的串口使用。

    image

    数据收发

    先实现基本的数据收发功能，主要是为了测试接收和发送的通路是否正常。

    新建一个测试文件 test_serial.py：

    pi@raspberrypi:~ $ sudo nano test_serial.py

    右键复制下面的内容，保存退出：

      1 # -*- coding:utf-8 -*-
  2 import serial
  3 import time
  4 
  5 def main():
  6   ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", 19200)
  7   ser.flushInput()
  8   ser.flushOutput()
  9 
 10   while True:
 11     recv_num = ser.inWaiting()
 12 
 13     if recv_num > 0:
 14       recv_buffer = ser.read(recv_num)
 15       ser.flushInput()
 16 
 17       ser.flushOutput()
 18       ser.write('received ' + str(recv_num) + ' bytes >>  ')
 19       ser.write(recv_buffer)
 20 
 21     time.sleep(0.1)
 22 
 23 if __name__ == '__main__':
 24   main()

    这段程序首先是打开串口0，波特率19200。然后在while循环中等待接收数据，接收到数据以后，把这个数据以及它的字节数发送出来。

    每0.1s扫描一次，测试数据最好稍微短一点，否则就肯定被截断了。


    运行 test_serial.py：

    pi@raspberrypi:~ $ python test_serial.py

    如果中途需要退出，比如去重新编辑文件，可以按Ctrl+Z

    image


    连接串口通讯线，打开串口助手（sscom），选择扫描到的COM口，设置波特率为19200，不勾选HEX显示、HEX发送，然后点击打开串口。

    串口助手发送：hello_serial

    串口助手接收：received 12 bytes >>  hello_serial

    串口助手接收到的就是树莓派串口发送的，说明硬件连接正常，串口发送接收功能正常。

    image


    串口通讯

    本项目中的串口通讯包含两种模式（互斥，默认为数据模式）：

    • 管理模式下，树莓派接收配置参数，发送自身状态；
    • 数据模式下，树莓派接收设备的广播数据


    管理模式

    设计了4个管理指令，均为12字节，不够的就用*补足，可以根据实际的需要随意定义，指令的长度也可以不一样：

    ADMIN_QUERY*查询状态：内部控制参数，磁盘信息，数据文件数量等
    ADMIN_CONFIG配置内部控制参数：树莓派的编号，通讯协议，WIFI用户名和密码等
    ADMIN_CLEAR*清空磁盘中的所有数据库文件
    ADMIN_EXIT**退出管理模式

    上电后一段时间内（可以设置为1-5分钟），树莓派接收到前3条指令后，均进入管理模式，树莓派在这个模式下每隔1s发送一次自身的状态。树莓派收到退出指令或者一定时间限制后，自动退出管理模式。


    数据模式

    广播包约0.5~2s发一帧，每帧数据约50~400字节，数据帧之间的空闲时间≥100ms。树莓派接收到广播数据帧后将其存在一个int数组里，其他程序后面会来处理这个数组。


    新建一个测试文件 test_serial_comn.py：

    pi@raspberrypi:~ $ sudo nano test_serial_comn.py

    右键复制下面的内容，保存退出：

      1 # -*- coding:utf-8 -*-
  2 import serial
  3 import time
  4 import binascii
  5 
  6 DB_COMN_LENGTH = 400
  7 COMN_LENTH_MIN = 50
  8 COMN_LENTH_MAX = 400
  9 
 10 def DeviceConfigSet(str_config):
 11   print('DeviceConfigSet() function run...')
 12 
 13 def DeviceClear():
 14   print('DeviceClear() function run...')
 15 
 16 def GetDeviceStatus():
 17   print('GetDeviceStatus() function run...')
 18   return 'defined_device_status_string...'
 19 
 20 def main():
 21   global DB_COMN_LENGTH
 22   global COMN_LENTH_MIN
 23   global COMN_LENTH_MAX
 24 
 25   # initialize
 26   print('>> initialize...')
 27   ####
 28 
 29   is_data_received = False
 30   is_admin_mode_enabled = False
 31 
 32   in_admin_count = 0
 33   update_status_interval = 0
 34 
 35   comn_data = [0 for i in range(DB_COMN_LENGTH)]
 36   recv_num_last = 0
 37 
 38   ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0",19200)
 39   ser.flushInput()
 40   ser.flushOutput()
 41 
 42   print('>> wait for data or command...')
 43 
 44   while True:
 45     recv_num = ser.inWaiting()
 46     if recv_num > 0:
 47       time.sleep(0.01)
 48       recv_num_real = ser.inWaiting()
 49       while recv_num_real > recv_num:
 50         recv_num = recv_num_real
 51         time.sleep(0.01)
 52         recv_num_real = ser.inWaiting()
 53 
 54       recv = ser.read(recv_num_real)
 55 
 56       if in_admin_count < 3600 and 'ADMIN_CONFIG' == recv[0:12]:
 57         print('>> command received...')
 58         print(recv)
 59         is_admin_mode_enabled = True
 60         DeviceConfigSet(recv)
 61 
 62       elif in_admin_count < 3600 and 'ADMIN_QUERY*' == recv[0:12]:
 63         print('>> command received...')
 64         print(recv)
 65         is_admin_mode_enabled = True
 66 
 67       elif in_admin_count < 3600 and 'ADMIN_CLEAR*' == recv[0:12]:
 68         print('>> command received...')
 69         print(recv)
 70         is_admin_mode_enabled = True
 71         DeviceClear()
 72 
 73       elif True == is_admin_mode_enabled and 'ADMIN_EXIT**' == recv[0:12]:
 74         print('>> command received...')
 75         print(recv)
 76         is_admin_mode_enabled = False
 77 
 78       elif recv_num_real >= COMN_LENTH_MIN and recv_num_real <= COMN_LENTH_MAX:
 79         is_data_received = True
 80         for i in range(0, recv_num_real):
 81           comn_data[i] = int(binascii.b2a_hex(recv[i]), 16)
 82         for i in range(recv_num_real, recv_num_last):
 83           comn_data[i] = 0
 84         recv_num_last = recv_num_real
 85         print('>> data received...')
 86         print(comn_data)
 87 
 88       else:
 89         print('>> invalid data received!!!...')
 90         print(recv)
 91 
 92       ser.flushInput()
 93 
 94     # save data records if needed
 95     ####
 96 
 97     if in_admin_count < 3600:
 98       in_admin_count = in_admin_count + 1
 99     else:
100       is_admin_mode_enabled = False
101 
102     if True == is_admin_mode_enabled:
103       update_status_interval = update_status_interval + 1
104       if update_status_interval >= 20:
105         update_status_interval = 0
106         ser.flushOutput()
107         ser.write(GetDeviceStatus())
108 
109     # system tick
110     time.sleep(0.05)
111 
112 if __name__ == '__main__':
113   main()


    代码说明

    >> 切割通讯帧

    通过帧之间的空闲时间来区分两个帧。软件正常每隔50ms扫描一次串口，看是否收到新的数据，如果收到了新的数据，认为新的一帧开始了，软件会每隔10ms扫描一次串口，直到在上个10ms内没有接受到新的数据，认为这一帧结束（扫描间隔要考虑波特率，19200对应的1个字节持续时间约为0.625ms）。一帧接收完成后，读取出全部接收到的数据，进入下一步处理。

    主要是用这段代码来实现的：

      1 recv_num = ser.inWaiting()
  2 if recv_num > 0:
  3   time.sleep(0.01)
  4   recv_num_real = ser.inWaiting()
  5   while recv_num_real > recv_num:
  6     recv_num = recv_num_real
  7     time.sleep(0.01)
  8     recv_num_real = ser.inWaiting()
  9 
 10   recv = ser.read(recv_num_real)


    >> 有效数据帧

    为了考虑到采集系统的通用性，用数据帧的长度来进行过滤，给定一个有效数据帧的长度范围，超出的都认为是无效数据帧。

    当然也可以把通讯协议做进去，可以配置参数里可以配置通讯协议类型，0默认是无协议，其他的自行定义。


    >> 数据格式转换

    串口接收到的数据 recv = ser.read(recv_num_real)，read函数说明如下：

    https://pythonhosted.org/pyserial/pyserial_api.html

    image

    依次打印recv[0]和recv：

      1 print('>> recv[0]...')
  2 print(recv[0])
  3 print('>> recv...')
  4 print(recv)
  5 print('>> data received...')
  6 print(comn_data)

    image

    串口助手发送的第一个字节是99（10进制），recv[0]打印出来是c，这个是ascii格式的：

    image

    要把ascii格式的数据转换为int格式的数据：

      1 import binascii
  2 
  3 comn_data[i] = int(binascii.b2a_hex(recv[i]), 16)

    通过binascii.b2a_hex()函数来接收串口数据recv[i]，把这个字节转换为16进制的数据；

    通过int(x [,base])把刚刚得到的16进制数据转换为int格式的数据。



    运行 test_serial_comn.py，显示初始化完成，等待接收数据或指令：

    pi@raspberrypi:~ $ python test_serial_comn.py

    image


    测试管理指令

    树莓派收到[ADMIN_QUERY*]指令后，进入管理模式，开始每隔1s发送一次自身的状态；

    树莓派收到[ADMIN_EXIT**]指令后，退出管理模式image

    树莓派收到[ADMIN_CLEAR*]指令后，进入管理模式，调用DeviceClear()函数清空磁盘中的数据文件，并开始每隔1s发送一次自身的状态；

    树莓派收到[ADMIN_CONFIG]指令后，进入管理模式（之前已经在了），调用DeviceConfigSet()函数配置参数，并开始每隔1s发送一次自身的状态；

    树莓派收到[ADMIN_EXIT]非法指令，提示收到非法指令；

    树莓派收到[ADMIN_EXIT**]指令后，退出管理模式image


    测试广播数据

    测试包长度为222字节，16进制显示：

    63 78 12 10 05 32 01 00 00 00 00 00 00 10 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 2E 0A 27 00 00 00 00 00 5A 00 26 00 5A 00 26 00 5A 00 26 00 00 00 00 11 F8 08 FC 0C D0 05 5A 08 5C 03 84 04 9C 01 F4 00 00 00 00 00 52 00 26 10 68 08 FC 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 2A 00 00 00 00 00 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 28 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03 E8 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 11 F8 08 FC 11 F8 08 FC

    连续测试10个包，发送间隔500ms，主要是看一下接收到的数据包是否完整（软件中写了数组长度为400字节，不够的就补零）。

    image
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