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  • 张高兴的 .NET Core IoT 入门指南:(六)串口通信入门

    在开始之前,首先要说明的是串口通信所用到的 SerialPort 类并不包含在 System.Device.Gpio NuGet 包中,而是在 System.IO.Ports NuGet 包中。之所以在这里介绍串口通信,是因为在嵌入式中串口通信是与其他设备进行交互的一种重要方式,而且在某些没有屏幕的设备中充当着程序调试的工具。

    什么是串口

    串口是串行接口的简称,这是一个非常大的概念,在嵌入式中串口通常指 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步收发器)。使用串口进行的通信叫做串行通信,与之相对的一个概念是并行通信。串行通信是指数据一位一位的按顺序传输,而并行通信则是多位数据同时传输。如图1所示,DATA BUSUART 1 之间是并行通信,UART 1UART 2 之间是串行通信。

    图1:串行通信与并行通信

    串口通信的数据帧格式如图2所示,通常一帧共包括 10 位:1 个起始位,8 个数据位和 1 个停止位。有一些特殊的数据帧在停止位前面包含 1 位的奇偶校验位,还有的停止位有 2 个比特。其中起始位为低电平(0),标志着数据传输的开始;停止位为高电平(1),表示数据帧传输结束;数据位则为实际发送的数据,使用高低电平来表示比特信息,如果发送的内容是文本,那么这段数据为字符的二进制编码(ASCII,UTF-8……)。数据传输的速率我们使用波特率(Baud Rate)来表示,即每秒钟传送的码元符号的个数[1]。比如数据传输速率为 9600 字符/s,那么这时的波特率为 9600。

    图2:串口通信的数据帧

    设备进行串口通信时,设备的连线如图3所示,两个设备的信号线,即发送端(TXD)与接收端(RXD)交叉相连,并且需要共地。在 Raspberry Pi 的引脚上共引出了 1 组串口,即 UART 0 ,对应 8 和 10 号引脚。

    图3:串口设备的连接

    相关类

    串口操作的相关类位于 System.IO.Ports 命名空间下。

    SerialPort

    public class SerialPort : Component
    {
        // portName 为串口的名称,可以使用静态方法 GetPortNames() 获取
        public SerialPort(string portName);
    
        // 传输的波特率
        public int BaudRate { get; set; }
        // 指定传输内容的编码
        public Encoding Encoding { get; set; }
        // 新行格式,即设置换行的字符
        public string NewLine { get; set; }
        // 设置停止位的格式
        public StopBits StopBits { get; set; }
        // 设置校验位的格式
        public Parity Parity { get; set; }
    
        // 打开串口通信流
        public void Open();
        // 关闭串口通信流
        public void Close();
    
        // 向串口通信流中写一行字符
        public void WriteLine(string text);
        // 从串口通信流中读一行字符
        public string ReadLine();
        // 读取缓冲区中的所有可用内容,一般用于清空缓冲区,防止读取旧的内容
        public string ReadExisting();
    
        // 获取可用的串口名称
        public static string[] GetPortNames();
    }
    

    串口通信的步骤

    1. 配置串口通信参数,如波特率,内容编码,新行格式,超时时间等。
    SerialPort sp = new SerialPort(portName: "/dev/ttyUSB0")
    {
        BaudRate = 115200,
        Encoding = Encoding.UTF8,
        ReadTimeout = 500,
        WriteTimeout = 500,
    }
    
    1. 打开串口
    sp.Open();
    
    1. 读取和写入文本
    sp.WriteLine($"Text content.");
    string content = sp.ReadLine();
    
    1. 关闭串口
    sp.Close();
    

    USB 串口通信实验

    硬件需求

    名称 数量
    USB 串口 x1
    杜邦线 若干

    USB 串口设备只要 Raspberry Pi 支持即可,这里使用的是 FT232RL

    电路

    • GND - GND
    • RX - TX (Pin 8)
    • TX - RX (Pin 10)
    • USB - USB

    使用 Docker 运行示例

    示例地址:https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/SerialCommunication

    docker build -t serial-sample -f Dockerfile .
    docker run --rm -it --device /dev/ttyUSB0 --device /dev/ttyS0 serial-sample
    

    代码

    1. 打开 Visual Studio ,新建一个 .NET Core 控制台应用程序,项目名称为“SerialCommunication”。
    2. 引入 System.IO.Ports NuGet 包。
    3. Program.cs 中,将主函数代码替换如下:
    static void Main(string[] args)
    {
        using (SerialPort usb = new SerialPort(portName: "/dev/ttyUSB0")) 
        {
            usb.BaudRate = 115200;
            usb.Encoding = Encoding.UTF8;
            usb.ReadTimeout = 500;
            usb.WriteTimeout = 500;
    
            usb.Open();
    
            using (SerialPort rpi = new SerialPort(portName: "/dev/ttyS0"))
            {
                rpi.BaudRate = 115200;
                rpi.Encoding = Encoding.UTF8;
                rpi.ReadTimeout = 500;
                rpi.WriteTimeout = 500;
    
                rpi.Open();
    
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    rpi.WriteLine($"Hello {i}!");
                    Console.WriteLine($"USB receive: {usb.ReadLine()}");
                }
    
                rpi.Close();
            }
    
            usb.Close();
        }
    }
    
    1. 发布、拷贝、更改权限、运行

    效果图

    供参考

    1. Universal asynchronous receiver-transmitter - Wikipedia:https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter
    2. Serial Communication - Wikipedia:https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_communication
    3. BASICS OF UART COMMUNICATION:http://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/
    4. 波特率 - 百度百科:https://baike.baidu.com/item/波特率
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