張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（六）串口通信入門

在開始之前，首先要說明的是串口通信所用到的 SerialPort 類並不包含在 System.Device.Gpio NuGet 包中，而是在 System.IO.Ports NuGet 包中。之所以在這里介紹串口通信，是因為在嵌入式中串口通信是與其他設備進行交互的一種重要方式，而且在某些沒有屏幕的設備中充當着程序調試的工具。

什么是串口

串口是串行接口的簡稱，這是一個非常大的概念，在嵌入式中串口通常指 UART （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器）。使用串口進行的通信叫做串行通信，與之相對的一個概念是並行通信。串行通信是指數據一位一位的按順序傳輸，而並行通信則是多位數據同時傳輸。如圖1所示，DATA BUS 到 UART 1 之間是並行通信，UART 1 到 UART 2 之間是串行通信。

圖1：串行通信與並行通信

串口通信的數據幀格式如圖2所示，通常一幀共包括 10 位：1 個起始位，8 個數據位和 1 個停止位。有一些特殊的數據幀在停止位前面包含 1 位的奇偶校驗位，還有的停止位有 2 個比特。其中起始位為低電平（0），標志着數據傳輸的開始；停止位為高電平（1），表示數據幀傳輸結束；數據位則為實際發送的數據，使用高低電平來表示比特信息，如果發送的內容是文本，那么這段數據為字符的二進制編碼（ASCII，UTF-8……）。數據傳輸的速率我們使用波特率（Baud Rate）來表示，即每秒鍾傳送的碼元符號的個數^[1]。比如數據傳輸速率為 9600 字符/s，那么這時的波特率為 9600。

圖2：串口通信的數據幀

設備進行串口通信時，設備的連線如圖3所示，兩個設備的信號線，即發送端（TXD）與接收端（RXD）交叉相連，並且需要共地。在 Raspberry Pi 的引腳上共引出了 1 組串口，即 UART 0 ，對應 8 和 10 號引腳。

圖3：串口設備的連接

相關類

串口操作的相關類位於 System.IO.Ports 命名空間下。

SerialPort

public class SerialPort : Component
{
    // portName 為串口的名稱，可以使用靜態方法 GetPortNames() 獲取
    public SerialPort(string portName);

    // 傳輸的波特率
    public int BaudRate { get; set; }
    // 指定傳輸內容的編碼
    public Encoding Encoding { get; set; }
    // 新行格式，即設置換行的字符
    public string NewLine { get; set; }
    // 設置停止位的格式
    public StopBits StopBits { get; set; }
    // 設置校驗位的格式
    public Parity Parity { get; set; }

    // 打開串口通信流
    public void Open();
    // 關閉串口通信流
    public void Close();

    // 向串口通信流中寫一行字符
    public void WriteLine(string text);
    // 從串口通信流中讀一行字符
    public string ReadLine();
    // 讀取緩沖區中的所有可用內容，一般用於清空緩沖區，防止讀取舊的內容
    public string ReadExisting();

    // 獲取可用的串口名稱
    public static string[] GetPortNames();
}

串口通信的步驟

1. 配置串口通信參數，如波特率，內容編碼，新行格式，超時時間等。

SerialPort sp = new SerialPort(portName: "/dev/ttyUSB0")
{
    BaudRate = 115200,
    Encoding = Encoding.UTF8,
    ReadTimeout = 500,
    WriteTimeout = 500,
}

2. 打開串口

sp.Open();

3. 讀取和寫入文本

sp.WriteLine($"Text content.");
string content = sp.ReadLine();

4. 關閉串口

sp.Close();

USB 串口通信實驗

硬件需求

名稱	數量
USB 串口	x1
杜邦線	若干

USB 串口設備只要 Raspberry Pi 支持即可，這里使用的是 FT232RL。

電路

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

使用 Docker 運行示例

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

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制台應用程序，項目名稱為“SerialCommunication”。
2. 引入 System.IO.Ports NuGet 包。
3. 在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

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();
    }
}

4. 發布、拷貝、更改權限、運行

效果圖

供參考

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