樹莓派ZeroW串口通訊

本文轉載自查看原文 2020-04-21 11:15 2507 樹莓派

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電腦系統：WIN10

樹莓派型號：Zero W

樹莓派系統：Raspbian，2018-11-13-raspbian-stretch-lite.img

Python 2.7.3

軟件&工具：sscom5.13.1（串口助手），串口通訊線，串口驅動（電腦用）

硬件配置

使用樹莓派的GPIO15、GPIO16作為串口的TxD和RxD，另外還有附近的5V、GND。准備好串口通訊線，電腦上裝好驅動。

樹莓派CPU的內部有兩個串口，一個是硬件串口，一個是迷你串口(mini-uart)。硬件串口的速率是穩定的，而迷你串口沒有時鍾源，由內核提供時鍾參考源，由於內核本身的頻率是變化的，導致迷你串口的速率不穩定。

系統默認把硬件串口分配給了藍牙模塊，迷你串口分配給了GPIO（GPIO15、GPIO16），這將影響串口通訊的可靠性，所以在安裝樹莓派系統的時候，交換了兩個串口的分配：

pi@raspberrypi:~ $ ls -l /dev #查看設備信息

ttyAMA0就是GPIO上的那個串口，系統默認它是作為console使用的，不過在安裝樹莓派系統的時候已經把這個配置給刪掉了，現在可以作為普通的串口使用。

數據收發

先實現基本的數據收發功能，主要是為了測試接收和發送的通路是否正常。

新建一個測試文件 test_serial.py：

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano test_serial.py

右鍵復制下面的內容，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()

這段程序首先是打開串口0，波特率19200。然后在while循環中等待接收數據，接收到數據以后，把這個數據以及它的字節數發送出來。

每0.1s掃描一次，測試數據最好稍微短一點，否則就肯定被截斷了。

運行 test_serial.py：

pi@raspberrypi:~ $ python test_serial.py

如果中途需要退出，比如去重新編輯文件，可以按Ctrl+Z

連接串口通訊線，打開串口助手（sscom），選擇掃描到的COM口，設置波特率為19200，不勾選HEX顯示、HEX發送，然后點擊打開串口。

串口助手發送：hello_serial

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

串口助手接收到的就是樹莓派串口發送的，說明硬件連接正常，串口發送接收功能正常。

串口通訊

本項目中的串口通訊包含兩種模式（互斥，默認為數據模式）：

管理模式下，樹莓派接收配置參數，發送自身狀態；
數據模式下，樹莓派接收設備的廣播數據

管理模式

設計了4個管理指令，均為12字節，不夠的就用*補足，可以根據實際的需要隨意定義，指令的長度也可以不一樣：

ADMIN_QUERY*	查詢狀態：內部控制參數，磁盤信息，數據文件數量等
ADMIN_CONFIG	配置內部控制參數：樹莓派的編號，通訊協議，WIFI用戶名和密碼等
ADMIN_CLEAR*	清空磁盤中的所有數據庫文件
ADMIN_EXIT**	退出管理模式

上電后一段時間內（可以設置為1-5分鍾），樹莓派接收到前3條指令后，均進入管理模式，樹莓派在這個模式下每隔1s發送一次自身的狀態。樹莓派收到退出指令或者一定時間限制后，自動退出管理模式。

數據模式

廣播包約0.5~2s發一幀，每幀數據約50~400字節，數據幀之間的空閑時間≥100ms。樹莓派接收到廣播數據幀后將其存在一個int數組里，其他程序后面會來處理這個數組。

新建一個測試文件 test_serial_comn.py：

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano test_serial_comn.py

右鍵復制下面的內容，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()

代碼說明

>> 切割通訊幀

通過幀之間的空閑時間來區分兩個幀。軟件正常每隔50ms掃描一次串口，看是否收到新的數據，如果收到了新的數據，認為新的一幀開始了，軟件會每隔10ms掃描一次串口，直到在上個10ms內沒有接受到新的數據，認為這一幀結束（掃描間隔要考慮波特率，19200對應的1個字節持續時間約為0.625ms）。一幀接收完成后，讀取出全部接收到的數據，進入下一步處理。

主要是用這段代碼來實現的：

  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)

>> 有效數據幀

為了考慮到采集系統的通用性，用數據幀的長度來進行過濾，給定一個有效數據幀的長度范圍，超出的都認為是無效數據幀。

當然也可以把通訊協議做進去，可以配置參數里可以配置通訊協議類型，0默認是無協議，其他的自行定義。

>> 數據格式轉換

串口接收到的數據 recv = ser.read(recv_num_real)，read函數說明如下：

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

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)

串口助手發送的第一個字節是99（10進制），recv[0]打印出來是c，這個是ascii格式的：

要把ascii格式的數據轉換為int格式的數據：

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

通過binascii.b2a_hex()函數來接收串口數據recv[i]，把這個字節轉換為16進制的數據；

通過int(x [,base])把剛剛得到的16進制數據轉換為int格式的數據。

運行 test_serial_comn.py，顯示初始化完成，等待接收數據或指令：

pi@raspberrypi:~ $ python test_serial_comn.py

測試管理指令

樹莓派收到[ADMIN_QUERY*]指令后，進入管理模式，開始每隔1s發送一次自身的狀態；

樹莓派收到[ADMIN_EXIT**]指令后，退出管理模式

樹莓派收到[ADMIN_CLEAR*]指令后，進入管理模式，調用DeviceClear()函數清空磁盤中的數據文件，並開始每隔1s發送一次自身的狀態；

樹莓派收到[ADMIN_CONFIG]指令后，進入管理模式（之前已經在了），調用DeviceConfigSet()函數配置參數，並開始每隔1s發送一次自身的狀態；

樹莓派收到[ADMIN_EXIT]非法指令，提示收到非法指令；

樹莓派收到[ADMIN_EXIT**]指令后，退出管理模式

測試廣播數據

測試包長度為222字節，16進制顯示：

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

連續測試10個包，發送間隔500ms，主要是看一下接收到的數據包是否完整（軟件中寫了數組長度為400字節，不夠的就補零）。

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