关于串口上位机编程的背景知识

1、串行通信简介

串行通信是一种数据传输方式，它将数据位逐个按照顺序传输，相对于并行通信而言，串行通信只需要一根传输线路，因此更加简单和经济。在串行通信中，数据位按照一定的格式进行传输，通常包括以下几个要素：

1.1、起始位（Start Bit）：表示数据传输开始的信号，通常为低电平。

1.2、数据位（Data Bits）：表示要传输的数据，可以是一个字节（8位）或者其他长度。

1.3、校验位（Parity Bit）：用于校验数据的正确性，通常为奇偶校验位。

1.4、停止位（Stop Bit）：表示数据传输结束的信号，通常为高电平。

串行通信的传输速率由波特率（Baud Rate）决定，波特率表示每秒钟传输的位数。常见的波特率有9600、115200等。串行通信常用的接口有RS-232、RS-485、USB等，每种接口有自己的规范和特点。串行通信在许多领域得到广泛应用，例如计算机与外部设备的通信、嵌入式系统的通信、工业自动化控制系统等。它具有传输距离远、抗干扰性强、传输速率高等优点，因此被广泛采用。串行通信是一种简单、经济且可靠的数据传输方式，通过按顺序逐位传输数据，实现设备之间的数据交换和通信

2、串行参数配置

2.1、端口 port : [com1、com2、等]指使用哪个串行端口通信。

2.2、波特率 Baud Rate : [2400、4800、9600、19200 等]

这是一个衡量符号传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数，如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10位*240个/秒=2400bps。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信

2.3、数据位 Data Bits : [5、6、7、8]

这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据往往不会是8位的，标准的值是6、7和8位。

2.4、停止位 Stop Bits : [1、1.5、2]

用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。串口通信首先是设置波特率，由此决定每位数据在线上维持的时间。以传输1bit所需要的时间作为一个单位时间。1位停止位表示 停止信号在线上维持一个单位时间。2位停止位表示 停止信号在线上维持两个单位时间。

2.5、奇偶校验位 Parity : [Odd、Even、NONE、Mark、Space]奇偶校验是对数据传输正确性的一种校验方法。在数据传输前附加一位奇校验位，用来表示传输的数据中"1"的个数是奇数还是偶数，为奇数时，校验位置为"0"，否则置为"1"，用以保持数据的奇偶性不变。

Odd:奇校验

Even:偶校验

NONE:无校验

Mark:校验位始终为1(不常用)

Space:校验位始终为0(不常用)

3、串口通信相关的硬件知识

3.1、单工通信（Simplex）：单工通信是指数据只能在一个方向上进行传输的通信方式。在单工通信中，数据只能从发送端传输到接收端，不能进行双向数据传输。

3.2、半双工通信（Half Duplex）：半双工通信是指数据可以在两个方向上进行传输，但不能同时进行。在半双工通信中，发送端和接收端可以交替地发送和接收数据，但不能同时进行。

3.3、全双工通信（Full Duplex）：全双工通信是指数据可以在两个方向上同时进行传输的通信方式。在全双工通信中，发送端和接收端可以同时进行数据的发送和接收，实现双向的数据传输。

3.4、RS-232：RS-232是一种常见的串口通信标准，用于计算机与外部设备之间的通信。RS-232是一种单工、点对点的串口接口，支持较短的传输距离（一般为15米左右），常用于个人电脑、终端设备等。

3.6、RS-232的特点：使用异步传输方式，即数据传输不依赖于时钟信号。通信速率较低，常见的波特率为9600、115200等。使用DB9或DB25接头连接，包括发送线、接收线、地线和控制线等。

3.7、RS-485：RS-485是一种多点、半双工的串口通信标准，常用于工业自动化控制系统等领域。RS-485支持较长的传输距离（最高可达1200米），可以连接多个设备。

3.8、RS-485的特点：支持多点连接，多个设备可以共享同一条总线。采用差分信号传输，具有较强的抗干扰能力。通信速率较高，常见的波特率为9600、115200等。使用RJ45或其他连接器连接，包括发送线、接收线和地线等

4、软件实现串口通信的相关知识

串口通信库/API：编程语言通常提供了相应的串口通信库或API，用于进行串口的打开、关闭、读取和写入等操作。这些库或API提供了一系列函数或方法，供开发者调用来实现串口通信。

4.1、打开串口：首先需要通过串口通信库或API打开串口，指定串口的端口号、波特率、数据位、停止位、校验位等参数。

4.2、读取数据：通过串口通信库或API读取串口接收缓冲区中的数据。可以使用阻塞模式或非阻塞模式进行读取操作。

4.3、写入数据：通过串口通信库或API向串口发送数据。可以将数据写入发送缓冲区，等待串口发送。

4.4、关闭串口：当串口通信结束后，需要通过串口通信库或API关闭串口，释放相关资源

5. 阻塞模式、非阻塞模式

在开发上位串口中，在初始化串口的时候，可以选择是“阻塞模式”或“非阻塞模式”，这个模式选择只影响串口接收函数：

5.1、阻塞模式：调用接收函数后，接收函数阻止程序继续运行，直到收到串口数据

python代码实现阻塞模式单线程伪代码

import serial

# 打开串口

ser = serial.Serial('COM1', 9600)

# 读取数据

data = ser.read(10)  # 读取10个字节的数据

# 写入数据

ser.write(b'Hello World')  # 向串口写入数据

# 关闭串口

ser.close()

python代码实现阻塞模式多线程伪代码

import serial

import threading

def read_from_serial(ser):

    while True:

        data = ser.read(10)  # 读取数据

        print('Received:', data)

def write_to_serial(ser):

    while True:

        data = input('Enter data to send: ')

        ser.write(data.encode())  # 写入数据

# 打开串口

ser = serial.Serial('COM1', 9600)

# 创建读取线程

read_thread = threading.Thread(target=read_from_serial, args=(ser,))

read_thread.start()

# 创建写入线程

write_thread = threading.Thread(target=write_to_serial, args=(ser,))

write_thread.start()

# 等待线程结束

read_thread.join()

write_thread.join()

# 关闭串口

ser.close()

5.2、非阻塞模式：调用接收函数之后，函数判断串口接收缓存是否有数据，有则返回数据，没有则之间返回0，即，无论收到或没有收到数据，接收函数都不阻塞程序继续运行。

6、上位机实现查找串口设备的原理

6.1、遍历串口号：上位机程序会遍历一定范围内的串口号，通常从1到最大串口号（如COM1、COM2、COM3...）。

6.2、尝试打开串口：对于每个串口号，上位机程序会尝试打开该串口。如果成功打开，说明该串口号对应的设备存在。

6.3、发送查询命令：一旦成功打开串口，上位机程序会向该串口发送一个特定的查询命令。这个查询命令是预先定义好的，可以是一个特定的字节序列或者字符串。

6.4、等待设备响应：上位机程序会等待一定时间，通常是几百毫秒，以确保串口设备有足够的时间进行响应。

6.5检查响应数据：如果在等待时间内收到了设备的响应数据，上位机程序会判断该串口号对应的设备是有效的，并将其列为可用的串口设备。

6.6、关闭串口：无论是否有设备响应，上位机程序都会关闭当前打开的串口。

6.7、继续遍历其他串口号：上位机程序会继续遍历其他未尝试的串口号，重复上述步骤，直到遍历完所有的串口号。

6.8、返回可用串口列表：最终，上位机程序会返回一个可用的串口设备列表，供用户选择和使用。需要注意的是，不同的操作系统和编程语言可能有不同的实现方式，但基本原理是类似的。通过遍历串口号、尝试打开串口、发送查询命令并等待设备响应，上位机程序可以实现查找串口设备的功能。