张高兴的 .NET Core IoT 入门指南：（五）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 BUS 到 UART 1 之间是并行通信，UART 1 到 UART 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. 在 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