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摘要：介紹Linux 環(huán)境下串口通信的設計方法和步驟，并介紹了ARM9 微處理器s3c2440 在Linux 下和C8051Fxxx 系列單片機進行串行通信的設計方法，給出了硬件連接和通信程序流程圖。該方法可靠、實用，適用于大多數(shù)Linux ARM 和單片機串口通信的場合。
0 引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中由于單片機側重于控制，數(shù)據(jù)處理能力較弱，對采集的數(shù)據(jù)進行運算處理比較繁瑣，如果通過串口與上位機通信，利用上位機強大的數(shù)據(jù)處理能力和友好的控制界面對數(shù)據(jù)進行處理和顯示則可以提高設計效率。串口通信以其簡單的硬件連接，成熟的通信協(xié)議，成為上下位機之間通信的首選。移植了Linux 操作系統(tǒng)的s3c2440 可以在Linux 環(huán)境下操作串口，降低了串口操作的難度，可以使開發(fā)者集中精力開發(fā)大規(guī)模的應用程序，而不必在操作底層設計上耗費時間。
1 硬件連接
s3c2440 是三星公司生產(chǎn)的基于ARM9 核的處理器，采用3.3 V 電壓供電； C8051Fxxx 系列單片機是美國CYGNAL 公司推出的與8051 兼容的高性能高速單片機，采用3.3 V 電壓供電。兩者供電電壓相同，所以進行串行口通信時不需要進行電平轉換。硬件連接采用最常用的TXD,RXD,GND 三線連接方式。注意采用交叉連接方式，即TXDRXD,RXDTXD.
2 Linux 下串口通信
2.1 Linux 下串口設備描述
s3c2440 上移植了Linux 2.6.32 操作系統(tǒng)，加載了s3c2440 的串口驅動程序，通過Linux 提供的串口操作函數(shù)和文件操作函數(shù)把對串口的操作等同于文件操作，降低了串口的操作難度，提高了效率。在程序中設備和文件都是通過文件描述符來操作的，文件描述符在Linux 內(nèi)核中是一個非負整數(shù)。Linux 設備文件都存放在"/dev"目錄下，串口也不例外，在/dev 中可以找到串口對應的設備文件，本文對應的串口1 的設備文件路徑是"/dev /ttySAC1"。
2.2 Linux 下串口通信程序設計
串口通信需要設置一些參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位，輸入輸出方式等。這些參數(shù)都存在于Linux提供的termios 結構中，該結構是Linux 系統(tǒng)用于查詢和操作各個終端的一個標準接口，定義在頭文件< ter-mios. h > 中，如下所示：
STruct termios{
tcflag_t c_iflag; /* 輸入標志* /
tcflag_t c_oflag; /* 輸出標志* /
tcflag_t c_cflag /* 控制標志* /
tcflag_t c_lflag /* 本地標志* /
cc_t c_cc[NCCS]; /* 控制特性* /
} ;
Linux 串口通信步驟可分為以下三步，操作流程如圖1 所示。
圖1操作流程
第一步： 打開串口
調(diào)用open（ ） 函數(shù)打開串口設備文件，若出錯則返回- 1,成功則返回文件句柄。
#define UART1 /dev /ttySAC1
int fd;
fd = open（ "UART1",O_RDWR） /* 以可讀可寫方式打開串口設備* /
第二步： 設置串口屬性
函數(shù)tcsetattr 可以設置串口的結構屬性，tcgetatt（ ） 可以得到串口的結構屬性。在termios 結構中，最重要的是c_cflag,用戶通過對其進行賦值可以實現(xiàn)串口波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等參數(shù)的設置。c_cc 數(shù)組中的兩個變量VMIN 和VTIME 判斷是否返回輸入，c _cc[VTIME]設定字節(jié)輸入時間計時器，c _cc[VMIN]設定滿足讀取功能的最低接收字節(jié)數(shù)。這兩個變量的值要設定合理，才能保證串口的通信成功率。
int set_attr（ int fd）
{
struct termios newtio,oldtio;
tcgetattr（ fd,&oldtio） ;
cfsetispeed（ &newtio,B9600） ; /* 設置讀波特率為9600* /
cfsetospeed（ &newtio,B9600） ; /* 設置寫波特率為9600* /
memset（ &newtio,0
, sizeof（ newtio） ）
;
newtio. c_cflag = CS8 | CREAD; /* 設置數(shù)據(jù)位為8 位并且使能接收* /
newtio. c_cflag & = ~ PARENB; /* 不進行奇偶校驗* /
newtio. c_cflag & = ~ CSTOPB; /* 1 位停止位* /
newtio. c_cc[VMIN]= 1; /* 當接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)就讀取* /
newtio. c_cc[VTIME]= 0; /* 不使用計時器* /
tcflush（ fd,TCIOFLUSH） ; /* 刷清輸入輸出緩沖區(qū)* /
tcsetattr（ fd,TCSANOW,&newtio） /* 使設置的終端屬性立即生效* /
}
第三步： 串口讀寫，串口關閉
設置完通信參數(shù)后，就可以用標準的文件讀寫命令read（ ） 和write（ ） 操作串口了。最后在退出之前，用close（ ） 函數(shù)關閉串口。
void rd_wr（ ）
{
write（ fd,wbuf,10） ;
usleep（ 500000） ; /* 延時50 ms 等待下位機發(fā)送數(shù)據(jù)* /
read（ fd, rbuf,10） ;
printf（ "read string is %s ", rbuf） ;
}
3 通信程序設計
ARM 與單片機的串口通信程序包括兩方面： 一方面是作為上位機的ARM 的串口通信程序，另一方面是作為下位機的單片機的串口通信程序。在通信之前必須制定合理的通信協(xié)議以保證通信的可靠性和成功率�，F(xiàn)約定雙方通信協(xié)議如下：
（ 1） 波特率為9600 bit /s,幀格式為1 - 8 - N - 1（ 1 位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位） ;（ 2） 由于上位機ARM 的速度遠遠高于下位機單片機的速度，所以采用上位機主動聯(lián)絡，下位機等待的方式。在數(shù)據(jù)傳送前ARM 先發(fā)送聯(lián)絡信號/0xaa,單片機收到后回答一個/0xbb,表示可以發(fā)送，否則繼續(xù)聯(lián)絡；（ 3） 單片機端可以有中斷和查詢方式收發(fā)串口數(shù)據(jù)。本文采用中斷方式；（ 4） ARM 處理器s3c2440 采用UART1 和單片機通信，UART0 則作為s3c2440 終端控制臺。
3.1 上位機ARM 的通信程序設計
由于s3c2440 移植了定制和裁剪后的Linux2.6.32內(nèi)核的操作系統(tǒng)，對串口的操作采用上述的Linux 下串口操作方法，程序流程圖如圖2 所示。
圖2程序流程圖
3.2 下位機單片機的通信程序設計
選用C8051F021 的定時器T1 作為波特率發(fā)生器，晶振采用11.0592 MHz,定時器工作在方式2,計數(shù)初值為0xfd,串口工作在串行方式1（ 1 - 8 - N - 1） ,采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖3 所示。
Linux 下的串口通信程序在PC 機Linux RHEL5下用arm - linux - gcc 4.4.3 交叉編譯工具編譯通過NFS 掛載在s3c2440 上運行，單片機端的通信程序用Cygnal 的集成開發(fā)環(huán)境（ IDE ） 編譯并下載到C8051F021 中運行。
圖3程序流程圖
4 結束語
隨著近年來嵌入式Linux 在國內(nèi)的應用范圍日益壯大，基于ARM 平臺的嵌入式Linux 設備也將會越來越多地用在數(shù)據(jù)采集中作為上位機對數(shù)據(jù)進行處理、顯示、存儲、發(fā)送。本文所介紹方案適用于大多數(shù)場合Linux 下ARM 和單片機的串口通信設計，設計人員只需根據(jù)自己的實際需要修改或重新制定通信協(xié)議即可。另外需要注意的是由于上位機ARM 的速度比單片機快很多，所以一次不能發(fā)送過多的數(shù)據(jù)，否則極有可能使發(fā)送緩沖區(qū)溢出而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，開發(fā)人員要根據(jù)通信雙方設備的狀況選擇合適的幀長度，以達到最佳的傳輸狀態(tài)。
作者：周峰華 潘文亮 劉軍亮 王盛安 來源：《儀表技術》
