嵌入式串口通信设计

1、湖南文理学院课程设计报告课程名称：嵌入式系统课程设计专业班级：通信工程11101班 学号（2位）学生姓名：石春波指导教师：王丽娟完成时间：2014年6月5日报告成绩： 评阅意见:评阅教师 日期湖南文理学院制Linux嵌入式是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着嵌入 式系统的发展和大规模应用，为了提升系统的整体性能，必须实现PC机和嵌入式 计算机之间的通信。在实际开发应用中，串口通信是不可缺少的部分。目前嵌入式系统与PC机之间一种非常重要而且普遍应用的通信方式。本文 通过基于2410F的嵌入式串口通信的实现

2、，按照嵌入式系统的软、硬件结构组成, 较为详细地介绍了用口通信的硬件电路和软件实现方法。通过与计算机用口问的接，实现在ARM平台上，传输速率115200bps,接收来自用口（通过超级终 端）的字符并将接收到的字符发送到超级终端，实现监测。与外部设备通信的基本功能。关键字：嵌入式系统，串口通信，Linux系统前言 2一、串口通信概述2串口通信的原理3串口通信的开发工具32410F 硬件平台简介3ARM 简介 3Linux系统简介3串口通信的基本任务5二、系统分析5RS-232Cfe准 5系统硬件结构原理11三、串口驱动程序设计11串口操作需要的头文件11打开串口11串口设置11串口读写11关闭串

3、口11四、总结11参考文献11附 录 12串口通信是指外设和计算机问，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进 行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可 以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。嵌入式系统的硬件平台构架、实时嵌入式操作系统的移植，为今后嵌入式系 统的后继开发提供了一个嵌入式平台。基于嵌入式系统设计原理的嵌入式开发平 台的设计的总体方案，从硬件和软件两个方面讲述了嵌入式系统的设计思想和方 法，及其可行性的论证。嵌入式系统硬件平台的设计与调试， 着重叙述了硬件平 台的整体设计方案，包括各个设计模块的选型与接口电路的设计。随着世界科技水平的发展，嵌入式

4、系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在各 个领域得到了广泛的应用，如军事国防、消费电子、通信设备、工业控制等。随 着嵌入式系统软硬件技术的飞速发展， 其应用领域必将更为广阔，嵌入式系统的 研究将会有非常广泛的前景。本课题既可以使电子专业学生对ARM920T的嵌入式串口通信系统的实际应用有深入的了解， 更重要的是培养了我们的软硬件动手 能力，是我们所学专业知识、理论、技能和培养学生独立完成基本科研任务能力 的一个综合检验，具有一定的效果和意义。一、串口通信概述所谓串口通信，是指外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线）， 数据在一根数据信号线上一位一位进行传输， 每一位数据都占

5、据一个固定的时间 长度。串口传输是二进制代码序列在一条信道上以位（元码）为单位，按时间顺序且按位传输的通信方式。串行传输时，发送端按位发送，接收端按位接受，同时还 要对所传输的位加以确认，所以收发双方要采取同步措施，否则接受端将不能正 确区分出所传输的数据。串口通信不但能实现计算机与嵌入式开发板之间的数据传输，而且还能实 现计算机对嵌入式开发板的控制。若采用普通单片机，对外部设备的访问就需要 利用复杂的汇编语言进行编程或者使用 C 51自己编写设备的初始化以及读写访问程序,这样的过程不仅复杂,而且不利于大规模的开发和设计。ARM 与 8051 等普通单片机相比,具有开发简单、灵活,而且性能稳定

6、、功能易于扩展等一系列优势 ,因而在汽车电子、手持设备、无线领域和航空航天等嵌入式系统中得到广泛的应用。将 Linux 移植到 ARM 嵌入式处理器后,可以利用操作系统中提供的系统调用把串口及其他外设当成普通文件进行操作,读写方便,因此进行相应开发可以提高系统编程效率,而且还可以简化调试的复杂程度。串口通信的原理串行端口的本质功能是作为 CPU和串行设备间的编码转换器。当数从 CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。串口是系统资源的一部分,应用程序要使用串口进行通信,必须在使用之前向操作系统提出申请要求（打开串口）,通信完成后必须释放资源（

7、关闭串口 ）。串口通信的开发工具本次开发采用的硬件平台是 ARM920T处理器的2410F,开发系统平台是Lin ux 系统。2410F硬件平台简介2410F 是基于三星ARM9 嵌入式处理器S3C2410 处理器的一款开发平台，“F”指基于2410的第六代开发套件。系统运行在202M的主2410F是基于三星ARM9 嵌入式处理器S3C2410 处理器频下发挥出色的性能。可以完成 MP3， MPG， VOIP 等工作。2410 资源丰富适合ARM 处理器的初学者学习使用。2410F 上面使用的核心模块体积小资源丰富，IO 充足还可以应用在二次开发的产品当中。这款设备主要包括核心板与底板两个部分

8、，核心板采用6 层 PCB 设计、底板采用2 层 PCB 板设计，核心器件是基于目前业内主流使用的SAMSUNG ARM9S3C2410 处理器，主频 202MHz， 配套的存储器，网卡等设备；底板主要是各类型的接口。S3c2410处理器是Samsung公司基于 ARM公司的ARM920T处理器核，采用制造工艺的32 位微控制器。该处理器拥有：独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB数据Cache, MMU ,支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART, 4路 DMA， 4 路带 PWM 的 Timer ， I/O 口， RTC， 8 路 10 位 ADC， Touch

9、 Screen 接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2 个 USB主机，1 个 USB设备，SD主 机和MMC接口，2路SPI。S3c2410处理器最高可运行在 203MHz。它是基于ARM920T内核的16/32位RISC处理器，主要应用于嵌入式系统中。S3C2410 拥有强大的数据处理能力,又有着低成本,低功耗等优点,在各种手持及移动设备上的应用越来越广泛,基于其平台的程序功能也越来越复杂。于是,在其平台上架构多线程的操作系统已成为越来越多系统设计者的诉求, 本文介绍多线程在S3c2410上的具体实现过程。ARM 简介ARM （Advanced RISCMachines）,既

10、可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM 技术知识产权（IP般的微处理器，即通常所说的 ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场，基于 ARM技术的微处理器应用约占据了 32位RISC微处理器70%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片，世

11、界各大半导体生产商从ARM 公司购买其ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器芯片进入市场。目前全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，因此既使得ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、 软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接受，更具有竞争力。ARM 微处理器一般具有如下特点：（ 1）体积小、低功耗、低成本、高性能；（ 2）支持Thumb（16 位 ）/ARM（32 位 ）双指令集，能很好的兼容8/16 位器件；（ 3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；（ 4）大多数数据操作都在寄存器中完成；（

12、5）寻址方式灵活简单，执行效率高；（ 6）指令长度固定。Linux系统简介Linux是一类Unix计算机操作系统的统称。Linux操作系统也是自由软件和开 放源代码发展中最著名的例子。Linux 一般有四个主要部分：内核、Shell、文件 结构和实用工具。（ 1） Linux 内核内核是系统的心脏，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。（ 2） Linux ShellShell 是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。实际上 Shell 是一个命令解释器，它解释由用户输入的命令

13、并且把它们送到内核。不仅如此，Shell 有自己的编程语言用于对命令的编辑，它允许用户编写由shell命令组成的程序。Shell 编程语言具有普通编程语言的很多特点，比如它也有循环结构和分支控制结构等，用这种编程语言编写的Shell 程序与其他应用程序具有同样的效果。（ 3） Linux 文件结构文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。我们能够从一个目录切换到另一个目录，而且可以设置目录和文件的权限，设置文件的共享程度。使用Linux,用户可以设置目录和文件的权限，以便允许或拒绝其他人对其进行访问。（ 4） Li

14、nux 实用工具标准的 Linux 系统都有一套叫做实用工具的程序,它们是专门的程序，例如编辑器、执行标准的计算操作等。用户也可以产生自己的工具。实用工具可分三类：编辑器：用于编辑文件。过滤器：用于接收数据并过滤数据。交互程序：允许用户发送信息或接收来自其他用户的信息。串口通信的基本任务(1)实现数据格式化：因为来自CPU的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有 实现不同申行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。(2)进行用一并转换用行传送，数据是一位一位用行传送的，而计算机处理数据 是并行

15、数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时 ，首先把串行数据转换为并 行数才能送入计算机处理。因此串并转换是用接口电路和的重要任务。(3)控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率-波特率进 行先择和控制的能力。(4)进行错误检测：在发送接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其 他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他检验码，确定是否发生 传送错误。(5)进彳T TTL与EIA电平转换:CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA 采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。二、系统分析串行端口的本质功能是作为 CPU和串行设备间的编码转换器，一般微机内

16、都 配有通信适配器，使计算机能够与其他具有 RS-232C串口的计算机或设备进行通 信。本系统主要目的是实现宿主机与目标机之间的近距离串行通信 ，采用的宿主 机是Intel Centrino架构的Red Hat Linux环境PC机，而目标机是ARM架构的开本系统中目标机开发板的内核采用的是三星的S3c2410，该开发板采用核心板加底板的模式，核心板接口采用 DIMM200标准连接器，工作非常可靠，可稳定运行 在203 MHz的时钟频率下。其外设非常丰富，功能强大，完全可以满足设计需要。 用口线采用常用的RS-232C型接口模式，能实现计算机与开发板间的数据传输与 控制。嵌入式串口通信采用 E

17、IA RS-232cs准。RS-232的准RS-232C是1969年由电子工业协会(EIA)公布的标准。该标准的用途是定 义数据终端设备 DTE (Data Terminal Equipment)与数据通信设备 DCE (Data Communication Equioment) 的接口特性。数据终端设备就是连接通信两端设备的连线(如空MODEM)或其他设备。RS-232CB准的构架如图所示。(数据终端设备 DTE)(数据通信设备 DCE)(数据通信设备 DCE)(数据终端设备 DTE)图RS-232C标准的构架RS-232CB准的一些主要规范如下。电气特性RS-232麻用非归零、双极性编码，

18、且使用负逻辑规定的逻辑电平：-15-5V规定为逻辑“ 1"。+5+15V规定为逻辑“ 0”。信号电平与TTL电平不兼容，所 以需要电平转换电路（通常使用 MAX3232转换）。电平转换电路如图所示。图RS-232C的电平转换电路引脚定义目前广泛的DB9引脚定义如图所示。信号引脚定义的说明见表。图DB9引脚定义表DB9弓I脚说明9针串口 DB9针号功能说明缩写1输入，数据载波检测DCD2输入，接收数据RXD3输出，发送数:TXD4输出，DTE准备就绪DTR5信号地GND61输入，MODEM准备就绪DSR7输出，请求发送RTS8输入，允许发送CTS9输入，振铃指示DELL字符（帧）格式R

19、S-232麻用起止式异步通信协议，其特点是一个字符接着一个字符进行传输， 并且传输一个字符总是以起始位开始， 以停止位结束，字符之间没有固定的时间 间隔要求。其传输格式如图所示，每一个字符的前面都有一位起始位（低电平， 逻辑“0”），字符本身有58位数据位，接着字符后面是一位校验码（也可以 没有校验码），最后是停止位。停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲 位都规定为高电平（逻辑值“ 1”），这样就能保证起始位开始处一定有一个下 跳沿，便于接受方识别。图串行传输的工作原理示意图从图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步 的，故称为起止式协议。没有统一的时钟，没有同步字

20、符，依靠起始位和停止位 标识每一帧，传输时，数据的地位在前，高位在后。起始位实际上是作为同步信号附加进来的，当它变为低电平时，告诉接受方 传输开始，后面接着是数据位；而停止位则标志一个字符的结束。 这样就为通信 双方提供了何时开始收发、何时结束的标志。传输开始前，收发双方把所采用的 字符格式（包括字符的数据位长度、停止位位数、有无校验位以及是奇校验还是 偶校验等）和数据的传输速率进行统一规定。传输开始后，接收设备不断地检测 线路，看是否有起始位到来。当收到一系列的“ 1” （停止位或空闲位）之后， 检测到一个下跳沿（由“ 1”变为“0”），说明起始位出现，起始位经确认后， 就开始接收所规定的数

21、据位和奇偶校验位以及停止位。然后去掉停止位，对数据 位进行串并转换，并且经奇偶校验无误后，才算正确地接收到一个字符。一个字 符接收完毕，接收设备又继续测试线路，监视“0”电平的到来和下一位字符的开始，直到全部数据传输完毕。（4）握手协议RS-232cB准除了规定的字符格式和通信波特率以外，还在数据终端设备DTE 和数据通信设备DC三间定义了一套握手协议。握手协议的过程如图所示。数据终端设备 DTE本地MODEM远程DTE远程MODEM图DTE与DCE的握手协议过程DTR数据终端设备DTE准备就绪。DTE加电寸能正确实现通信反，向DCE发出DTR信号。1TvDSR数据通信设备DCE准备就绪。MO

22、DEM加电并能正确执行通信功能 时，DTE发出DSR信号。RTS请求发送。当DTE有数据需要向另一远程 DTE传输时，DTE在检测 DSR有效时向本地 MODEM发出RTSW号。本地MODEM检测到RTSW效，然后 根据目的电话号码向远程 MODEM发出呼叫。远程MODEM收到该呼叫，发出回答载波信号。本地MODEM接受到此载波信号，然后向远程MODEM发出原载波 信号进行确认，同时向DTE发出数据载波信号DCDDCD数据载波信号检测。由 MODEM发向数据终端设备DTE,表示已检 测到对方载波信号。CTS允许发送，当一个 MODEM辨认出对方MODEM已经准备接收时，使用CTSJ号通知自己的

23、DTE表示这个通信通路已经做好数据传输的准备，允许 DTE进行数据发送。至此，通信链路建立，可以通信。RI:振铃指示。如果 MODEM具有自动应答能力，当对方呼叫传来时， MODEM向DTE发出该信号，指示此呼叫。在电话呼叫振铃结束后，MODEM在DTE已准备好的情况下（即DTR有效），立即向对方自动应答。（5）双机互连方式双机可以利用RS-232C!信接口进行直接互连（数据终端设备 DTE到DTE）,即 空MODEM连接。这种形式在嵌入式系统中应用极为广泛。由于RS-232CB准中有两对硬件握手协议的引线： DTR和DSR RTS和CTS根 据应用握手协议的机制不同，可分为 3种情况：无硬件

24、握手、DTR和DSRg手、 RT4口 CTSfi手。无硬件握手情况无硬件握手的双机互连如图所示。DTETXD 计RXD 算GND 机BDTE计 TXD算 RXD机 GNDAL图无握手的双机互连无硬件握手的连线最简单，只需要3根线，应用比较多。但通信不可靠，接收缓 冲区容易溢出。DTR和DSR握手情况DTR和DSR握手的双机互连如图所示，计算机B发送）：若计算机A已经准备就绪，则使DTR有效。计算机B通过采集DSR得知计 算机A已经做好接收数据的准备，可以发送数据。若计算机A为准备好，则DTR 无效，计算机B通过采集DSR得知计算机A尚未做好接收数据的准备，停止发 送数据。RT*口 CTSB手情

25、况RT*口 CTSB手的双机互连如图所示图RT*口 CTS®手的双机互连利用RTSffi CTSB手进行发送和接收数据白过程如下（设计算机 A接收、计 算机B发送）：若计算机A已经准备就绪，则使RTS有效。计算机B通过采集CTS得知计 算机A已经做好接收数据的准备，可以发送数据。若计算机 A未准备好，则RTS 无效，计算机B通过采集CTS得知计算机A尚未做好接收数据的准备，停止发 送数据。系统硬件结构原理在用口通信的实现过程中，要保证数据传输的可靠性和稳定性，其硬件设计是必 不可少的，本文中选用S3c2410芯片作为核心器件。S3c2410芯片是SAMGSUNG 公司16/ 32位的

26、RISC处理器，采用ARM920 T内核，内部具有2个独立的UART 控制器以及分开的16 kB的指令Cache和16 kB数据Cache，每个控制器支持的 最高波特率可达到230. 4 kb/ s 。S3c2410芯片的这些特点，为实现在Linux操作 系统下计算机与开发板间的串口通信提供了可靠的保证。基于S3C2410的嵌入式串口通信的硬件结构原理如图所示：宿主机（计算机系统）目标机（开发板）键盘键盘控制模块外扩存储器模块图系统硬件结构原理图宿主机即计算机系统中，在Linux操作系统下编写好用口通信的程序，通过网络 ftp下载至目标机即开发板中，在相应的软件控制命令下，通过串行接口线即可实

27、 现宿主机与目标机间数据的发送和接收。目标机中电源模块提供了开发板系统工 作所需的正常电压，各种数据信息可以通过液晶显示模块及时显示出来，还可以通过键盘控制模块来实现对目标机操作的控制，外扩存储器模块可以由FLASH或SDRAM构成，当然作为一个完整的系统，还必须配有其他外围电路，以保证系统的 正常工作。三、串口驱动程序设计由于嵌入式系统是一个受资源限制的系统，因此不能直接在嵌入式系统硬件上进行编程。作为一个完整的嵌入式系统，具软件设计也是一个很重要的方面。 本系统软件的实现是通过串口设置和读写串口等操作来完成宿主机与目标机问 的串口通信。串口操作需要的头文件在开发嵌入式Linux串口驱动程序

28、时，需要以下头文件。#include <>/*标准输入输出定义*/#include <>/*标准函数库定义*/#include <> /*UNIX标准函数定义*/#include <sys/>#include <sys/>#include <>/*文件控制定义*/#include <> /*POSIX终端控制定义*/#include <>/*错误号定义*/打开串口在嵌入式Linux系统中，打开一个串口设备和打开普通文件一样。嵌入式Linux 系统下的串口文件通常位于/dev下：串口一为/dev/tt

29、yS0 ;用口二为/dev/ttyS1。打开用口时通过使用标准的文件函数open()来进行操作的，下面假设以读写方式打开串口一。int fd;andle,&rfds); if(rdtvel) actuaIRead=read(portsportNo.handle,buf,maxCnt);入式系统设计与应用M.北 京：清华大学出版社，2008.2ARM Limited. ARM Developer Suiter (Version , Assemble Guide, ARM DUI 0068A, 2000.3熊茂华、杨震伦主编.ARM9嵌入式系统设计与开发应用M.北京:清华大学出 版社，20

30、08.4刘彦文主编.基于ARM TDMI的S3c44BO淑入式微处理器技术M.北京：清华大学出版社，2009.5徐磊编著.Linux系统下C程序开发详解M.北京：电子工业出版社，2008.6华清远见嵌入式培训中心编著. 嵌入式 Linux 系统开发标准教程（第 2 版 ）M.北京：人民邮电出版社，2009.7罗苑棠编著.嵌入式Linux驱动程序和系统开发实例精讲M.北京：电子工业出版社， 2009.8罗蕾主编. 嵌入式实时操作系统及应用开发（第 2版 ）M. 北京： 北京航空航天大学出版社，2007.9华清远见嵌入式培训中心编著.Linux设备开发详解（第2版）M.北京：人民邮电出版社，201

31、0.10 Advanced Programming in the UNIX EnvironmentM Stevens， 2000.串口通信程序源代码：/*/#include <>#include <>#include <>#include <>#include <>#include <sys/>#include <sys/>#include <>#define MODEMDEVIcE "/dev/ttyS0"# define _POSIX_SOURcE 1# define FAL

32、SE 0# define TRUE 1volatile int STOP=FALSE;main()int fd,n=0,c,BAUDRATE,i,BUFNUMBER=32,READNUMBER=32; char receivebufBUFNUMBER;struct termios oldtio,newtio;struct stat st;errno=0;fd=open(MODEMDEVICE,O_RDWR|O_NOCTTY/*|O_NDELAY|O_NONBLOCK*/)打开用 口 */if (errno)perror(MODEMDEVICE);printf("Error in open COM1n");errno=0;exit(-1);tcgetattr(fd,&oldtio);bzero(&newtio,sizeof(newtio);BAUDRATE