在Linux系统中,串口通信是一种重要的设备交互方式，广泛应用于嵌入式开发、工业控制、设备调试等场景，Linux将串口设备视为文件进行管理，通过标准的文件操作接口实现数据的收发，同时提供了丰富的工具和编程接口来支持串口配置与通信，本文将从串口设备概述、核心类与接口、配置方法、编程实现及常见问题五个方面，详细介绍Linux串口相关的技术要点。
串口设备概述
Linux系统中的串口设备通常以/dev/目录下的特殊文件形式存在，常见的设备名包括/dev/ttyS0、/dev/ttyS1等（表示传统串口），以及/dev/ttyUSB0、/dev/ttyACM0等（表示USB转串口设备），这些设备文件由内核驱动管理，用户程序可以通过打开、读写、关闭等文件操作函数与串口设备交互。
串口的核心参数包括波特率、数据位、停止位、校验位和流控，这些参数的匹配是确保通信正常的前提，波特率决定了数据传输的速率（如9600、115200），数据位通常为7或8位，停止位为1或2位，校验位可选无校验、奇校验或偶校验，流控则通过硬件（RTS/CTS）或软件（XON/XOFF）控制数据传输的启停。
核心类与接口
Linux串口通信的核心实现依赖于系统调用和标准C库函数,主要分为设备管理、配置控制和数据传输三类接口。
设备管理接口
设备管理是串口通信的基础,主要通过open()、close()、ioctl()等函数实现：
open()：以读写方式打开串口设备文件，返回文件描述符（fd）。int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY)，其中O_NOCTTY防止终端成为控制终端，O_NDELAY以非阻塞方式打开。close()：关闭文件描述符，释放系统资源，如close(fd)。ioctl()：用于配置串口参数或获取设备状态，是串口配置的核心函数。
配置控制接口
串口参数通过termios结构体进行配置，该结构体定义在<termios.h>中，包含多个字段控制串口行为：
c_cflag：控制波特率、数据位、停止位、校验位等硬件参数。c_iflag：处理输入字符，如奇偶校验、软件流控等。c_oflag：控制输出处理，如回车换行转换。c_lflag：控制终端模式，如是否启用回显、规范模式等。c_cc：定义字符超时控制，如VMIN和VTIME。
配置时需先通过tcgetattr(fd, &options)获取当前参数，修改termios结构体后，再通过tcsetattr(fd, TCSANOW, &options)应用配置。
串口配置方法
串口配置需根据通信需求设置termios结构体参数，以下是关键配置步骤及参数说明：
设置波特率
波特率通过c_cflag的Bxxxx常量设置，如B9600、B115200，使用cfsetispeed()和cfsetospeed()分别设置输入和输出波特率，确保两者一致：
cfsetispeed(&options, B115200); cfsetospeed(&options, B115200);
配置数据位、停止位与校验位
- 数据位：通过
c_cflag的CSIZE掩码设置，如CS8表示8位数据位。 - 停止位：通过
CSTOPB控制，设置时表示2位停止位，不设置时为1位。 - 校验位：通过
PARENB（启用校验）、PARODD（奇校验，不设置则为偶校验）控制。
示例代码：options.c_cflag &= ~PARENB; // 无校验 options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1位停止位 options.c_cflag &= ~CSIZE; // 清除数据位掩码 options.c_cflag |= CS8; // 8位数据位
流控设置
硬件流控通过c_cflag的CRTSCTS启用，软件流控通过c_iflag的IXON、IXOFF控制：
options.c_cflag |= CRTSCTS; // 启用硬件流控 options.c_iflag |= (IXON | IXOFF); // 启用软件流控
配置超时与阻塞模式
- 非阻塞模式：
O_NDELAY标志位，立即返回读写结果，若无数据则返回-1。 - 阻塞模式：通过
c_cc的VMIN和VTIME设置，例如VMIN=1、VTIME=0表示读取至少1个字符后返回，VMIN=0、VTIME=5表示等待5*0.1秒后返回（即使无数据）。
串口编程实现示例
以下是一个简单的串口收发程序示例,展示打开设备、配置参数、读写数据及关闭设备的过程：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>
int init_serial(const char *device, int baudrate) {
int fd = open(device, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
if (fd < 0) {
perror("Failed to open serial port");
return -1;
}
struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
// 设置波特率
cfsetispeed(&options, baudrate);
cfsetospeed(&options, baudrate);
// 8位数据位，无校验，1位停止位
options.c_cflag &= ~PARENB;
options.c_cflag &= ~CSTOPB;
options.c_cflag &= ~CSIZE;
options.c_cflag |= CS8;
// 启用接收
options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
// 原始输入模式，关闭规范处理
options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
// 禁用软件流控
options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
// 原始输出模式
options.c_oflag &= ~OPOST;
// 设置超时：100ms内读取至少1个字符
options.c_cc[VMIN] = 1;
options.c_cc[VTIME] = 1;
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);
return fd;
}
int main() {
const char *device = "/dev/ttyS0";
int baudrate = B115200;
int fd = init_serial(device, baudrate);
if (fd < 0) {
return -1;
}
char send_buf[] = "Hello, Serial Port!";
char recv_buf[256];
// 发送数据
write(fd, send_buf, strlen(send_buf));
printf("Sent: %s\n", send_buf);
// 接收数据
int n = read(fd, recv_buf, sizeof(recv_buf));
if (n > 0) {
recv_buf[n] = '\0';
printf("Received: %s\n", recv_buf);
}
close(fd);
return 0;
}
常见问题与解决方案
在串口通信中,常会遇到数据丢失、乱码、无法打开设备等问题，以下是典型问题及解决方法：
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 无法打开设备 | 设备权限不足 | 使用chmod修改权限，如chmod 666 /dev/ttyS0，或通过udev规则永久授权 |
| 数据乱码 | 波特率、数据位等参数不匹配 | 检查两端串口配置参数是否一致 |
| 数据丢失 | 缓冲区溢出或流控未启用 | 增大缓冲区，启用硬件/软件流控 |
| 阻塞无法读写 | 未设置超时或阻塞模式 | 配置VMIN和VTIME，或使用O_NONBLOCK标志位 |
| USB转串口设备不识别 | 驱动未加载 | 安装usbutils工具，使用lsusb识别设备，加载对应驱动（如ch341、ftdi） |
Linux串口通信通过文件接口和termios结构体提供了灵活的配置与操作方式，掌握设备管理、参数配置及编程接口是实现可靠串口通信的关键，在实际应用中，需根据具体需求选择合适的波特率、数据位等参数，并结合流控机制和超时设置优化数据传输稳定性，通过本文介绍的核心类、配置方法和示例代码，开发者可快速搭建Linux串口通信系统，并有效解决常见问题。
