Arduino 串口通信

Arduino 与计算机通信最常用的方式就是串口通信。在 Arduino 控制器上,串口都是位于 0(RX)和 1(TX)的两个引脚,Arduino 的 USB 口通过一个转换芯片(通常是 ATmega16u2)与这两个串口引脚连接。该转换芯片会通过 USB 接口在计算机上虚拟出一个用于与 Arduino 通信的串口。

因此,当使用 USB 线将 Arduino 与计算机连接时,两者之间便建立了串口连接。通过此连接,Arduino 便可与计算机互传数据了。

串口初始化

在使用串口与计算机通信之前,需要先使用 Serial.begin() 函数初始化 Arduino 的串口通信功能。函数原型如下:

Serial.begin(speed);
Serial.begin(speed, config);

其中,Serial 是 Arduino 预先定义好的串口对象;参数 speed 为串口通信的波特率,数据类型为 long;参数 config 是可选的,用于设置串口通信的数据位、校验位、停止位,默认为 SERIAL_8N1。

波特率是一个衡量通信速度的参数,它表示每秒传送的比特(bit)的个数。例如 9600 bps 表示每秒发送 9600 bit 的数据。使用串口通信的双方必须使用一致的波特率才能正常通信。串口通信中常用的波特率有 300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200。波特率越高,表明串口通信的速率越高。

串口初始化示例:

void setup() 
{
    Serial.begin(9600); // 打开串口,并设置波特率为 9600 bps
}

串口输出

串口初始化完成后,就可以使用 Serial.print()Serial.println() 函数向计算机发送信息了。函数原型如下:

Serial.print(val)
Serial.print(val, format)

参数 val 是要输出的数据,各种类型的数据均可;参数 format 是可选的,用于指定输出格式,其值可以是 BIN(二进制)、DEC(十进制)、OCT(八进制)、HEX(十六进制),或者是指定浮点数输出的小数位数(默认输出两位)。

例如:

Serial.print(78);              // 输出 "78"
Serial.print(1.23456);         // 输出 "1.23"
Serial.print('N');             // 输出 "N"
Serial.print("Hello world.");  // 输出 "Hello world."

添加第2个参数,会影响输出格式

Serial.print(78, BIN);         // 输出 "1001110"
Serial.print(78, OCT);         // 输出 "116"
Serial.print(78, DEC);         // 输出 "78"
Serial.print(78, HEX);         // 输出 "4E"
Serial.print(1.23456, 0);      // 输出 "1"
Serial.print(1.23456, 2);      // 输出 "1.23"
Serial.print(1.23456, 4);      // 输出 "1.2345"

Serial.println() 的用法与 Serial.print() 一样,唯一的不同是, Serial.println() 会在输出完指定数据后,附加一组回车换行符。

串口输入

除了输出,串口还可以用于接收由计算机发出的数据。接收串口数据需要使用 Serial.read() 函数,其函数原型如下:

Serial.read();

Serial.read() 函数没有参数。调用该函数,如果串口接收缓冲区有数据,则每次返回1字节的数据,数据类型为 int 型;如果没有数据,则返回 -1。

所以,在使用串口读取数据时,通常会搭配使用 Serial.available() 函数。它的作用是返回当前缓冲区中接收到的数据字节数。

示例:

int incomingByte = 0; // 定义变量用于接收串口数据

void setup() 
{
    Serial.begin(9600); // 打开串口,并设置波特率为 9600 bps
}

void loop() 
{
    // 检测缓冲区中是否有可读数据
    if (Serial.available() > 0) 
    {
        // 有可读数据,读取1字节
        incomingByte = Serial.read();

        // 看看你收到的数据是什么
        Serial.print("I received: ");
        Serial.println(incomingByte, DEC);
    }
}

前面多次提到的「串口缓冲区」实际上是 Arduino 启动后在 SRAM 中开辟的一段大小为 64 Bytes 的空间,串口接收到的数据都会被暂时存放在该空间中,因此将这个存储空间称为串口缓冲区(serial buffer)。当调用 Serial.read() 函数时,Arduino 便会从缓冲区中取出 1 Byte 的数据。

串口监视器

将上述串口通信的示例代码,编译下载到 Arduino 控制板,打开串口监视器即可进行测试。找到 Arduino IDE 工具栏最右侧的「串口监视器」,点击打开。它是 Arduino IDE 自带的一个小工具,可以向 Arduino 设备发送数据,也可以用来查看串口传来的数据。

需要注意的是,在串口监视器的右下角有一个波特率设置下拉菜单,如果无法收发数据,请检查此处设置的波特率与程序中的设置是否一致。

更多函数

除了上面提到的几个函数,实际上 Arduino 还为我们提供了其他接口函数,它们在 Arduino 核心库的 HardwareSerial 类中定义。Arduino 已经默认包含了这个类,因此不需要使用 include 语句引入即可使用这些函数。

available()

获取串口接收到的数据个数,即获取串口接收缓冲区中的字节数。接受缓冲区最多可保存 64 bytes 的数据。

语法:

Serial.available();

参数:无

返回值:可读取的字节数

begin()

初始化串口。可配置串口的各项参数。

语法:

Serial.begin(speed);
Serial.begin(speed, config);

参数:

  • speed:波特率
  • config:数据位、校验位、停止位配置

返回值:无

end()

结束串口通信。该操作可以释放该串口所在的数字引脚,使得其可以作为普通数字引脚使用。

语法:

Serial.end();

参数:无

返回值:无

find()

从串口缓冲区读取数据,直到读取到指定的字符串。

语法:

Serial.find(target);

参数:

  • target : 需要搜索的字符串或字符

返回值:

  • Boolean型:
  • True:找到
  • False:没有找到

findUntil()

从串口缓冲区读取数据,直到读取到指定的字符串或指定的停止符。

语法:

Serial.findUntil(target, terminal);

参数:

  • target : 需要搜索的字符串或字符
  • terminal : 停止符

返回值:bool 型数据

flush()

等待正在发送的数据发送完成。

语法:

Serial.flush();

参数:无

返回值:无

parseFloat()

从串口缓冲区返回第一个有效的 float 型数据。

语法:

Serial.parseFloat();

参数:无

返回值:float 型数据

parseInt()

从串口流中查找第一个有效的整型数据。

语法:

Serial.parseInt();

参数:无

返回值:int 型数据

peek()

返回1字节的数据,但不会从接受缓冲区删除该数据。与 read() 不同,read() 读取数据后,会从接受缓冲区删除该数据。

语法:

Serial.peek();

参数:无

返回值:进入接受缓冲区的第一个字节的数据;如果没有可读数据,则返回 -1。

print()

将数据输出到串口。数据会以 ASCII 形式输出。如果要以字节形式输出数据,你需要使用 write() 函数。

语法:

Serial.print(val);
Serial.print(val, format);

参数:

  • val: 需要输出的数据
  • format: 输出的进制形式
    • BIN(二进制)
    • DEC(十进制)
    • OCT(八进制)
    • HEX(十六进制)

返回值:输出的字节数

println()

将数据输出到串口,并回车换行。数据会以 ASCII 码形式输出。

语法:

Serial.println(val);
Serial.println(val, format);

参数:

  • val:需要输出的数据
  • format:输出的进制形式(同上)

返回值:输出的字节数

read()

从串口读取数据。与 peek() 不同,read() 每读取一个字节,就会从接受缓冲区移除一个字节的数据。

语法:

Serial.read();

参数:无

返回值:进入串口缓冲区的第一个字节;如果没有可读数据,则会返回 -1。

readBytes()

从接受缓冲区读取指定长度的字符,并将其存入一个数组中。等待数据时间超过设定的超时时间,将退出这个函数。

语法:

Serial.readBytes(buffer, length);

参数:

  • buffer:用于存储数据的数组(char[] 或者 byte[]
  • length:需要读取的字符长度

返回值:读到的字节数;如果没有接收到有效的数据,则返回 0。

readBytesUntil()

从接受缓冲区读取指定长度的字符,并将其存入一个数组中。如果读取到停止符或者等待数据时间超过设定的超时时间,将退出这个函数。

语法:

Serial.readBytesUntil(character, buffer, length);

参数:

  • character:停止符
  • buffer:用于存储数据的数组( char[] 或者byte[] )
  • length:需要读取的字符长度

返回值:读到的字节数;如果没有接收到有效的数据,则返回 0。

setTimeout()

设置超时时间。用于设置 Serial.readBytesUntil()Serial.readBytes() 的等待串口数据时间。

语法:

Serial.setTimeout(time);

参数:

  • time:超时时间,单位毫秒

返回值:无

write()

输出数据到串口(以字节形式输出到串口)。

语法:

Serial.write(val);
Serial.write(str);
Serial.write(buf, len);

参数:

  • val:发送的数据
  • str:string型的数据
  • buf:数组型的数据
  • len:缓冲区的长度

返回值:输出的字节数

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