Day75 RS-485 通信协议设计、串口编程与嵌入式系统部署实践

day75 RS-485 通信协议设计、串口编程与嵌入式系统部署实践

1. RS-485 接口与通信基础

1.1 物理接口说明

位置：开发板上网口旁两个蓝色接口中，远离网口的那个为 485 接口。
标识：标有 "AB" 字样，对应差分信号线 A/B。
供电要求 ：标准 RS-485 传感器（如 FCU1104）需 10~30V DC 电源；开发板仅提供 5V，不可直接驱动，必须外接合适电源。
安全规范 ：
- 严禁带电插拔（历史教训：已烧毁两块开发板）。
- 所有设备应共地（GND），避免电位差导致通信失败。

1.2 通信特性

差分信号传输：通过 A/B 线之间的电压差表示数据，抗干扰能力强。
主从架构（Master-Slave） ：
- 主机主动轮询，从机被动响应。
- 从机不会主动发送数据。
解析优势 ：
- 每次通信包独立且完整。
- 解析时可从缓冲区起始位置处理，无需拼接碎片。
- 若数据不足一个完整包，可直接丢弃，下次重新接收。

✅ 对比：自动上报型传感器需处理粘包/分包，逻辑更复杂。

2. 自定义通信协议设计与实现

2.1 协议格式（字节顺序）

字段	长度	说明
`PACK_HEAD`	1B	包头：`0x55`
`Length`	1B	有效数据长度（含命令码 + 数据）
`CMD`	1B	命令类型（见下文枚举）
`Data`	nB	实际数据（如温度、湿度）
`Checksum`	1B	校验和 = `sum(CMD + Data)`
`PACK_TAIL`	1B	包尾：`0xAA`

🔍 示例（GET_ALL）：
[0x55][0x03][0x03][temp][humi][checksum][0xAA]

2.2 命令码定义

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typedef enum {
    GET_TEMP = 1,  // 获取温度
    GET_HUMI,      // 获取湿度
    GET_ALL        // 获取全部（温度+湿度）
} CMD;

2.3 核心函数设计原则

封装与发送分离 ：打包函数只负责生成字节流，不直接调用 send()。
模块化：便于扩展（如增加设备 ID、时间戳等字段）。
边界检查：防止缓冲区溢出、空指针等。

3. TCP 模拟测试程序详解（ser.c / cli.c）

💡 用途：在无硬件条件下验证协议逻辑。使用 TCP 模拟串口通信。

3.1 公共定义（两端一致）

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#define PACK_HEAD 0x55  // packet header
#define PACK_TAIL 0xAA  // packet tail

// 计算校验和：对指定长度的字节数组求和，返回低8位
unsigned char check_sum(unsigned char *data, int len) {
    unsigned char sum = 0;
    for (int i = 0; i < len; i++)
        sum += data[i];
    return sum;
}

功能：用于验证数据完整性。发送端计算并附加，接收端重新计算并比对。

3.2 服务器程序（ser.c）------ 模拟 485 主机

数据结构

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typedef struct __data {
    char temp;  // 温度（0~99）
    char humi;  // 湿度（0~99）
} DATA;

函数1：根据命令组织有效数据

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// 输入：原始数据、命令类型；输出：填充后的数据缓冲区；返回：有效数据长度
int get_data(DATA *data, CMD cmd, unsigned char *out_data) {
    int len = 0;
    out_data[len++] = cmd;  // 第一字节为命令码
    switch (cmd) {
        case GET_TEMP:
            out_data[len++] = data->temp;  // 仅温度
            break;
        case GET_HUMI:
            out_data[len++] = data->humi;  // 仅湿度
            break;
        case GET_ALL:
            out_data[len++] = data->temp;  // 温度
            out_data[len++] = data->humi;  // 湿度
            break;
        default:
            break;
    }
    return len;  // 返回 cmd + data 的总字节数
}

功能：将结构体数据按命令要求序列化为字节数组。

函数2：按协议封装完整数据包

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// 输入：待封装的有效数据及其长度；输出：完整协议包；返回：总包长度
int package(unsigned char *data, int len_data, unsigned char *out_data) {
    int len = 0;
    out_data[len++] = PACK_HEAD;          // 包头
    out_data[len++] = len_data;           // 有效数据长度（cmd + payload）
    for (int i = 0; i < len_data; i++)    // 复制有效数据
        out_data[len++] = data[i];
    out_data[len++] = check_sum(data, len_data);  // 校验和（仅对有效数据计算）
    out_data[len++] = PACK_TAIL;          // 包尾
    return len;  // 总长度 = 1(head) + 1(len) + len_data + 1(sum) + 1(tail)
}

功能：将有效数据包装成符合自定义协议的完整帧。

主函数：启动 TCP 服务并循环发送

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int main(int argc, char **argv) {
    // 1. 创建监听套接字
    int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (-1 == listfd) { perror("socket error\n"); return 1; }

    // 2. 绑定地址（任意IP，端口50000）
    struct sockaddr_in ser;
    bzero(&ser, sizeof(ser));
    ser.sin_family = AF_INET;
    ser.sin_port = htons(50000);
    ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(listfd, (struct sockaddr*)&ser, sizeof(ser));

    // 3. 开始监听（队列长度3）
    listen(listfd, 3);

    // 4. 接受客户端连接
    struct sockaddr_in cli;
    socklen_t len = sizeof(cli);
    int conn = accept(listfd, (struct sockaddr*)&cli, &len);
    if (-1 == conn) { perror("accept"); return 1; }

    // 5. 循环生成并发送数据
    DATA data;
    int i = 0;
    while (1) {
        // 生成随机温湿度（0~99）
        data.temp = rand() % 100;
        data.humi = rand() % 100;
        printf("temp = %d  humi = %d\n", data.temp, data.humi);

        // 打包
        unsigned char buf[20];
        unsigned char send_buf[100];
        int len = get_data(&data, GET_ALL, buf);     // 组织有效数据
        len = package(buf, len, send_buf);           // 封装完整包

        // 故意引入错误用于测试鲁棒性
        if (i % 5 == 0) buf[1] += 1;                 // 每5次篡改数据
        if (i++ % 6 == 0) send_buf[len - 2] += 1;    // 每6次篡改校验和

        // 发送并休眠50ms
        send(conn, send_buf, len, 0);
        usleep(50 * 1000);
    }

    close(listfd);
    close(conn);
    return 0;
}

理想运行结果：

每 50ms 输出一行温湿度值（如 temp = 45 humi = 78）。
客户端能正确解析大部分数据包，并过滤掉被篡改的无效包。

3.3 客户端程序（cli.c）------ 模拟 485 从机解析器

主循环：接收并解析数据

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int main(int argc, char **argv) {
    // 1. 创建连接套接字并连接服务器（127.0.0.1:50000）
    int conn = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in ser;
    bzero(&ser, sizeof(ser));
    ser.sin_family = AF_INET;
    ser.sin_port = htons(50000);
    ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    connect(conn, (struct sockaddr*)&ser, sizeof(ser));

    // 2. 接收缓冲区管理
    unsigned char buf[1024] = {0};
    int cur_len = 0;  // 当前缓冲区中有效数据长度

    while (1) {
        // 追加新接收的数据到缓冲区末尾
        int ret = recv(conn, &buf[cur_len], sizeof(buf) - cur_len, 0);
        cur_len += ret;

        // 3. 从缓冲区开头尝试解析完整包
        int pos = 0;
        while (cur_len - pos >= 6) {  // 最小包长：head(1)+len(1)+cmd(1)+data(1)+sum(1)+tail(1)=6
            // 检查包头和包尾是否匹配
            if (buf[pos] == PACK_HEAD && 
                buf[pos + buf[pos + 1] + 3] == PACK_TAIL) {

                // 验证校验和：重新计算 vs 接收到的值
                if (buf[pos + buf[pos + 1] + 2] == 
                    check_sum(&buf[pos + 2], buf[pos + 1])) {

                    // 校验成功：打印有效数据（跳过cmd字节）
                    for (int i = 0; i < buf[pos + 1]; i++)
                        printf("%d\t", buf[pos + i + 2]);
                    printf("\n~~~~~~~~~~~\n");

                    // 移除已处理的数据包（滑动窗口）
                    int size = pos + buf[pos + 1] + 4;  // head+len+data+sum+tail
                    memcpy(buf, &buf[size], cur_len - size);
                    cur_len -= size;
                } else {
                    pos++;  // 校验失败，尝试下一个起始位置
                }
            } else {
                pos++;  // 包头/包尾不匹配，尝试下一个起始位置
            }

            // 防止pos过大导致效率低下：定期清理无效前缀
            if (pos >= 20) {
                memcpy(buf, &buf[pos], cur_len - pos);
                cur_len -= pos;
                pos = 0;
            }
        }
    }

    close(conn);
    return 0;
}

功能详解：

缓冲区追加：应对 TCP 粘包/分包。
滑动窗口解析 ：通过 pos 指针在缓冲区内查找有效包。
鲁棒性设计 ：
- 校验和验证确保数据正确。
- pos >= 20 时强制归零，避免因连续错误数据导致死循环。
内存安全 ：每次解析前检查 cur_len - pos >= 6。

理想运行结果：

正常包：输出两列数字（温度、湿度）并打印分隔线。
错误包：静默跳过，不影响后续解析。
示例输出：
复制代码
```
45	78	
~~~~~~~~~~~
12	34	
~~~~~~~~~~~
```

4. 真实传感器通信：Modbus RTU 与串口编程

📌 应用于雨水/光照传感器（FCU1104 等）

4.1 串口配置函数

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#include <termios.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

// 打开并配置串口（波特率4800, 8N1）
int open_serial_port(const char *port) {
    // 以读写模式打开设备，不作为控制终端
    int fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd == -1) { perror("Error opening serial port"); return -1; }

    struct termios options;
    tcgetattr(fd, &options);  // 获取当前配置

    // 设置波特率
    cfsetispeed(&options, B4800);
    cfsetospeed(&options, B4800);

    // 8位数据位、无校验、1位停止位
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;
    options.c_cflag &= ~PARENB;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;

    // 启用接收和本地模式
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

    // 原始输入/输出模式（禁用回显、行缓冲等）
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    options.c_oflag &= ~OPOST;

    // 设置读超时：至少1字节，最长等待1秒
    options.c_cc[VMIN] = 1;
    options.c_cc[VTIME] = 10;  // 10 * 0.1s = 1s

    // 应用配置并清空缓冲区
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);
    tcflush(fd, TCIOFLUSH);
    return fd;
}

4.2 Modbus RTU CRC16 校验

c 复制代码

// Modbus标准CRC16算法（多项式0xA001）
unsigned short crc16(const unsigned char *buf, int len) {
    unsigned short crc = 0xFFFF;
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= buf[i];
        for (int j = 0; j < 8; j++)
            crc = (crc & 1) ? ((crc >> 1) ^ 0xA001) : (crc >> 1);
    }
    return crc;
}

4.3 带超时的读取函数（使用 select）

c 复制代码

#include <sys/select.h>

// 使用select实现读超时（避免阻塞）
int read_timeout(int fd, void *buf, int len, struct timeval time) {
    fd_set rd_set;
    FD_ZERO(&rd_set);
    FD_SET(fd, &rd_set);

    int sel_ret = select(fd + 1, &rd_set, NULL, NULL, &time);
    if (sel_ret == 0) return 0;         // 超时
    if (sel_ret > 0 && FD_ISSET(fd, &rd_set))
        return read(fd, buf, len);      // 有数据可读
    return -1;                          // 错误
}

4.4 主函数：查询并解析光照值

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int main(void) {
    int fd = open_serial_port("/dev/ttymxc1");
    if (-1 == fd) { printf("open failed\n"); return -1; }

    while (1) {
        // Modbus指令：地址01, 功能码03, 起始寄存器0002, 读2个寄存器
        unsigned char buf[8] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x02, 0x00, 0x02, 0x65, 0xCB};
        write(fd, buf, sizeof(buf));

        // 等待2秒超时
        struct timeval tv = {.tv_sec = 2, .tv_usec = 0};
        unsigned char data[100] = {0};
        int ret = read_timeout(fd, data, sizeof(data), tv);

        if (ret <= 0) {
            printf(ret < 0 ? "read error\n" : "timeout\n");
            continue;
        }

        // 打印原始数据（调试用）
        for (int i = 0; i < ret; i++) printf("0x%02x\t", data[i]);
        printf("\n");

        // 验证CRC：计算值 vs 接收值（注意字节序）
        unsigned short c16 = crc16(data, data[2] + 3);
        unsigned short recv_crc = (data[data[2] + 4] << 8) | data[data[2] + 3];
        if (c16 == recv_crc) {
            // 解析4字节光照值（大端序）
            int light = (data[3] << 24) | (data[4] << 16) | (data[5] << 8) | data[6];
            printf("light = %dlux\n", light);
        }

        sleep(3);
    }

    close_serial_port(fd);
    return 0;
}

理想运行结果：

复制代码

0x01	0x03	0x04	0x00	0x00	0x01	0x2C	0x8F	
c16 = 0x8F2C
light = 300lux

5. 嵌入式开发板功能与系统部署

5.1 设备信息

型号：工业网关（i.MX6ULL）
接口：
- 网络：双以太网、4G（SIM卡槽）、WiFi
- 串口：4路独立 RS-485（A1/B1 ~ A4/B4）
- 其他：蜂鸣器、GPS、调试串口
指示灯：4G/RUN/POW/ERR/Tx/Rx（每路485一对）

5.2 连接与登录

bash 复制代码

# PC设置IP（与开发板同网段）
sudo ifconfig eth0 192.168.0.100

# SSH登录（默认IP: 192.168.0.232）
ssh root@192.168.0.232

5.3 基础服务测试

bash 复制代码

# Web服务
curl http://192.168.0.232

# 4G拨号（插入SIM卡后）
./ppp.sh start
ping baidu.com

# 设置系统时间并写入RTC
date -s "2025-11-01 12:00:00"
hwclock -w

5.4 开机自启动配置

bash 复制代码

# 创建启动脚本（数字越小优先级越高）
vi /etc/rc.d/S99myapp.sh

#!/bin/sh
/home/root/my_sensor_app > /tmp/app.log 2>&1 &

# 添加执行权限
chmod 777 /etc/rc.d/S99myapp.sh

5.5 编译环境

板载编译 ：直接使用 gcc（适合小型程序）。

交叉编译 ：

bash 复制代码

export PATH=/opt/toolchain/bin:$PATH
arm-linux-gcc --version

6. 关键注意事项与工程建议

6.1 硬件安全

断电操作：所有接线必须在断电状态下进行。
电源匹配：确认传感器电压范围（10~30V），勿直接接5V。

6.2 软件健壮性

异常处理 ：对 open/read/select 等系统调用做错误检查。
边界保护：缓冲区操作前检查长度，防止溢出。
日志记录 ：重定向输出到文件（> log 2>&1），便于排查。

6.3 开发流程建议

先模拟后实测：用 TCP 程序验证协议逻辑。
逐步集成：先通串口 → 再解析单个传感器 → 最后多设备轮询。
文档先行：记录每个传感器的协议细节（寄存器地址、单位等）。

✅ 核心思想：利用 485 主从模式简化解析逻辑，通过校验和+超时机制保障可靠性。