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
c
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）
c
#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
c
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
c
// 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
c
// 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
c
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
c
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：
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
c
#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
// 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
#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
c
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：
0x01 0x03 0x04 0x00 0x00 0x01 0x2C 0x8F
c16 = 0x8F2C
light = 300lux5. 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
# 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@192.168.0.2325.3 基础服务测试
bash
# 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 -w5.4 开机自启动配置
bash
# 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.sh5.5 编译环境
-
板载编译 ：直接使用
gcc（适合小型程序）。 -
交叉编译 ：
bashexport 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。