在 Ubuntu 中测试串口通信：详细指南与实践

串口通信在嵌入式开发、硬件调试和工控设备交互中扮演着重要角色。无论是连接 Arduino、PLC、传感器，还是调试工业设备，掌握在 Ubuntu 上测试串口通信的方法都至关重要。本文将详细介绍如何在 Ubuntu 中测试串口通信，涵盖环境准备、工具使用、代码测试和故障排查，提供清晰的步骤和详细的输出示例，帮助开发者快速上手并高效调试。

1. 什么是串口通信？

串口通信（Serial Communication）是一种通过单条通信线路逐位传输数据的通信方式，因其简单可靠，广泛应用于嵌入式系统、微控制器和工业设备。串口通信的关键参数包括：

• 波特率：数据传输速度，如 9600、115200 比特/秒。
• 数据位：每个字符的位数，通常为 7 或 8。
• 停止位：标记字符传输结束，通常为 1 或 2。
• 校验位：用于错误检测，可选无、奇校验或偶校验。
• 流控制：硬件或软件流控制，管理数据传输。

在 Linux（如 Ubuntu）中，串口设备表现为设备文件，如 /dev/ttyS0（硬件串口）或 /dev/ttyUSB0（USB 转串口）。

2. 准备工作

在 Ubuntu 中测试串口通信前，需要完成以下准备工作：

2.1 检查串口设备

首先，确认系统是否识别到串口设备。运行以下命令查看可用串口：

sudo dmesg | grep tty

示例输出：

[    0.117304] printk: console [tty0] enabled
[    0.793135] 0000:00:16.3: ttyS4 at I/O 0x3060 (irq = 19, base_baud = 115200) is a 16550A
[    4.136977] usb 3-6.3.2: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB0

• ttyS0、ttyS4 表示硬件串口，ttyUSB0 表示 USB 转串口设备。
• 如果使用 USB 转串口适配器（如 FTDI 或 CP2102 芯片），通常会看到 ttyUSB* 或 ttyACM*。

确认设备文件：

ls -l /dev/ttyS* /dev/ttyUSB* /dev/ttyACM*

示例输出：

crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 Aug  9 10:00 /dev/ttyS0
crw-rw---- 1 root dialout 188, 0 Aug  9 10:00 /dev/ttyUSB0

设备文件权限归属 dialout 组，普通用户需加入该组。

2.2 配置用户权限

普通用户需要加入 dialout 组以访问串口设备：

sudo usermod -a -G dialout $USER

验证是否成功：

groups

示例输出：

user adm cdrom sudo dip plugdev lpadmin sambashare dialout

• 确认 dialout 在列表中。
• 可能需要注销或重启使权限生效：

  sudo reboot
  

2.3 安装必要工具

测试串口通信需要以下工具：

• minicom：终端仿真器，适合交互式测试。
• setserial：查看和配置串口参数。
• socat：创建虚拟串口对，便于测试。

安装命令：

sudo apt update
sudo apt install minicom setserial socat

验证安装：

minicom --version
setserial -V
socat -V

示例输出：

minicom version 2.8 (compiled Jan 29, 2021)
setserial version 2.17
socat by Gerhard Rieger and contributors - see www.dest-unreach.org

3. 使用工具测试串口通信

以下介绍两种常用方法：使用 minicom 进行交互式测试，以及使用 C 程序进行自动化测试。

3.1 使用 minicom 测试

minicom 是一个强大的串口终端工具，支持配置波特率、查看数据和发送命令。

步骤

1. 启动 minicom：

   minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 115200
   

   • -D /dev/ttyUSB0：指定串口设备。
   • -b 115200：设置波特率。
   • 如果遇到权限问题，使用 sudo minicom ...。

2. 查看数据：

   • 连接设备后，minicom 会显示从串口接收的数据。
   • 输入字符会发送到设备（需设备支持回显或回复）。

3. 退出 minicom：

   • 按 Ctrl+A，然后按 X，选择 Yes 退出。

示例输出（假设连接到 Arduino，运行回显程序）：

Welcome to minicom 2.8
PORT /dev/ttyUSB0, 10:15:23
Press CTRL-A Z for help on special keys
Hello, Serial!

• 输入 test，设备回显 test（需设备支持）。

注意：

• 确保波特率与设备一致，否则可能接收到乱码。
• 如果 minicom 无法启动，检查设备路径或权限。

3.2 使用 socat 创建虚拟串口对

如果没有物理串口设备，可以使用 socat 创建虚拟串口对进行测试：

socat -d -d pty,raw,echo=0 pty,raw,echo=0

示例输出：

2025/08/09 10:20:45 socat[12345] N PTY is /dev/pts/1
2025/08/09 10:20:45 socat[12345] N PTY is /dev/pts/2

• 打开两个终端：
  • 终端 1：minicom -D /dev/pts/1 -b 115200
  • 终端 2：echo "test" > /dev/pts/2 或 cat < /dev/pts/2
• 在终端 1 的 minicom 中应看到 test。

4. 使用 C 程序测试串口通信

为了更灵活地测试串口通信，可以使用之前提供的 serial_module.h 和 serial_module.c，结合测试用例 serial_test.c。以下是关键步骤和完整输出。

4.1 编译测试程序

假设你有以下文件：

• serial_module.h：串口模块头文件。
• serial_module.c：串口模块实现。
• serial_test.c：测试用例。

编译命令：

gcc -o serial_test serial_module.c serial_test.c

4.2 运行测试程序

运行测试程序，假设串口设备为 /dev/ttyUSB0：

./serial_test

示例输出（假设连接到支持回显的设备）：

测试1: 初始化串口设备 /dev/ttyUSB0...
初始化成功，打开状态: 1
测试2: 发送消息 'Hello, Serial!'...
发送成功，发送字节数: 14
测试3: 接收数据（最大 128 字节）...
接收成功，接收字节数: 14，数据: Hello, Serial!
测试4: 接收指定长度数据（期望 10 字节）...
接收成功，接收字节数: 10，数据: 48 65 6c 6c 6f 2c 20 53 65 72
测试5: 测试接收超时...
接收超时，如预期: 超时 (errno: 0)
测试6: 测试无效参数...
无效参数检测成功: 参数无效 (errno: 0)
测试7: 测试切换波特率到9600...
重新初始化成功，打开状态: 1
清理: 去初始化串口...
测试完成！

无设备时的输出（测试3和测试4可能超时）：

测试1: 初始化串口设备 /dev/ttyUSB0...
初始化成功，打开状态: 1
测试2: 发送消息 'Hello, Serial!'...
发送成功，发送字节数: 14
测试3: 接收数据（最大 128 字节）...
接收失败: 超时 (errno: 0)
测试4: 接收指定长度数据（期望 10 字节）...
接收失败: 超时 (errno: 0)
测试5: 测试接收超时...
接收超时，如预期: 超时 (errno: 0)
测试6: 测试无效参数...
无效参数检测成功: 参数无效 (errno: 0)
测试7: 测试切换波特率到9600...
重新初始化成功，打开状态: 1
清理: 去初始化串口...
测试完成！

4.3 代码分析

• 初始化：serial_init 配置波特率（115200）、8N1，验证设备打开。
• 发送/接收：serial_send 和 serial_recv 使用 write 和 read，结合 select 实现超时。
• 指定长度接收：serial_recv_all 确保接收 10 字节，适合固定长度协议。
• 错误处理：测试无效参数和超时，验证模块鲁棒性。
• 配置切换：重新初始化为 9600 波特率，验证灵活性。

5. 故障排查

以下是常见问题及解决方法：

5.1 设备未找到

• 问题：dmesg | grep tty 无输出，或设备文件不存在。
• 解决：
  • 确认 USB 转串口适配器已连接：lsusb 查看 USB 设备。
  • 检查驱动：FTDI 芯片需 ftdi_sio，CP2102 需 cp210x。
  • 重新插拔设备，查看 dmesg 输出。

5.2 权限问题

• 问题：Permission denied 或 minicom 无法打开设备。
• 解决：
  • 确认用户在 dialout 组：groups。
  • 临时提升权限：sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0。
  • 永久加入 dialout 组并重启。

5.3 接收乱码

• 问题：接收数据为乱码或无意义字符。
• 解决：
  • 确认波特率匹配：设备和程序（如 minicom 或 C 代码）需一致。
  • 检查数据位、停止位、校验位配置。
  • 使用 setserial 查看串口参数：

    setserial -a /dev/ttyUSB0
    

    示例输出：

    /dev/ttyUSB0, Line 0, UART: unknown, Port: 0x0000, IRQ: 0
    Baud_base: 115200, close_delay: 0, divisor: 0
    

    • 若参数不匹配，使用 setserial 调整：

      sudo setserial /dev/ttyUSB0 baud_base 115200 spd_normal
      

5.4 接收超时

• 问题：serial_recv 或 serial_recv_all 返回 SERIAL_ERR_TIMEOUT。
• 解决：
  • 确认设备是否发送数据：使用 minicom 测试。
  • 增加超时时间：修改 timeout_ms（如 5000）。
  • 检查硬件连接：确保 TX/RX 线正确连接。

6. 高级测试：使用 strace 监控

对于深入调试，可以使用 strace 监控串口 I/O 操作：

strace -tt -e read=all -e write=all -e trace=ioctl,read,write -o serial_trace.txt ./serial_test

示例输出（部分）：

20:30:45.123456 open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY) = 3
20:30:45.123789 ioctl(3, TCGETS, {c_iflag=0, c_oflag=0, c_cflag=B115200|CS8|CREAD|CLOCAL, ...}) = 0
20:30:45.124012 write(3, "Hello, Serial!\0", 14) = 14
20:30:45.124567 read(3, "Hello, Serial!\0", 128) = 14

• 分析 serial_trace.txt 可查看低级 I/O 操作和配置细节，帮助定位问题。

7. 总结

在 Ubuntu 中测试串口通信可以通过命令行工具（如 minicom、socat）或自定义 C 程序实现。本文提供了详细的步骤和示例输出：

• 使用 dmesg 和 ls 查找串口设备。
• 配置用户权限以访问串口。
• 使用 minicom 进行交互式测试，socat 模拟虚拟串口。
• 通过 C 程序（serial_test.c）自动化测试，验证初始化、发送、接收和错误处理。
• 提供故障排查方法，解决设备未找到、权限问题、乱码和超时等常见问题。

通过以上步骤，你可以轻松在 Ubuntu 上测试串口通信，无论是调试 Arduino、配置工业设备，还是开发嵌入式应用。希望这篇指南为你提供了清晰的指引！

参考资料：

• Ubuntu 串口通信文档
• Linux 串口监控工具
• setserial 命令使用