工控硬件通信基础串口 RS232/485、I2C、SPI 用户层读写实操搞工控不会跟硬件说话怎么行这篇带你从串口到 I2C 再到 SPI把用户层读写一次性撸明白。一、工控常用硬件接口总览工控场景下主板和各种外设之间靠的是各种硬件接口协议。常见的有这几种接口通信方式线数典型场景速率RS232点对点全双工3线TX/RX/GND调试串口、GPS模块115200bps常见RS485多点半双工2线A/BModbus总线、工业仪表10Mbps理论值I2C多主多从2线SCL/SDA温湿度传感器、EEPROM100kHz~3.4MHzSPI主从全双工4线SCLK/MOSI/MISO/CSADC、显示屏、Flash几十MHzCAN多主差分2线CAN_H/CAN_L汽车电子、运动控制1Mbps选型逻辑很简单短距离调试用串口工业总线用485或CAN板级传感器用I2C高速外设用SPI。二、串口通信基础2.1 RS232 vs RS485RS232单端信号点对点通信传输距离短一般15米以内常见的DB9串口就是它。工控机上调试口基本都用RS232。RS485差分信号多点通信一条总线上可以挂多个设备最多32个标准节点传输距离可达1200米。工业现场传感器、变频器、电表大多走485总线。两者电气特性不同但传输的数据帧格式完全一样——都是 UART 帧起始位数据位校验位停止位。所以从软件角度看编程方式一模一样区别只在硬件层。2.2 串口参数配置串口通信需要收发双方约定好以下参数否则收到的是乱码波特率通信速率常见9600、19200、38400、115200数据位5/6/7/8 位常用8位校验位None无校验、Even偶校验、Odd奇校验停止位1位或2位常用1位三、Linux 串口编程3.1 打开串口设备Linux 下串口设备节点为/dev/ttyS*传统串口或/dev/ttyUSB*USB转串口。intfdopen(/dev/ttyS0,O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);if(fd0){perror(open serial failed);return-1;}// 恢复阻塞模式fcntl(fd,F_SETFL,0);O_NOCTTY不把串口设为控制终端O_NDELAY不等待DCD信号打开后可用fcntl恢复阻塞3.2 termios 结构体配置Linux 串口配置的核心是termios结构体#includetermios.hstructtermiosoptions;tcgetattr(fd,options);// 获取当前配置// 设置波特率cfsetispeed(options,B115200);cfsetospeed(options,B115200);// 设置数据位8位options.c_cflag~CSIZE;options.c_cflag|CS8;// 设置校验位无校验options.c_cflag~PARENB;options.c_cflag~CSTOPB;// 1位停止位// 使能接收和本地模式options.c_cflag|(CLOCAL|CREAD);// 关闭软件流控options.c_iflag~(IXON|IXOFF|IXANY);// 原始模式输出options.c_oflag~OPOST;// 原始模式输入不做特殊处理options.c_lflag~(ICANON|ECHO|ECHOE|ISIG);// 设置超时读取1个字符后等待100msoptions.c_cc[VMIN]1;// 最少读取1个字符options.c_cc[VTIME]1;// 超时0.1秒tcsetattr(fd,TCSANOW,options);// 立即生效3.3 数据收发配置好后直接用read/write就行// 发送数据chartx_buf[]Hello;intnwrite(fd,tx_buf,sizeof(tx_buf));// 接收数据charrx_buf[256];nread(fd,rx_buf,sizeof(rx_buf));if(n0){printf(Received %d bytes: %s\n,n,rx_buf);}注意RS485是半双工发送前要切换收发方向。有些硬件通过RTS引脚控制ioctl(fd, TIOCMSET, ...)具体看硬件手册。四、I2C 用户层操作4.1 i2c-tools 工具集Linux 提供了i2c-tools工具包先装上sudoaptinstalli2c-tools常用命令# 查看总线列表i2cdetect-l# 扫描i2c-1总线上的设备地址0x03~0x77i2cdetect-y1# 读取总线1上地址0x48的设备寄存器0x00的值i2cget-y10x48 0x00# 向总线1上地址0x48的设备寄存器0x01写入值0x55i2cset-y10x48 0x01 0x554.2 C 程序读取 I2C 传感器以 SHT30 温湿度传感器为例地址0x44总线1#includefcntl.h#includelinux/i2c-dev.h#includesys/ioctl.h#includeunistd.h#includestdint.hintread_sht30(float*temp,float*humi){intfdopen(/dev/i2c-1,O_RDWR);if(fd0)return-1;// 设置从设备地址if(ioctl(fd,I2C_SLAVE,0x44)0){close(fd);return-1;}// 发送测量命令单次高精度测量 0x2400uint8_tcmd[2]{0x24,0x00};if(write(fd,cmd,2)!2){close(fd);return-1;}usleep(15000);// 等待测量完成// 读取6字节数据温度高/低/CRC 湿度高/低/CRCuint8_tdata[6];if(read(fd,data,6)!6){close(fd);return-1;}close(fd);// 转换uint16_traw_t(data[0]8)|data[1];uint16_traw_h(data[3]8)|data[4];*temp-45.0175.0*raw_t/65535.0;*humi100.0*raw_h/65535.0;return0;}I2C 读写流程open→ioctl(I2C_SLAVE)设地址 →write发命令 →read读数据。就这么简单。五、SPI 用户层操作5.1 spidev 设备节点SPI 设备节点为/dev/spidevX.YX为总线号Y为片选号。使用前需在设备树中使能 spidev。5.2 ioctl 传输数据SPI 是全双工通过ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), transfer)一次完成收发#includelinux/spi/spidev.h#includefcntl.h#includesys/ioctl.h#includeunistd.hintspi_transfer(intfd,uint8_t*tx,uint8_t*rx,intlen){structspi_ioc_transfertr{.tx_buf(unsignedlong)tx,.rx_buf(unsignedlong)rx,.lenlen,.delay_usecs0,.speed_hz1000000,// 1MHz.bits_per_word8,};returnioctl(fd,SPI_IOC_MESSAGE(1),tr);}intmain(){intfdopen(/dev/spidev0.0,O_RDWR);uint8_tmodeSPI_MODE_0;ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE,mode);uint8_ttx[]{0xAA,0xBB,0xCC};uint8_trx[3]{0};spi_transfer(fd,tx,rx,3);// rx中即为接收到的数据close(fd);return0;}关键点SPI 传输时 MOSI 和 MISO 同时工作发一个字节的同时收一个字节。想只读不写tx 填0x00 即可。六、完整串口配置收发代码把前面的串口部分整合成一个可直接用的模块#includestdio.h#includestdlib.h#includestring.h#includeunistd.h#includefcntl.h#includetermios.h#includeerrno.hintserial_open(constchar*dev,intbaudrate){intfdopen(dev,O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);if(fd0){perror(open failed);return-1;}fcntl(fd,F_SETFL,0);structtermiosopt;tcgetattr(fd,opt);speed_tspeed;switch(baudrate){case9600:speedB9600;break;case19200:speedB19200;break;case38400:speedB38400;break;case115200:speedB115200;break;default:speedB115200;break;}cfsetispeed(opt,speed);cfsetospeed(opt,speed);opt.c_cflag~CSIZE;opt.c_cflag|CS8;opt.c_cflag~PARENB;opt.c_cflag~CSTOPB;opt.c_cflag|(CLOCAL|CREAD);opt.c_iflag~(IXON|IXOFF|IXANY);opt.c_oflag~OPOST;opt.c_lflag~(ICANON|ECHO|ECHOE|ISIG);opt.c_cc[VMIN]1;opt.c_cc[VTIME]10;// 1秒超时tcsetattr(fd,TCSANOW,opt);tcflush(fd,TCIFLUSH);returnfd;}intmain(){intfdserial_open(/dev/ttyS0,115200);if(fd0)return-1;// 发送constchar*msgAT\r\n;write(fd,msg,strlen(msg));// 接收charbuf[256];intnread(fd,buf,sizeof(buf)-1);if(n0){buf[n]\0;printf(RX: %s\n,buf);}close(fd);return0;}编译gcc serial.c -o serial运行前确认有串口读写权限或加sudo。七、工控常见传感器/外设通讯参数汇总设备类型典型型号接口参数温湿度传感器SHT30/SHT40I2C地址0x44115200无需温湿度传感器AM2302单总线GPIO压力传感器BMP280I2C/SPI地址0x76/0x77光照传感器BH1750I2C地址0x23土壤湿度RS485型RS4859600, 8N1, Modbus-RTU变频器汇川/台达RS4859600/19200, 8E1, Modbus-RTU电表DDS系列RS4852400, 8N1, Modbus-RTUADCMCP3208SPI1MHz, MODE0继电器模块通用RS4859600, 8N1GPS模块ATGM336HUART9600, 8N1八、小结工控硬件通信的本质就是约定好协议格式然后通过设备节点收发字节。串口/dev/ttyS* termios 配置 read/writeI2C/dev/i2c-* ioctl 设地址 read/writeSPI/dev/spidev* ioctl 传输三条路径套路一致打开设备节点 → 配置参数 → 收发数据。搞懂这个模式换什么外设都能快速上手。
