基于Python编写一个Windows串口通信工具

简介：

python是一种易读且强大的编程语言，具备丰富的库支持。本项目介绍了一个基于python的串口助手工具，专门针对windows用户，旨在简化硬件设备的调试和数据通信。通过利用pyserial等库，串口助手能够轻松操作串行端口进行数据交换。该工具被封装为可执行文件，使得非编程人员也能无障碍使用。虽然python解释器的加载可能导致启动稍慢，但工具的易用性和功能丰富性使得这一缺点变得不那么显著。一个详细的使用说明文档引导用户完成串口设置和数据传输，使得硬件测试和调试变得简单直观。

1. python跨平台编程语言特点

python是一种广受欢迎的高级编程语言，以其简洁明了的语法和强大的功能集而闻名。它在多种操作系统上都能够运行，包括windows、linux、macos等。python语言的核心理念是编写清晰的代码，这使得它不仅对初学者友好，还能够满足高级开发者的需要。python的跨平台特性意味着开发者可以编写一次代码，然后在不同的操作系统上运行，这大大降低了软件维护的成本，并提高了开发效率。此外，python拥有一个庞大的社区和丰富的库，支持各种编程任务，使得它成为跨平台开发的首选语言之一。

2. python在串口通信中的应用

2.1 python在串口通信中的优势

2.1.1 python的易用性与可读性

python语言的设计哲学强调代码的可读性和简洁的语法（尤其是使用空格缩进来定义代码块，而非大括号或关键字）。这种语言特性使得python在编写和维护程序时变得更加容易。对于串口通信这样需要处理数据流和协议解析的应用，python的易用性表现得尤为明显。通过python，开发者能够快速实现串口数据的读写，而不需要深入研究底层的通信细节。

例如，在python中，初始化串口、发送数据和接收数据的代码可以非常简洁：

import serial
 
# 创建串口对象
ser = serial.serial('/dev/ttyusb0', 9600)
 
# 发送数据
ser.write(b'hello, serial port!')
 
# 接收数据
data = ser.readline()
print(data)
 
# 关闭串口
ser.close()

2.1.2 python丰富的库支持

python除了其本身的简洁和易用之外，其强大的标准库以及第三方库的支持也是python在串口通信中的一大优势。通过这些库，开发者可以轻松实现各种复杂的通信协议和数据处理。

以串口通信为例， pyserial 库提供了丰富的接口进行串口数据的发送和接收。此外， struct 库可以帮助开发者进行二进制数据的打包和解包，这对于处理特定格式的通信协议尤其重要。

2.2 python串口通信的基本原理

2.2.1 串口通信协议概述

串口通信（serial communication），也称为串行通信，是一种设备之间通过单一通道进行数据交换的通信方式。它利用一个导线来传送一个字符中的所有位，每个位按照一定的顺序依次发送。与其他通信方式（如并口通信）相比，串口通信具有成本低、结构简单、易于实现等特点。

串口通信主要遵循rs-232协议，这是一种标准的串行通信协议，定义了信号的电气特性、信号线的种类以及连接器的类型。在rs-232标准中，数据的发送和接收都通过同一对导线进行，这一点与rs-485不同，后者允许多个设备在同一对线上进行通信。

2.2.2 python如何实现串口通信

在python中，实现串口通信通常使用 pyserial 库。 pyserial 提供了访问串口的接口，能够完成打开串口、配置串口参数、读写数据等功能。以下是一个简单的python串口通信实例：

import serial
import time
 
# 配置串口参数
ser = serial.serial('com3', 9600, timeout=1)
 
# 发送数据
ser.write(b'hello, serial port!')
 
# 等待响应
time.sleep(1)
 
# 接收数据
if ser.in_waiting:
    data = ser.read(ser.in_waiting)
    print(data)
 
# 关闭串口
ser.close()

在这个例子中，我们首先导入了 serial 模块。接着创建了一个 serial 对象，并指定串口号、波特率和超时时间。然后通过 write 方法发送数据，通过 read 方法接收数据。最后关闭串口释放资源。这个过程涵盖了串口通信的基本步骤。

请继续关注下一章节的内容，我们将深入探讨 pyserial 库的细节，以及如何进行其安装与配置。

3. python库pyserial的使用

3.1 pyserial库简介

3.1.1 pyserial的历史与发展

pyserial是python中用于串口通信的一个非常流行的第三方库，自2003年发布以来，它已经发展成为该领域内不可或缺的工具之一。最初由georg schmeranz发起，经过多年的社区贡献和维护，pyserial逐渐加入了更多的平台支持和功能改进。如今，它支持几乎所有的操作系统，包括windows、linux、os x，以及一些嵌入式系统。

pyserial库的历史和持续发展强调了开源社区合作的力量，它通过不断地吸纳社区贡献来改善用户体验和功能完备性。随着各种新型硬件设备的出现和通信需求的增长，pyserial也不断引入新的特性来满足市场需求，例如对高精度定时器的支持、多串口同时操作等。

3.1.2 pyserial的主要功能

pyserial库提供了丰富的api来处理串口通信的各个方面，包括但不限于：

• 打开和关闭串口。
• 配置串口参数，如波特率、数据位、停止位和校验位。
• 异步和同步地读写数据。
• 信号控制，例如请求发送（rts）、清除发送（cts）、数据准备就绪（dtr）和数据终端准备就绪（dsr）。
• 处理流控制，包括硬件和软件流控制。
• 支持二进制和文本模式数据传输。
• 提供了错误处理机制。

这些功能让pyserial成为构建可靠串口通信应用的首选库。它能够帮助开发者快速搭建原型系统，并在后续开发中进行针对性的功能增强和性能优化。

3.2 pyserial库的安装与配置

3.2.1 安装pyserial的方法

在python环境中安装pyserial库，推荐使用pip工具，这是python包安装最常用和最简单的工具之一。打开命令行界面，执行以下命令即可完成pyserial库的安装：

pip install pyserial

对于某些linux系统，可能需要额外的依赖库，比如在debian或ubuntu系统中，您可能需要安装 python-serial 包：

apt-get install python-serial

如果在安装过程中遇到问题，建议检查python环境是否正确设置，以及网络连接是否稳定。如果使用虚拟环境，确保当前激活的是您想要安装pyserial的环境。

3.2.2 配置pyserial的环境

pyserial本身并不需要复杂的环境配置。安装完成后，您可以在python脚本中直接导入并使用。然而，根据不同的操作系统和串口硬件，可能需要进行一些额外的配置工作。

在windows上，您需要确保相应的串口驱动已经正确安装，并且在程序中指定正确的串口名称。而在linux和mac os上，可能需要配置串口访问权限，通常需要将用户的运行程序加入到 dialout 或类似的组中。

在代码中使用pyserial时，您需要指定串口参数，如下代码段所示：

import serial
 
# 打开串口
ser = serial.serial('/dev/ttys0', 9600, timeout=1)
 
# 配置串口参数
ser.baudrate = 9600
ser.bytesize = serial.eightbits
ser.parity = serial.parity_none
ser.stopbits = serial.stopbits_one
ser.timeout = 1
 
# 关闭串口
ser.close()

上述代码展示了如何打开一个串口设备、配置参数和关闭串口。这里需要注意的是， /dev/ttys0 是linux系统中的一个串口设备，根据您的实际设备名称，您可能需要修改这个字符串。

3.3 pyserial库的基本应用

3.3.1 打开与关闭串口

打开串口是串口通信的第一步。pyserial的 serial 类提供了打开串口的方法，使用示例如下：

import serial
 
# 打开串口
ser = serial.serial('/dev/ttyusb0', 115200, timeout=1)
 
# 判断串口是否打开成功
if ser.isopen():
    print('串口已打开')
else:
    print('串口打开失败')

关闭串口则非常简单，只需调用 serial 对象的 close() 方法：

ser.close()
print('串口已关闭')

3.3.2 串口数据的读写操作

串口数据的读写是实现串口通信的核心。pyserial库支持多种方式来进行数据的读取和发送，包括阻塞模式和非阻塞模式。

串口数据写入

向串口设备写入数据使用 write() 方法，该方法会将数据发送到串口设备：

import serial
 
ser = serial.serial('/dev/ttyusb0', 9600)
 
# 写入字符串数据
ser.write(b"hello, serial port!\n")
 
ser.close()

在上面的代码中，使用了 b 前缀来表示字节串，这是在python 3中进行二进制数据操作的推荐方式。如果发送的是文本字符串，需要先将其编码成字节串：

text = "hello, serial port!"
ser.write(text.encode('utf-8'))

串口数据读取

从串口设备读取数据使用 read(size) 方法，该方法会从串口缓冲区读取指定数量的字节：

import serial
 
ser = serial.serial('/dev/ttyusb0', 9600)
if ser.isopen():
    while true:
        if ser.in_waiting:
            data = ser.read(ser.in_waiting)
            print(data.decode('utf-8'))

在上面的代码中， in_waiting 属性表示串口接收缓冲区中等待的数据字节数。 read() 方法根据这个值来读取数据，避免了阻塞和数据读取不全的情况。

如果需要实时读取数据，可以使用循环来持续检查 in_waiting ，并执行读取操作。但是，这种方式要求程序持续运行，因此并不适用于所有场景。对于需要处理大量数据的场景，可以考虑使用回调函数或线程来提高效率。

以上是pyserial库在串口通信中的基本使用方法。根据不同的应用场景，pyserial还提供了许多高级功能，例如中断处理、自定义信号线控制等，开发者可以根据具体需求进一步探索和应用。

4. 串口助手工具专为windows用户设计

串口通信在windows环境下具有其特定的复杂性和挑战。由于历史原因，windows平台对于串口通信的支持与linux或macos系统相比有所不同，这导致在windows上进行串口编程时需要更多的关注和特别的处理。为了简化windows用户的操作和提高效率，我们设计了一款串口助手工具，旨在为用户提供一个直观、易用的界面，同时隐藏底层的技术细节。

4.1 windows环境下的串口通信特点

4.1.1 windows平台的串口通信限制

windows操作系统在处理硬件资源，特别是串口资源时，有一个独特的挑战。一个显著的问题是，windows保留了前16个com端口（com1到com16），供系统核心程序和预定义设备使用，这就限制了用户可分配的串口数量。此外，由于windows环境下许多设备驱动程序的复杂性，串口通信可能会受到额外的延迟影响。此外，windows通常不会提供用户模式下的直接硬件访问权限，这通常需要管理员权限或通过特定的api函数来实现。

4.1.2 针对windows平台的串口编程策略

为了有效在windows平台使用python进行串口通信，开发者需要考虑到平台特有的限制和特性。一方面，他们可能需要使用一些高级的编程技巧，比如创建虚拟串口或使用windows的通信驱动程序（win32 api中的serial communications api）。另一方面，还可以利用专门的python库如 pywin32 或 pyserial 提供的高级接口，这些接口往往对底层的api进行了封装，使得开发者能以更简洁的代码实现相同的功能。

4.2 串口助手工具的设计理念

4.2.1 用户界面设计原则

串口助手工具遵循简洁直观的设计原则。界面中包含了必要的功能选项和清晰的指示标签。所有的操作都旨在一目了然，用户无需深入了解复杂的通信协议或编程知识。例如，配置串口参数时，工具会提供预设的配置文件，用户只需根据实际使用的硬件设备选择相应配置即可。

4.2.2 功能模块与用户交互

工具被设计成模块化结构，每个功能都封装在一个独立的模块中，这便于维护和功能升级。例如，"串口设置"、"数据发送"、"数据接收"和"日志记录"等模块分别处理各自的任务。用户与这些模块的交互通过简洁的表单、按钮和列表进行，所有操作流程都被设计得尽可能直观。

graph td;
    a[打开串口助手工具] --> b[配置串口参数]
    b --> c[连接到设备]
    c --> d[数据发送]
    c --> e[数据接收]
    e --> f[查看日志记录]
    d --> f
    f --> g[保存或导出数据]

代码块与逻辑分析

下面是一个使用python实现串口助手工具数据接收部分的代码示例：

import serial
import threading
 
class serialportreader:
    def __init__(self, port, baudrate):
        self.ser = serial.serial(port, baudrate)
        self.running = false
 
    def start(self):
        self.running = true
        thread = threading.thread(target=self._read)
        thread.daemon = true
        thread.start()
 
    def stop(self):
        self.running = false
 
    def _read(self):
        while self.running:
            try:
                if self.ser.in_waiting:
                    data = self.ser.readline().decode('utf-8').rstrip()
                    print(f"received: {data}")
            except serial.serialexception as e:
                print(f"error: {e}")
 
# 使用示例
serreader = serialportreader('com3', 9600)
serreader.start()

在这个示例中，我们定义了一个 serialportreader 类，它通过内部的线程来实现数据的异步接收。 start 方法用于启动接收线程， stop 方法用于停止接收并关闭串口。 _read 方法负责从串口读取数据并打印出来。这是构建串口助手工具中数据接收模块的一个基础。

该代码中的重要参数解释如下：

• port : 指定串口号，例如 com3 。
• baudrate : 指定波特率，例如 9600 。
• in_waiting : 表示串口接收缓冲区中等待的数据量。
• readline : 读取串口缓冲区中的一行数据。

以上代码展示了串口助手工具的核心功能之一，即接收串口数据。实际的工具开发中，数据接收部分还需要进行异常处理，日志记录，以及与用户界面的交互等，以确保稳定性和可用性。

5. 可执行文件简化了非编程人员的使用

将python脚本转换为可执行文件（.exe）能够极大地简化非编程用户的使用过程。这种转化使得用户无需安装python解释器或任何依赖库，即可直接在windows操作系统上运行应用程序。这样一来，即便是没有编程背景的用户也能轻松地执行程序并实现串口通信。

5.1 将python脚本转换为可执行文件

5.1.1 使用pyinstaller制作exe文件

pyinstaller 是一个强大的python工具，可以将python脚本打包成独立的可执行文件。这不仅适用于windows，还支持linux和macos平台。以下是使用 pyinstaller 创建 .exe 文件的基本步骤：

• 首先确保已经安装了 pyinstaller ，可以通过 pip 进行安装：

pip install pyinstaller

• 打开命令行工具，切换到你的python脚本所在的目录。
• 执行以下命令：

pyinstaller --onefile your_script.py

这里的 your_script.py 替换为你的python脚本名。 --onefile 参数指示 pyinstaller 将所有依赖打包成一个单独的 .exe 文件。

接下来， pyinstaller 会开始分析你的脚本，查找所有依赖并打包。完成后，你可以在 dist 文件夹中找到生成的 .exe 文件。

5.1.2 exe文件的优势和限制

优势

• 便携性 ：生成的 .exe 文件可以在任何未安装python环境的windows计算机上运行。
• 易用性 ：用户不需要了解python，只需双击 .exe 文件即可运行程序。
• 独立性 ：所有的依赖和库都会被打包到一个可执行文件中，避免了环境配置问题。

限制

• 跨平台性 ： .exe 文件是针对windows平台的，若要在其他操作系统上运行，则需要其他解决方案。
• 安全性 ：如果脚本涉及敏感操作，打包成 .exe 可能会让其更容易被分析，降低安全性。
• 性能 ：打包后的 .exe 文件可能比直接运行python脚本要慢一些。

5.2 非编程用户操作指南

5.2.1 无需安装环境的用户指南

对于非编程用户，只需遵循简单的步骤即可运行 .exe 文件：

1. 从可信来源接收 .exe 文件。
2. 双击 .exe 文件启动程序。
3. 根据程序提供的用户界面输入串口配置信息，比如串口号、波特率等。
4. 使用程序的交互界面发送或接收串口数据。

5.2.2 用户如何进行串口配置

通常，一个设计良好的串口通信程序会提供图形用户界面（gui）来指导用户进行串口配置。用户可以通过以下步骤进行：

1. 打开应用程序，应该会有一个界面，提示用户选择串口。
2. 用户可以从下拉菜单中选择合适的串口编号。
3. 接着，用户需要配置串口参数，如波特率、数据位、停止位和校验位。
4. 用户可以发送一个测试命令，确认配置正确。
5. 如果需要，用户还可以进行日志记录的开启或定时发送数据的设置。

整个操作过程应该直观明了，避免用户进行复杂的配置步骤。

通过本章节的介绍，非编程用户现在可以无需深入了解python编程，就能利用转换后的可执行文件进行串口通信。下一章节将探讨如何优化程序的启动延迟和运行性能。

6. 启动延迟和优化措施

6.1 识别启动延迟的原因

6.1.1 python执行速度问题

python作为一种解释型语言，其执行速度相较于编译型语言（如c++）会较慢，这是启动延迟的一个重要原因。解释执行使得python无需编译即可运行代码，提供了极高的便利性，但同时解释器在逐行解释代码时会产生额外的开销，特别是在启动程序时。

python虚拟机的启动时间也会影响整体的执行速度。当python脚本被执行时，解释器需要加载模块、执行初始化代码等，这些过程在程序初次运行时会导致明显的启动延迟。此外，对于大型项目，如果包含了大量依赖或在导入时执行了初始化代码，也会增加启动时间。

6.1.2 系统资源占用情况分析

另一个导致启动延迟的因素是系统资源的占用。当python程序启动时，系统资源的分配和初始化也会消耗一定的时间。这包括内存分配、文件句柄、套接字等系统资源的初始化。如果程序在启动时需要进行大量的资源初始化操作，或者操作系统对资源的调度不够高效，都会导致明显的启动延迟。

对于多线程或多进程的python应用程序，系统在创建和管理这些线程或进程时也需要额外的时间。每个线程或进程都需要独立的内存空间和调度时间，如果数量较多，会显著增加程序启动的复杂度和时间。

6.2 优化策略与实施步骤

6.2.1 代码优化技巧

要减少python程序的启动延迟，可以采取多种代码优化技巧。首先，可以优化模块导入的方式，避免在程序启动时导入不必要的模块。如果某些模块只在特定功能中需要，可以考虑使用延迟导入，即仅在实际需要使用该模块的函数或类中导入。

其次，尽量减少在模块级别进行的计算或初始化操作。可以将这些操作移动到实际需要时才执行，例如放在类的构造函数或函数体中。这样不仅能够减少程序启动时的计算负担，还能使程序结构更加清晰。

在对代码进行优化时，还应考虑使用更高效的算法和数据结构。虽然这并不直接关联到程序的启动延迟，但对提高程序运行效率和响应速度有直接影响。

6.2.2 资源管理与优化实践

资源管理的优化可以从多个层面进行。例如，对于涉及大量文件操作的程序，可以优化文件的打开和关闭策略。使用上下文管理器（context manager）自动管理文件的打开和关闭，避免了文件资源的泄露，并且可以减少程序启动时需要打开的文件数量。

对于需要使用大量内存的程序，可以考虑使用内存映射文件（memory-mapped files）来管理数据。这种技术能够将文件映射到内存地址空间，通过读写内存的方式来访问文件，从而减少了文件i/o操作的开销。

此外，可以利用操作系统提供的工具或库函数对程序进行优化。例如，在python中使用 ctypes 或 cffi 库来调用c语言编写的共享库（shared libraries），可以显著提高执行效率。这是因为这些库在底层是以编译型语言实现的，执行速度更快。

示例代码

在探讨如何优化代码性能时，下面将提供一个python代码示例，该示例展示了一个简单的延迟导入策略：

import importlib
 
def lazy_import(module_name):
    try:
        module = importlib.import_module(module_name)
        return module
    except importerror:
        print(f"failed to import {module_name}")
        return none
 
def main():
    # 假设 'example_module' 是一个大型模块，我们希望按需导入
    example_module = lazy_import('example_module')
    if example_module:
        example_module.some_function()
    else:
        # 处理导入失败的情况
        pass
 
if __name__ == "__main__":
    main()

在上述代码中，我们定义了一个 lazy_import 函数，它尝试按需导入指定的模块。只有在确实需要使用该模块时，才会调用这个函数，从而优化了程序的启动时间。

代码逻辑解读分析

• 导入部分 : import importlib 导入了python的导入模块功能，允许在代码中动态导入其他模块。
• 定义延迟导入函数 : 函数 lazy_import 接受一个模块名称作为参数，并尝试导入它。如果导入失败，它将捕获 importerror 并返回 none 。
• 主函数 : main : 在主函数 main 中，我们调用 lazy_import 尝试导入 example_module ，只有当模块成功导入后，我们才调用其中的函数 some_function 。
• 程序入口 : if __name__ == "__main__": 确保 main 函数只在脚本被直接运行时执行。

这种延迟导入的策略对于大型应用和库尤其有用，它减少了程序启动时的初始化负担，提高了程序的响应速度。

7. 串口设置与数据传输操作指南

7.1 串口设置的基本步骤

串口通信依赖于精确的参数设置，这些参数包括串口号、波特率、数据位、停止位和校验位等。正确设置这些参数对于实现设备间的通信至关重要。

7.1.1 选择正确的串口号

在windows系统中，你可以通过设备管理器来确定你想要通信的设备连接的串口号。在设备管理器中找到“端口”这一项，里面会列出所有连接的串口设备和对应的com端口号。而在linux系统中，串口设备通常位于 /dev/ttys* 或 /dev/ttyusb* 。

7.1.2 配置波特率、数据位等参数

一旦选定了串口号，接下来要配置串口的通信参数。波特率决定了数据传输的速率，常见的波特率有9600、19200、115200等。数据位表示每次传输的数据的位数，常见的有7位和8位。停止位通常设置为1位或2位。校验位设置是否进行错误检测，常用的有无校验位、奇校验、偶校验和标记校验。

7.2 数据传输操作流程

在正确设置了串口参数后，接下来就是数据传输的操作步骤了。

7.2.1 数据发送与接收的实现方法

在python中，使用pyserial库可以非常方便地实现数据的发送和接收。首先，需要打开串口并创建串口对象，然后使用该对象的 write() 方法来发送数据，并使用 read() 方法来接收数据。

import serial
import time
 
# 创建串口对象
ser = serial.serial('com3', 9600, timeout=1)  # com3为示例串口号，波特率设为9600
time.sleep(2)  # 稍作延时，确保设备已准备好
 
# 发送数据
ser.write(b'hello, serial port!\n')  # 发送字节数据
 
# 接收数据
if ser.in_waiting:
    incoming_data = ser.read(ser.in_waiting)  # 读取所有等待的数据
    print("received:", incoming_data.decode())  # 打印接收的数据
 
ser.close()  # 关闭串口

7.2.2 错误处理与数据校验

串口通信中常见的错误包括数据丢失、数据损坏或设备响应错误。为了确保数据的可靠性，必须实施错误处理和数据校验机制。一个基本的数据校验方法是将数据的奇偶校验位加入到数据包中。接收到数据后，通过计算校验位来判断数据是否在传输过程中出错。

def check_parity(data, parity_type='even'):
    """校验数据的奇偶性"""
    parity = sum(data) % 256
    if parity_type == 'even' and parity != 0:
        return false
    elif parity_type == 'odd' and parity == 0:
        return false
    return true
 
# 假设已经接收到数据
incoming_data = b'\x03'  # 示例数据
 
# 对接收到的数据进行奇偶校验
if check_parity(incoming_data):
    print("data parity is correct.")
else:
    print("data parity error.")

在本文中，我们详细讲解了串口设置的步骤，以及如何在python中实现数据的发送和接收。通过实际的代码示例，我们能够看到如何将理论应用到实践中，以及如何处理通信中可能遇到的错误。

以上就是基于python编写一个windows串口通信工具的详细内容，更多关于python windows串口通信的资料请关注代码网其它相关文章！