Python中pyserial 实现模拟串口通信的示例详解_Python

在嵌入式系统开发、工业自动化和物联网（iot）设备调试中，串口通信是一种基础且重要的技术。python通过 pyserial 库提供了强大的串口通信支持，使得开发者能够快速实现串口数据的发送与接收。本文将详细介绍如何使用 python 模拟串口通信，并通过实际代码示例演示其核心功能和应用场景。

一、串口通信的基本概念

1.1 什么是串口通信？

串口通信（serial communication）是一种通过串行接口传输数据的通信方式。它通过一根数据线逐位传输数据，常用于设备间的点对点通信。常见的应用场景包括：

与嵌入式设备（如 stm32、arduino）交互。
工业设备的调试与监控。
gps 模块、传感器等外设的数据采集。

1.2 串口通信的关键参数

波特率（baud rate）：数据传输速率，单位为 bit/s。常见值如 9600、115200。
数据位（data bits）：每帧数据的位数，通常为 7 或 8 位。
停止位（stop bits）：每帧数据的结束标志，通常为 1 或 2 位。
校验位（parity）：用于错误检测，可选无校验（none）、奇校验（odd）、偶校验（even）等。
超时时间（timeout）：读取数据时等待的最长时间。

二、python 串口通信的核心库：pyserial

2.1 安装 pyserial

使用 pip 安装 pyserial 库：

pip install pyserial

2.2 核心功能

打开/关闭串口：通过 serial 类管理串口连接。
数据发送：使用 write() 方法发送字节数据。
数据接收：使用 read()、readline() 等方法接收数据。
串口参数配置：灵活设置波特率、数据位、校验位等。

三、python 模拟串口通信的完整示例

3.1 列出可用的串口设备

在开始通信前，可以先查询系统中可用的串口设备：

import serial.tools.list_ports

ports = list(serial.tools.list_ports.comports())
for port in ports:
    print(f"设备名: {port.device}, 描述: {port.description}")

运行结果（以 windows 为例）：

设备名: com1, 描述: 通信端口 (com1)
设备名: com3, 描述: com0com - serial port emulator (com3)
设备名: com4, 描述: com0com - serial port emulator (com4)

3.2 配置并打开串口

以下代码演示如何配置串口参数并打开串口：

import serial

# 配置串口参数
ser = serial.serial(
    port="com3",          # 串口号（需根据实际设备修改）
    baudrate=115200,      # 波特率
    bytesize=serial.eightbits,  # 数据位：8 位
    parity=serial.parity_none,  # 校验位：无校验
    stopbits=serial.stopbits_one,  # 停止位：1 位
    timeout=0.5           # 读取超时时间（秒）
)

# 检查串口是否成功打开
if ser.is_open:
    print(f"串口 {ser.port} 已成功打开")
else:
    print(f"无法打开串口 {ser.port}")

3.3 发送数据到串口

通过 write() 方法向串口发送数据。注意，发送的数据必须是字节格式（bytes）：

def send_data(ser, data):
    if ser.is_open:
        ser.write(data.encode('utf-8'))  # 将字符串编码为字节
        print(f"发送数据: {data}")
    else:
        print("串口未打开，无法发送数据")

# 示例：发送 "hello, serial!" 到串口
send_data(ser, "hello, serial!")

3.4 从串口接收数据

接收数据的方式有多种，以下是常见的两种方法：

方法一：读取指定字节数

def read_fixed_bytes(ser, num_bytes):
    if ser.in_waiting >= num_bytes:  # 检查缓冲区是否有足够数据
        data = ser.read(num_bytes)   # 读取指定字节数
        print(f"接收到数据（{len(data)} 字节）: {data.decode('utf-8')}")
    else:
        print("缓冲区数据不足，未读取到完整数据")

# 示例：读取 10 字节数据
read_fixed_bytes(ser, 10)

方法二：读取一行数据（直到换行符）

def read_line(ser):
    if ser.in_waiting > 0:  # 检查是否有数据可读
        line = ser.readline()  # 读取一行数据
        print(f"接收到一行数据: {line.decode('utf-8').strip()}")
    else:
        print("未接收到数据")

# 示例：读取一行数据
read_line(ser)

3.5 完整的收发示例

以下代码演示了一个完整的串口通信流程，包括发送数据和循环接收响应：

import serial
import time

# 配置串口
ser = serial.serial(
    port="com3",
    baudrate=9600,
    timeout=1
)

# 发送数据并接收响应
def communicate():
    if not ser.is_open:
        print("串口未打开，无法通信")
        return

    while true:
        # 发送数据
        command = input("请输入要发送的数据（输入 'exit' 退出）: ")
        if command.lower() == 'exit':
            break
        ser.write(command.encode('utf-8'))

        # 接收响应
        time.sleep(0.5)  # 等待设备响应
        if ser.in_waiting > 0:
            response = ser.readline().decode('utf-8').strip()
            print(f"设备响应: {response}")
        else:
            print("未收到设备响应")

    # 关闭串口
    ser.close()
    print("串口已关闭")

if __name__ == "__main__":
    communicate()

四、常见问题与解决方案

4.1 串口未找到或无法打开

原因：串口号错误或设备未连接。
解决方法：使用 serial.tools.list_ports 查询可用串口，确认设备是否正常连接。

4.2 数据接收不完整

原因：波特率设置不一致，或读取操作未等待足够时间。
解决方法：确保发送端和接收端的波特率一致，并适当增加 timeout 或 time.sleep() 的等待时间。

4.3 编码错误

原因：数据解码时使用的字符集与实际数据不匹配。
解决方法：尝试使用 utf-8、latin-1 等不同编码方式，或直接处理字节数据（bytes）。

五、实际应用场景示例

5.1 与 stm32 通信

假设 stm32 通过串口返回温度传感器数据，python 可以实时读取并显示：

while true:
    if ser.in_waiting > 0:
        data = ser.readline().decode('utf-8').strip()
        print(f"当前温度: {data} ℃")
    time.sleep(0.1)

5.2 模拟设备调试

通过 pyserial 模拟设备响应，无需真实硬件即可测试上位机逻辑：

# 模拟设备响应
if command == "get_status":
    ser.write(b"status: ok\r\n")
elif command == "get_version":
    ser.write(b"version: 1.0.0\r\n")

六、总结

通过 pyserial 库，python 能够高效地实现串口通信，适用于调试硬件设备、开发上位机程序等多种场景。本文通过详细代码示例，演示了串口的配置、数据发送与接收的核心操作，并提供了常见问题的解决方案。掌握这些技能后，开发者可以更轻松地与嵌入式设备、传感器或其他串口设备进行交互，提升开发效率和调试能力。

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