目录
- 什么是串口通信？
- 为什么需要串口通信？
- 核心概念：波特率、数据位、停止位、校验位
- 环境准备
- 硬件准备
- 软件准备
- 使用 Node.js 和
serialport库- 安装
serialport - 查找可用串口
- 打开并读取串口数据
- 向串口写入数据
- 一个完整的示例：与 Arduino 交互
- 安装
- 使用 Python 和
pyserial库- 安装
pyserial - 查找可用串口
- 打开串口
- 读取串口数据
- 向串口写入数据
- 一个完整的示例：与 Arduino 交互
- 安装
- 实战项目：构建一个简单的串口监视器
- 常见问题与解决方案
- 总结与进阶
什么是串口通信？
串口通信是一种设备间非常常见的数据传输方式,它是一位一位地进行数据传输，就像单车道一样，一次只允许一辆车通过，相比于并口（一次传输多位数据），串口传输速度较慢，但所需的线缆少，抗干扰能力强，通信距离也更远。
常见的串口物理接口有：
- DB-9 (串口)：老式台式电脑上常见的梯形接口。
- TTL 电平 (0V/5V 或 0V/3.3V)：在电路板和模块之间直接通信，没有物理接口，需要飞线连接。
- USB 转串口：现在很多设备（如 Arduino、各种传感器模块）都通过 USB 接口连接电脑，但内部通信仍然是串口，你需要一个 USB 转串口模块（如 CH340, FTDI 芯片）来让电脑识别。
为什么需要串口通信？
串口通信因其简单、可靠和广泛的支持，至今仍在许多领域扮演重要角色：
- 嵌入式系统：与 Arduino, ESP8266, ESP32, STM32 等微控制器通信。
- 工业控制：连接 PLC、传感器、仪表等工业设备。
- 网络设备：配置路由器、交换机等网络设备。
- GPS 模块：从 GPS 接收器获取位置数据。
- 医疗设备：连接一些医疗监测仪器。
核心概念：波特率、数据位、停止位、校验位
在配置串口时,必须确保通信双方（如你的电脑和 Arduino）的这些参数完全一致，否则无法正常通信。
- 波特率：每秒传输的比特数，它决定了数据传输的速度，常见的有
9600,19200,38400,115200，必须两边设置相同。 - 数据位：实际传输的数据内容所占的位数，通常是
8位。 - 停止位：表示一个字符数据传输结束的位，通常是
1位。 - 校验位：用于简单的错误检测，可以是
无、奇偶校验、标记校验或空格校验，通常是无。
一个常见的串口配置是：9600, 8, N, 1，意思是波特率 9600，8 个数据位，无校验位，1 个停止位。
环境准备
硬件准备
- 一台电脑：Windows, macOS 或 Linux。
- 一个串口设备：这里我们以最常用的 Arduino UNO 为例，你也可以是任何其他支持串口的设备。
- USB 数据线：用于连接 Arduino 和电脑。
软件准备
- Arduino IDE：用于上传代码到 Arduino 并打开其内置的“串口监视器”进行调试。
- Node.js 或 Python 3：根据你选择的教程进行安装。
教程一：使用 Node.js 和 serialport 库
serialport 是 Node.js 中最流行、功能最强大的串口通信库。
1 安装 serialport
打开终端或命令行工具,执行以下命令：
# 创建一个新的项目文件夹 mkdir node-serial-demo cd node-serial-demo # 初始化 npm 项目 npm init -y # 安装 serialport npm install serialport
2 Arduino 端代码
打开 Arduino IDE，复制并上传以下代码，这个代码会每隔 1 秒向串口发送 "Hello from Arduino!"。
void setup() {
// 初始化串口，波特率设置为 9600
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
// 向串口发送一条消息
Serial.println("Hello from Arduino!");
// 延时 1000 毫秒（1秒）
delay(1000);
}
上传成功后,在 Arduino IDE 的右上角点击“串口监视器”（一个带放大镜的图标），确保右下角的波特率设置为 9600，你应该能看到每秒都有一行新的输出。
3 Node.js 端代码
a. 查找可用串口
创建一个名为 list_ports.js 的文件，写入：
const { SerialPort } = require('serialport');
// 列出所有可用的串口
SerialPort.list().then(ports => {
console.log('可用串口列表:');
ports.forEach(port => {
console.log(`- 路径: ${port.path}, 制造商: ${port.manufacturer}, 串口号: ${port.serialNumber}`);
});
}).catch(err => {
console.error('无法列出串口:', err.message);
});
运行 node list_ports.js，你应该能在输出中找到你的 Arduino 设备（通常路径是 COM3 或 /dev/tty.usbserial-XXXX）。
b. 打开并读取串口数据
创建一个名为 read_serial.js 的文件：
const { SerialPort } = require('serialport');
// 替换成你自己的 Arduino 串口路径
const portPath = 'COM3'; // Windows: 'COM3', macOS/Linux: '/dev/tty.usbserial-XXXX'
// 创建串口对象
const port = new SerialPort({
path: portPath,
baudRate: 9600, // 必须和 Arduino 端的波特率一致
dataBits: 8,
stopBits: 1,
parity: 'none'
});
// 监听打开事件
port.on('open', () => {
console.log(`串口 ${portPath} 已打开，正在监听数据...`);
});
// 监听数据事件
// 使用 line 解析器，它会自动按换行符分割数据
const lineStream = port.pipe(new SerialPort.parsers.LineParser({ delimiter: '\r\n' }));
lineStream.on('data', (data) => {
// data 是一个字符串，不包含换行符
console.log(`收到数据: ${data}`);
});
// 监听错误事件
port.on('error', (err) => {
console.error('串口发生错误:', err.message);
});
运行 node read_serial.js，如果你的 Arduino 正在运行，你应该会在终端中看到每秒打印出 "Hello from Arduino!"。
c. 向串口写入数据
创建一个名为 write_serial.js 的文件：
const { SerialPort } = require('serialport');
const portPath = 'COM3'; // 替换成你自己的 Arduino 串口路径
const port = new SerialPort({
path: portPath,
baudRate: 9600
});
port.on('open', () => {
console.log(`串口 ${portPath} 已打开，`);
// 向 Arduino 发送 'L'，可以用来点亮 LED
console.log('向 Arduino 发送 "L" (点亮 LED)');
port.write('L\n'); // \n 是换行符，Arduino 的 Serial.read() 会读取到它
// 3秒后发送 'H'，熄灭 LED
setTimeout(() => {
console.log('向 Arduino 发送 "H" (熄灭 LED)');
port.write('H\n');
}, 3000);
});
port.on('error', (err) => {
console.error('串口发生错误:', err.message);
});
为了让这个例子完整,我们需要修改一下 Arduino 的代码，让它能接收指令并控制板载 LED。
修改后的 Arduino 代码：
void setup() {
Serial.begin(9600);
// 设置引脚 13 为输出，控制板载 LED
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
// 检查串口是否有数据可读
if (Serial.available() > 0) {
// 读取一个字符
char command = Serial.read();
// 根据指令执行操作
if (command == 'L') {
digitalWrite(13, HIGH); // 点亮 LED
Serial.println("LED is ON");
} else if (command == 'H') {
digitalWrite(13, LOW); // 熄灭 LED
Serial.println("LED is OFF");
}
}
}
上传这个新代码到 Arduino，然后在 Node.js 中运行 node write_serial.js，你会看到 Arduino 的板载 LED 先亮 3 秒，然后熄灭，Node.js 的终端也会收到 Arduino 的反馈信息。
教程二：使用 Python 和 pyserial 库
pyserial 是 Python 中最经典的串口通信库。
1 安装 pyserial
打开终端或命令行工具,执行：
pip install pyserial
2 Arduino 端代码
与 Node.js 教程中的 修改后 Arduino 代码 相同，请确保它已上传到你的 Arduino。
3 Python 端代码
a. 查找可用串口
创建一个名为 list_ports.py 的文件：
import serial.tools.list_ports
ports = serial.tools.list_ports.comports()
print("可用串口列表:")
for port in ports:
print(f"- 设备: {port.device}, 描述: {port.description}, 制造商: {port.manufacturer}")
运行 python list_ports.py，找到你的 Arduino 设备（如 COM3 或 /dev/tty.usbserial-XXXX）。
b. 读取串口数据
创建一个名为 read_serial.py 的文件：
import serial
import time
# 替换成你自己的 Arduino 串口路径
port_path = 'COM3' # Windows: 'COM3', macOS/Linux: '/dev/tty.usbserial-XXXX'
try:
# 打开串口
ser = serial.Serial(port_path, 9600, timeout=1)
print(f"串口 {port_path} 已打开，正在监听数据...")
while True:
if ser.in_waiting > 0: # 检查是否有数据可读
line = ser.readline().decode('utf-8').rstrip() # 读取一行并解码
print(f"收到数据: {line}")
time.sleep(0.1) # 避免CPU占用过高
except serial.SerialException as e:
print(f"无法打开串口: {e}")
except KeyboardInterrupt:
print("程序终止。")
finally:
if 'ser' in locals() and ser.is_open:
ser.close()
print("串口已关闭。")
运行 python read_serial.py，你应该会看到每秒打印 "Hello from Arduino!"。
c. 向串口写入数据
创建一个名为 write_serial.py 的文件：
import serial
import time
port_path = 'COM3' # 替换成你自己的 Arduino 串口路径
try:
ser = serial.Serial(port_path, 9600, timeout=1)
print(f"串口 {port_path} 已打开。")
# 发送 'L' 点亮 LED
print("向 Arduino 发送 'L' (点亮 LED)")
ser.write(b'L\n') # pyserial 需要字节流，所以加 b 前缀
# 等待 3 秒
time.sleep(3)
# 发送 'H' 熄灭 LED
print("向 Arduino 发送 'H' (熄灭 LED)")
ser.write(b'H\n')
except serial.SerialException as e:
print(f"无法打开串口: {e}")
except KeyboardInterrupt:
print("程序终止。")
finally:
if 'ser' in locals() and ser.is_open:
ser.close()
print("串口已关闭。")
同样,运行这个脚本，你会看到 Arduino 的 LED 亮灭。
实战项目：构建一个简单的串口监视器
这个项目将实现一个类似 Arduino IDE 串口监视器的功能：可以实时显示串口收到的数据，并且可以输入并发送数据。
这里我们使用 Python 和 pyserial 来实现，因为它更简单。
代码 (serial_monitor.py):
import serial
import serial.tools.list_ports
import threading
import time
import sys
class SerialMonitor:
def __init__(self):
self.port = None
self.running = False
self.read_thread = None
def list_ports(self):
"""列出所有可用串口"""
ports = serial.tools.list_ports.comports()
if not ports:
print("未找到可用串口。")
return []
print("可用串口列表:")
for i, port in enumerate(ports):
print(f"{i+1}. {port.device} - {port.description}")
return ports
def connect(self, port_path, baudrate=9600):
"""连接到指定串口"""
try:
self.port = serial.Serial(port_path, baudrate, timeout=1)
print(f"成功连接到 {port_path}，波特率 {baudrate}")
self.running = True
self.read_thread = threading.Thread(target=self._read_loop)
self.read_thread.daemon = True
self.read_thread.start()
return True
except serial.SerialException as e:
print(f"连接失败: {e}")
return False
def _read_loop(self):
"""在后台持续读取串口数据"""
while self.running and self.port and self.port.is_open:
if self.port.in_waiting > 0:
try:
data = self.port.readline().decode('utf-8').rstrip()
print(f"\n<< 收到: {data}\n>> ", end='') # 打印后重新显示提示符
except UnicodeDecodeError:
print("\n<< 收到无法解码的数据\n>> ", end='')
time.sleep(0.1)
def send_data(self, data):
"""向串口发送数据"""
if self.port and self.port.is_open:
try:
self.port.write((data + '\n').encode('utf-8'))
except Exception as e:
print(f"发送失败: {e}")
def disconnect(self):
"""断开连接"""
self.running = False
if self.read_thread and self.read_thread.is_alive():
self.read_thread.join(timeout=2)
if self.port and self.port.is_open:
self.port.close()
print("串口已断开。")
if __name__ == "__main__":
monitor = SerialMonitor()
# 列出并选择串口
ports = monitor.list_ports()
if not ports:
sys.exit(1) # 如果没有串口，退出程序
try:
choice = int(input("请选择串口编号: ")) - 1
if 0 <= choice < len(ports):
selected_port = ports[choice].device
if monitor.connect(selected_port):
print("串口监视器已启动，输入 'exit' 退出。")
# 在主线程中处理用户输入
while True:
try:
user_input = input(">> ")
if user_input.lower() == 'exit':
break
monitor.send_data(user_input)
except KeyboardInterrupt:
break
else:
print("无效的选择。")
except ValueError:
print("请输入有效的数字。")
finally:
monitor.disconnect()
如何运行：
- 将上述代码保存为
serial_monitor.py。 - 确保你的 Arduino 正在运行之前那个发送 "Hello from Arduino!" 的代码。
- 在终端运行
python serial_monitor.py。 - 从列表中选择你的 Arduino 对应的编号，然后回车。
- 你会看到 Arduino 发来的消息，你也可以在
>>提示符后输入任何内容，按回车发送给 Arduino。
常见问题与解决方案
-
Error: Port is not open或SerialException：- 原因：串口路径错误、设备未连接、或串口正被其他程序（如 Arduino IDE 的监视器）占用。
- 解决：1. 检查串口路径是否正确，2. 确保设备已连接，3. 关闭所有可能占用该串口的软件（特别是 Arduino IDE 的串口监视器）。
-
收不到数据或数据乱码：
- 原因：最常见的原因是 波特率不匹配，代码中设置的波特率和设备端的波特率不一致。
- 解决：检查并确保代码和设备（如 Arduino）中的
Serial.begin()或baudRate设置完全相同。
-
ENOENT: no such file or directory：- 原因：在 Linux/macOS 上，串口路径不存在或权限不足。
- 解决：1. 确认路径正确（如
/dev/tty.usbserial-XXXX），2. 如果是权限问题，你可能需要将用户添加到dialout组（Linux），或在命令前加sudo（不推荐）。
-
如何处理二进制数据（非文本）？
- Node.js: 不要使用
LineParser，直接监听'data'事件，data会是一个Buffer对象，你可以用data.toString('hex')或data.toString('base64')来查看其内容。 - Python: 不要用
.decode('utf-8')，直接读取ser.read(size)会返回bytes对象，你可以用data.hex()来查看十六进制表示。
- Node.js: 不要使用
总结与进阶
恭喜！你已经掌握了使用 Node.js 和 Python 进行串口通信的基本方法。
总结关键点：
- 参数一致：串口通信的“四要素”（波特率、数据位、停止位、校验位）必须两端一致。
- 资源管理：使用完毕后，务必关闭串口连接，以释放资源。
- 错误处理：始终考虑设备未连接、权限不足、数据格式错误等异常情况。
进阶方向：
- GUI 应用：使用
Electron(Node.js) 或PyQt/Tkinter(Python) 为你的串口工具创建图形用户界面。 - 数据可视化：将串口收到的数据（如传感器读数）实时绘制成图表。
- 协议解析：学习更复杂的通信协议（如 Modbus, CAN bus），并编写代码来解析它们。
- 多线程/异步：对于需要同时处理用户输入、网络请求和串口读取的复杂应用，深入学习多线程或异步编程模型。
希望这份教程对你有帮助！如果你有任何问题，随时可以提问。
