Arduino 串口通信 (Serial Communication)

串口通信是 Arduino 与外部世界（如电脑、传感器、显示器、其他单片机等）进行信息交换最基本、最常用的方式之一。这对于程序调试、数据显示以及设备间通信都至关重要。

串口通信基础概念

• 定义： 串行通信（Serial Communication）意味着数据一位一位地（逐位）在单条传输线上依次传输。这是相对于并行通信（同时传输多位数据）而言的。
• 异步 vs 同步： Arduino 主要使用 异步串行通信 (Asynchronous Serial)。这意味着：
  • 发送方和接收方没有共享的时钟信号来同步数据传输。
  • 通信双方必须事先约定好通信速度（波特率）。
  • 每个传输的数据包（通常是 1 个字节）会被起始位（Start Bit）和停止位（Stop Bit）包裹，它们帮助接收方识别数据的开始和结束。
  • 数据格式：常见的格式是8N1：8个数据位（Data Bits），无奇偶校验（No Parity Check），1个停止位（1 Stop Bit）。
• 硬件部件 (UART/USART): Arduino 板上的微控制器芯片（如 ATmega328P）内部集成了称为 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 或 USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) 的硬件模块。这个模块专门负责处理串行通信的底层细节，如生成起始/停止位、进行数据位的移位、计算波特率、检测错误（如果使用奇偶校验）等。开发者无需手动操作这些位，通过库函数即可使用。
• 物理接口 (逻辑电平 & 物理连接):
  • 逻辑电平： Arduino Uno/Nano/等经典5V Arduino 使用 TTL电平：
    • 逻辑0 (LOW): 接近 0V (通常 < 0.8V)
    • 逻辑1 (HIGH): 接近 Vcc (通常 > 2.5V-3V，对于5V系统就是 ~5V)
  • 物理连接： Arduino 板上标有RX (Receive 接收) 和 TX (Transmit 发送) 的引脚是 连接内部 UART/USART 模块 的。RX 是输入，TX 是输出。与其他设备连接时，基本原则是交叉连接：即本机的 TX 连接对方的 RX，本机的 RX 连接对方的 TX。
  • USB 转换： Arduino 板上通常有一个 USB 转串口芯片（如 ATmega16U2, CH340, CP2102, FT232 等）。这个芯片将 USB 协议转换为 TTL 串口协议。
    • 你通过 USB 线在 Arduino IDE 的串口监视器看到的 “串口”，实际上是 USB 信号被板载转换芯片转换后在 Arduino 的RX/TX 引脚上呈现的 TTL 串口信号（这个逻辑对开发者是透明的）。所以，当你通过 USB 编程或使用串口监视器时，你已经在使用主控芯片上的 UART 了。
  • 波特率 (Baud Rate): 衡量串口通信速度的单位，表示每秒传输的符号数 (symbols per second)。对于常见的8N1 格式，每个字节传输需要 10 个符号（1起始位 + 8数据位 + 1停止位）。因此：
    • 波特率9600: 每秒最多传输 9600 / 10 = 960 个字节。实际最大持续速率略低于此值。
    • 常用波特率：300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 等。
    • 关键：通信双方（Arduino 代码和电脑串口工具）必须设置成完全相同的波特率，否则接收到的将是乱码！

更多信息请查看：通信协议之异步串行通信UART

Arduino 串口库 (Serial)

Arduino 提供了 Serial 对象（类）来简化对板载主 UART 的使用。对于拥有多个硬件串口的板子（如 Mega2560），还会有 Serial1, Serial2, Serial3。

核心函数（常用方法）

• 初始化和状态检查：
  • begin(speed): 初始化串口通信。在setup() 中必须调用一次！ speed 就是波特率（如 9600, 115200）。
  • end(): 关闭串口通信（通常不需要主动调用）。
  • available(): 检查串口接收缓冲区中是否有可读取的数据。返回一个整数，表示可读的字节数。最常用的函数之一，用于判断是否有数据到达。
  • availableForWrite(): 检查发送缓冲区是否有空闲空间（可写的字节数）。
• 发送数据 (Write – TX):
  • print(val): 将数据作为文本发送（可读的 ASCII 字符形式）。
    • val 可以是多种类型：整数（byte, int, long）、浮点数（float, double）、字符串（char*, String）。
    • 例如：print(42) 发送字符’4′ 和 ‘2’（对应的 ASCII 码为 52 和 50）。
    • print(42, format): 可选参数指定格式。常用格式：
      • BIN 二进制 (发送”101010″)
      • OCT 八进制 (发送”52″)
      • DEC 十进制 (默认，发送”42″)
      • HEX 十六进制 (发送”2A”)
    • print(3.1415, decimalPlaces): 指定浮点数的小数位数（如2 发送 “3.14”）。
  • println(val): 和print() 类似，但在发送完数据后自动追加一个回车换行符（\r\n）。极其常用，使串口监视器中的数据按行显示。
  • write(val): 发送原始字节数据 (二进制)。
    • val 可以是单个字节（byte/char，发送其二进制值）。
    • 可以是一个字节数组 (byte buf[])。
    • 可以是指定长度的字节数组 (Serial.write(buf, len))。发送效率高于print()。
    • 与print() 关键区别：write(65) 发送的是数值 65 对应的单字节（0x41, 在 ASCII 中是大写字母 ‘A’）。而 Serial.print(65) 发送的是字符 ‘6’ (0x36) 和 ‘5’ (0x35) 两个字节。
  • 接收数据 (Read – RX):
    • read(): 从接收缓冲区读取第一个字节（最早收到的）。
      • 返回类型是int。如果没有数据可读，则返回 -1。
      • 通常结合available() 使用： 先检查是否有数据 (if (Serial.available() > 0))，再读取 (Serial.read())。
      • 读取操作会将字节从接收缓冲区移除。
    • peek(): 查看接收缓冲区中的下一个字节（第一个可读字节），但不将它从缓冲区中移除。 下次read() 还是读这个字节。返回类型是 int，没有数据则返回 -1。
    • readBytes(buffer, length): 从缓冲区读取length 个字节并存放到指定的字节数组 buffer 中。 会阻塞程序直到读取到指定数量的字节或超时。适用于接收特定长度的数据帧。
    • readString(): 从缓冲区读取所有可用数据并将其作为String 对象返回。会阻塞直到收到结束符（通常是超时判定结束）。
    • readStringUntil(terminator): 读取字符直到遇到指定的结束字符terminator (如 ‘\n’ 换行符)，并将其作为 String 对象返回。非常常用于接收以换行符结束的命令行。会阻塞直到收到结束符或超时。
    • parseInt() / Serial.parseFloat(): 从流中查找并解析下一个有效的整数或浮点数。会忽略前面的非数字字符。非常适合接收数字命令。会阻塞直到解析到数字或超时。
  • 控制信号 (部分功能需硬件支持，且较少直接使用)：
    • setTimeout(time): 设置超时时间（毫秒），影响readBytes(), readString(), readStringUntil(), parseInt(), parseFloat() 等阻塞函数的等待时间。默认超时是 1000ms。
    • flush(): （行为在较新版本Arduino中已改变！） 在旧版本中，它会阻塞直到所有发送数据都完成传输（待发送缓冲区为空）。在较新版本Arduino IDE (大约 1.0之后) 中，flush() 只清空接收缓冲区（丢弃所有未读数据），不再影响发送缓冲区。为避免混淆，发送后等待发送完成最好使用循环检查Serial.availableForWrite() == SERIAL_TX_BUFFER_SIZE 或 while (Serial && Serial.availableForWrite() < someSize) { }。要清空接收缓冲区，直接用 flush() (新版本)或读取所有数据直到 available() = 0。

工作流程 (典型)

发送数据：Serial.print() 和 Serial.println()

Arduino 通过 Serial 对象来控制串口通信。最常用的发送函数是 Serial.print() 和 Serial.println()。

Serial.begin(baudRate) 初始化串口

在发送或接收数据之前，你必须在 setup() 函数中初始化串口，并设置波特率。

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口，波特率为 9600
}

void loop() {
  // ...
}

Serial.print() 和 Serial.println()

• print(data)：将数据发送到串口，但不换行。发送后光标会停留在同一行。
• println(data)：将数据发送到串口，并自动换行。发送后光标会移动到下一行的开头。

示例代码：发送不同类型的数据

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口
}

void loop() {
  Serial.print("Hello, Arduino!"); // 发送字符串
  Serial.print(" ");             // 发送空格
  Serial.print(123);             // 发送整数
  Serial.print(" ");
  Serial.print(3.14, 2);         // 发送浮点数，保留两位小数
  Serial.println();              // 换行

  Serial.println("---");         // 发送分隔符并换行

  int sensorValue = analogRead(A0); // 读取模拟引脚A0的值
  Serial.print("Sensor Value: ");
  Serial.println(sensorValue);   // 发送传感器值并换行

  delay(1000); // 延时1秒
}

将代码上传到 Arduino 板后，打开 Arduino IDE 中的串口监视器（通常在右上角），确保波特率设置为 9600，你将看到 Arduino 不断发送的数据。

接收数据：从串口读取数据

从串口接收数据是实现 Arduino 与电脑或其他设备交互的关键。

Serial.available()

在读取数据之前，你需要检查串口缓冲区是否有可用的数据。Serial.available() 函数返回串口缓冲区中当前可读取的字节数。

Serial.read()

Serial.read() 函数从串口缓冲区读取一个字节（字符）。如果没有可读取的数据，它会返回 -1。

Serial.readString() 和 Serial.readStringUntil(terminator)

• readString()：读取串口缓冲区中的所有可用数据，直到超时（默认1秒）或缓冲区为空，返回一个 String 对象。
• readStringUntil(terminator)：读取串口缓冲区中的数据，直到遇到指定的终止符（例如换行符 \n 或回车符 \r），或者超时。

示例代码：接收并处理数据

String receivedData;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口
  Serial.println("Arduino Ready! Send 'LED_ON' or 'LED_OFF' to control LED.");
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // 设置内置LED为输出模式
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) { // 如果串口有数据可读
    // 使用 readStringUntil 读取一行数据，直到遇到换行符 '\n'
    receivedData = Serial.readStringUntil('\n');

    // 去除字符串前后的空格和回车符
    receivedData.trim();

    Serial.print("Received: ");
    Serial.println(receivedData);

    if (receivedData == "LED_ON") {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // 打开内置LED
      Serial.println("LED is ON");
    } else if (receivedData == "LED_OFF") {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);  // 关闭内置LED
      Serial.println("LED is OFF");
    } else {
      Serial.println("Unknown command.");
    }
  }
}

上传代码后，打开串口监视器。在顶部的输入框中输入 “LED_ON” 或 “LED_OFF”，然后点击“发送”按钮或按下回车键。你将看到 Arduino 根据接收到的命令控制内置 LED 的亮灭。

注意： 当使用 Serial.readStringUntil(‘\n’) 时，确保你发送的数据以换行符结束。在串口监视器中输入后按回车键通常会自动添加换行符。

Arduino Uno/Nano (ATmega328P) 的硬件限制

• 只有一个硬件串口：Serial 使用的是 Pin 0 (RX) 和 Pin 1 (TX)。
• 关键限制： 当你使用串口监视器进行烧录或通信时，避免在 Pin 0 和 Pin 1 上连接其他重要或信号复杂的设备，因为 USB 通讯和烧录程序就是通过它们进行的。强行连接可能导致冲突或烧录失败。烧录时最好断开外部连接。
• 共享引脚： Pin 0 和 Pin 1 同时是 GPIO。如果你不使用串口通信，可以当作普通数字IO用。一旦使用了begin()，它们就被UART占用。
• 缓冲区大小： 接收和发送缓冲区都比较小（通常各为 64 或 128 或 256 字节，取决于具体板型和核心定义）。如果发送或接收速度太快而没有及时处理，会导致缓冲区溢出和数据丢失。

SoftwareSerial 库 – 软件模拟串口

• 为什么需要：
  • Uno/Nano/等只有一个硬件串口已被Serial 占用（连接USB）。
  • 你的项目需要同时连接多个串口设备（如蓝牙模块、GPS模块、另一个Arduino等）。
• 是什么：SoftwareSerial 库允许你将 任意两个数字引脚 (D2-D13 通常比较安全，避免0,1, 和高频引脚) 模拟成额外的 RX 和 TX 引脚，创建一个软件实现的串口。本质是通过定时器和精确的时序控制在这些引脚上逐位发送/接收数据。
• 特点：
  • 灵活: 几乎可以将任何数字引脚用作 RX/TX。
  • 成本: 节省硬件开销（不需要额外的硬件 UART）。
  • 缺点:
    • 速度慢: 软件模拟受 CPU 速度限制，通常最大波特率低于硬件串口（115200 有时能达到，但 9600, 38400 更稳定可靠）。高波特率下稳定性不如硬件串口。
    • 中断冲突： 软件模拟使用硬件定时器中断和引脚状态变化中断。它可能会与某些需要精确时序或频繁使用中断的库（如某些电机驱动库如h、某些显示器库、某些红外库）产生冲突。
    • 占用 CPU: 发送和接收时需要 CPU 全神贯注地进行位操作，可能影响主程序的其他时间敏感任务。
    • 只能单实例接收： 一个SoftwareSerial 实例一次只能在一个 RX 引脚上监听（接收数据）。
    • 时序要求高： 需要确保时序精准才能实现稳定的通信。
  • 用法：
    • #include <SoftwareSerial.h>
    • 创建对象：SoftwareSerial mySerial(rxPin, txPin); // 指定RX, TX引脚
    • 在setup() 中初始化：begin(baudRate); // 如9600
    • 在loop() 中，使用available(), mySerial.read(), mySerial.print(), mySerial.write() 等方法进行通信，用法类似 Serial 对象。
    • 如果系统中有多个SoftwareSerial 实例，通常需要循环监听（轮询）每个实例的 available()。SoftwareSerial 库提供了 listen() 方法来主动选择哪个实例进行接收。

调试技巧和常见问题

• 波特率不一致： 这是新手上路最常见的错误！务必检查两边设置的波特率必须一字不差。
• 引线混乱： 检查连线是否正确：Arduino 的 TX 连 对方的 RX；Arduino 的 RX 连 对方的 TX。
• 电平不兼容： 虽然 Arduino (5V TTL) 能“碰运气”连某些3V 设备（如 ESP8266/ESP32 某些型号可能有5V容忍），但长期使用风险很大！最安全的方式：
  • 连接3V TTL 设备时，使用电平转换器模块。
  • 连接 RS-232 设备（如老式电脑串口DB9，使用 +/- 12V电平）时，必须使用 USB转RS232适配器 或 RS232转TTL转换模块 (如MAX232芯片模块)。
• RX/TX 引脚冲突： Uno/Nano 在烧录或使用Serial 时，Pin 0 和 Pin 1 很忙。烧录前断开外部连接或使用自动复位电路。
• 缓冲区溢出： 当发送方速度远快于接收方处理速度时发生。表现为数据丢失、乱码。
  • 发送方： 避免在循环中无节制的println() 或write()。适当加 delay() 或根据 Serial.availableForWrite() 来调整发送节奏。
  • 接收方： 使用readBytes() 读取固定长度数据包或 readStringUntil() 及时读取行结束的数据。在 loop() 中尽快处理接收到的数据，避免阻塞。
• 乱码： 原因可能：波特率错、硬件问题、连线故障、供电不稳、中断冲突（尤其 SoftwareSerial）、程序逻辑错误导致数据错乱。
• 使用串口监视器： Arduino IDE 自带的串口监视器是调试的金钥匙。它能：
  • 设置波特率。
  • 显示 Arduino 发送过来的数据（文本或16进制显示）。
  • 发送数据给 Arduino（手动输入或回车发送）。
  • 自动滚动、清屏、显示时间戳。
  • 选择正确的行结束符（换行/ 回车 / 两者都 / 无）：确保与 Arduino 接收端代码（如 readStringUntil(‘\n’)）匹配。通常选 “Both NL & CR” 或 “Newline”。
• 高级调试工具： 如PuTTY (功能更强的终端软件)、逻辑分析仪（抓取波形）、专业的串口助手软件。

典型应用场景

• 调试输出： 使用print() / println() 输出变量值、程序状态、调试信息到电脑串口监视器。这是开发调试时无价的手段。
• 从PC接收命令： 电脑发送指令控制Arduino，如控制LED亮灭、舵机角度、设置参数等。
• 数据传输： Arduino 读取传感器数据后发送给电脑记录或显示。
• 连接无线模块： 通过串口连接蓝牙模块（如 HC-05/HC-06）或 WiFi 模块（如 ESP8266/ESP01S），实现无线通信。
• 连接显示屏： 连接 OLED/LCD 模块（如 I2C/SPI 控制太复杂时，某些模块支持串口指令）。
• 连接 GPS 模块： 接收 NMEA 0183 协议数据获取位置信息。
• Arduino间通信： 多个 Arduino 通过串口（硬件或软件模拟）交换数据。
• 连接其他微控制器： 与树莓派（Pi）、ESP32、STM32 等其他开发板进行通信。
• 程序更新/配置： 部分库或模块通过串口接受固件更新或配置指令（如 ESP8266的AT指令）。
• 构建串行协议： 在串口基础上构建更高级的应用层协议（如基于字符命令、定长数据包、Modbus RTU 等）。
• 连接 ROS： 在机器人系统中，Arduino 常作为底层电机/传感器控制器，通过串口与运行ROS的主控计算机（如 Raspberry Pi）通信。