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ubuntu树莓派3/4B+的GPIO硬件串口通信

2023-05-16

目录

  • 一、概要
  • 二、树莓派硬件常识
  • 三、交换硬件串口和mini串口映射关系
    • 3.1 查看原始映射
    • 3.2 编辑config文件，置换硬件映射
    • 3.3 禁用蓝牙
  • 四、串口功能配置
    • 4.1 编辑cmdline文件
    • 4.2 禁用蓝牙
    • 4.3 串口功能配置
  • 五、连接测试
    • 5.1 安装minicom
    • 5.2 与PC联调
    • 5.3 启动minicom
    • 5.4 minicom的基本操作
    • 5.5 连接成功
  • 六、错误排查

一、概要

树莓派3/4B+
melodic ROS+Ubuntu18.04
特别指出，不想要禁用蓝牙功能的树莓派4b请参考树莓派4b专用配置；因个人需求，混用3B和4B的树莓派，所以统一按照下方流程进行配置。

二、树莓派硬件常识

树莓派引脚图
上图是最常见的树莓派通用40pin引脚图，对于树莓派1、2、3、4有以下共同特征：
树莓派外设串口分为两类：

  1. 硬件串口（PL011 UART0）serial1（/dev/ttyAMA0）
    该串口由硬件实现，有单独的波特率时钟源，可靠性高。
  2. mini串口（mini UART1）serial0（/dev/ttyS0）
    该串口没有波特率专用的时钟源，而由CPU内核时钟提供。波特率容易受到内核时钟的影响，性能低，功能简单。
树莓派板载蓝牙模块，默认的硬件串口是分配给蓝牙模块使用的，而性能较差的mini串口是分配给GPIO串口 TXD0、RXD0。

对于树莓派4B，在上述两个串口基础上，新增了4个PL011串口:

UART2:  TXD2-->GPIO0       RXD2-->GPIO1
UART3:  TXD3-->GPIO4       RXD3-->GPIO5
UART4:  TXD4-->GPIO8       RXD4-->GPIO9
UART5:  TXD5-->GPIO12      RXD5-->GPIO13

（此处引用自博主TEDxPY【树莓派 4 UART 多串口配置通信】一文）

总的来说，我们需要将想要用的GPIO14/15口从原有的ttyS0作出如下映射关系转变：
UART0： TXD0 -> GPIO14 RXD0 -> GPIO15 - ttyAMA0
UART1： ttyS0
接线图如下：
在这里插入图片描述

三、交换硬件串口和mini串口映射关系

目的是将硬件串口设置为GPIO的串口，将ttyS0设置为mini串口。

3.1 查看原始映射

打开终端，输入：

ls /dev/tty* -al

我的不知道为什么我的一直看不了别人的类似serial*->tty*的对应关系，但是可以看到ttyS0在ttyAMA0上方，显示如下：
初始串口配置

3.2 编辑config文件，置换硬件映射

不同于树莓派3，树莓派4B有一个firmware文件

sudo nano /boot/firmware/config.txt

打开文件后，找到enable_uart=0这行，用#注释掉。然后在下面加上：

#enable_uart=0
enable_uart=1
dtoverlay=disable-bt //看自己的文件下蓝牙硬件串口失能文件是哪个

许多教程中多是使用pi3-disable-bt或pi3-miniuart-bt-overlay.dtb，这是将蓝牙串口更换到mini串口，而将硬件串口换给GPIO14/15的配置文件，但是我的firmware下并没有这个文件，而是一个叫disable-bt的文件。

3.3 禁用蓝牙

在终端输入以下命令禁用掉和蓝牙有关的开机启动项：

sudo systemctl disable bluetooth

完成后，reboot一下，蓝牙标志应该变灰或者直接没有，再重新查看映射关系：
新的映射
此时我的还是显示不了对应serial几，但是AMA0已经和S0交换位置了。
至此，硬件映射更换完成。

四、串口功能配置

树莓派GPIO的串口默认是用来做控制台使用的，连接PC后用串口助手可以看到开机信息，并能输入账户和密码，进入系统。如果想使用GPIO串口用于通信，控制台功能就会干扰数据传输。所以必须对串口功能进行设置。

4.1 编辑cmdline文件

sudo nano /boot/firmware/cmdline.txt

如果config.txt文件中没有对cmdline文件进行操作，那么直接根据下面的步骤编辑。
特别的，4B刷ubuntu后config文件中有语句cmdline=nobtcmd.txt，此时真正的关于串口控制台的配置在后面这个名称的文件里面。
将console=ttyAMA0（或者serial0）,115200的语句删除。该文档将变成以下这样：

dwc_otg.lpm_enable=0 kgdboc=ttyAMA0,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 elevator=deadline rootwait

4.2 禁用蓝牙

sudo systemctl disable bluetooth

在终端输入以上命令禁用掉和蓝牙有关的开机启动。 重启树莓派后应该没有蓝牙标志了。

4.3 串口功能配置

sudo raspi-config

进入树莓派系统配置界面,选择5 Interfacing Options
5
进入6 Serial
6
选择<No>，关闭串口登录功能
no
选择<Yes>，打开硬件串口调试功能
在这里插入图片描述
最终会提示：串口登陆功能失能，串口调试功能使能。
在这里插入图片描述
完成后，重启树莓派更新配置。

五、连接测试

5.1 安装minicom

sudo apt-get install minicom

5.2 与PC联调

根据二中的接线图用usb转ttl模块连接树莓派的gpio与PC，打开串口助手，设置好串口参数。

5.3 启动minicom

minicom -D /dev/ttyAMA0 -b 115200

此时，如果出现提示：

minicom:cannot open /dev/ttyAMA0:permission denied

是权限不够导致的，在终端输入以下命令后重新按照3启动即可。

sudo chmod 777 /dev/ttyAMA0

5.4 minicom的基本操作

首先Ctrl+A 进入功能界面，随后选择
Z键：进入设置菜单
X键：退出minicom

5.5 连接成功

树莓派和PC能互发字符消息。
在这里插入图片描述

六、错误排查

在4.3中完成了串口控制台功能的禁用，但是如果没有将4.1 cmdline文件编辑好，那么即使已经可以用硬件串口传输数据了，也会从串口十六进制接收到乱码，字符串显示可以看到是树莓派的开机和登录信息，这些信息会出现在数据传输中，随时中断数据传输。如下图所示：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如果出现这种情况，需要根据四中所讲，将所有的cmdline.txt文件或nobtcmd.txt文件中consloe与AMA0相关的都删除。

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