MicroPython RS232 实战：软件流控（XON/XOFF）实现串口可靠通信，解决数据溢出难题解
RS-232 是一种广泛使用的串行通信协议，最初由电子工业协会（EIA）在 1960 年代定义，它用于在计算机和外部设备（如调制解调器、打印机、传感器等）之间进行数据传输。
1.RS232 通信基础知识
RS-232 是一种广泛使用的串行通信协议，最初由电子工业协会（EIA）在 1960 年代定义，它用于在计算机和外部设备（如调制解调器、打印机、传感器等）之间进行数据传输。
正如我们上文中在讲到串口通信协议层中说过的，RS-232 标准和我们在串口通信中使用的 TTL 电气标准只是在使用的逻辑电平标准上有所不同，而在具体的串口协议上，即串口通讯的数据包结构、错误检测与纠正和速率匹配与同步等内容，二者是相同的：
- RS-232：使用高电平和低电平信号，标准定义高电平为 +3V 到 +25V，低电平为-3V 到-25V，由于信号电平较高，RS-232 适合长距离传输
- TTL-UART：使用 TTL 电平，通常高电平为 +2.5V 到 +5V（通常为 5V），低电平为 0V，TTL 信号电平适合短距离通信
2.MAX3232 芯片介绍
这里，我们使用 MAX3232 芯片将 TTL 电平（0V 至 +5V）转换为 RS-232 标准的电平（±3V 至 ±25V），MAX3232 是一款常用的 RS-232 至 TTL（或 CMOS）电平转换器芯片，支持高达 250kbps 的数据传输速率和两个通道的 RS-232 至 TTL（或 CMOS）电平转换，常用于微控制器与计算机、调制解调器、打印机等设备之间的串行通信。
MAX3232 芯片引脚名称和功能如下：
根据功能分为以下三类：
- 电荷泵相关引脚：这些引脚用于内部电荷泵的工作，通过外部电容器生成所需的电压 (+5.5V 和 -5.5V)，为 RS-232 驱动器提供合适的电平。
- 电源与接地引脚：为 MAX3232 提供电源和地，确保芯片的正常工作，供电电压范围为 +3.0V 至 +5.5V。
- 数据传输引脚：用于 TTL/CMOS 和 RS-232 电平之间的转换，包括 RS-232 接收器输入、输出以及 TTL/CMOS 驱动器输入、输出。
其工作原理可以简单概括为：MAX3232 通过内置的电荷泵电路和反相器，将输入的低电压（如 3.3V 或 5V）转换成符合 RS-232 标准的高电压（通常为 +5V 至 +15V 和 -5V 至 -15V）。
这里，内部电荷泵工作需要的电容容值对应大小与供电电压相关：
RS-232 通信往往使用 DB9 连接器，DB9 连接器有 9 个引脚，每个引脚在 RS-232 通信中有特定的功能，各个引脚编号和功能如下：
这里，我们仅使用 DB9 接口的 RXD、TXD 和 GND 引脚。
DB9 连接器有两种类型：
- 公头（Male） ：有 9 个凸起的金属引脚
- 母头（Female） ：有 9 个小孔，用于接受公头引脚
3.USB 转 RS232 适配器
通常，计算机或设备的串行端口使用的是 DB9 母头，而串行电缆的一端为 DB9 公头；在我们的开发板上使用的 DB9 连接器为母头，在当前的电脑上，DB9 连接器早已消失不见，但虚拟串口（通过 USB 转串口的方式）仍然可以使用，我们可以通过 USB 转 DB9 适配器完成单片机和电脑通过 RS232 协议的通信。
这里 USB 转 RS232 的适配器往往使用内置 FT232 芯片来完成不同通信协议的转换，FT232 是一款由 FTDI 公司设计的 USB 转串口芯片，它广泛用于嵌入式系统、微控制器开发和调试，以及将传统的 RS-232 或 TTL 串行接口转换为 USB 接口，允许现代设备与老式串行设备进行通信。
FT232 芯片在大多数操作系统中需要安装 FTDI 提供的驱动程序，具体可以从 FTDI 的官方网站下载：
https://ftdichip.com/drivers/vcp-drivers/
这里，我们提供的 USB 转 RS232 适配器使用的是国产的 MS3020 芯片，同样需要安装对应驱动程序，如果不安装对应驱动程序直接将 USB 转 RS232 适配器连接到电脑上时无法进行正常通信，打开设备管理器，显示如下：
驱动程序下载链接如下：
http://www.dtech.cn/download/download.php?class3=410
也可以在我们提供的工具软件中找到对应驱动程序：
打开驱动安装说明 PDF 文件，按照操作步骤安装即可：
安装成功后，再次点击设备管理器，可以发现原先设备上的小感叹号消失，能够正常使用，在对应的串口通信软件助手中，也可以正常选择其端口：
4.应用实验
在以下代码中，我们使用自定义 RS232 数据收发类完成主设备（树莓派 Pico）和从设备（电脑）的点对点通信，并在自定义类中实现了软件流控（Software Flow Control）功能，所谓软件流控，又叫XON/XOFF 流控，是一种基于软件的串行通信流控制机制，它使用特定的控制字符来启动或停止数据传输，这些控制字符通过串口通信线路发送，不需要额外的物理连接，完全依赖于串行数据线。
软件流控通常使用以下两个 ASCII 控制字符：
- XON (0x11，CTRL-Q) ：表示“继续发送数据”（发送方可以继续传输）
- XOFF (0x13，CTRL-S) ：表示“暂停发送数据”（发送方应暂停传输，避免接收方缓冲区溢出）
那么什么时候使用这两个 ASCII 控制字符呢？下面我们简单说明一下应用场景：
- 接收方发送 XOFF：当接收方的缓冲区快要满了时，接收方发送 XOFF 信号，通知发送方暂停发送数据
- 发送方暂停发送：发送方接收到 XOFF 信号后，立即暂停发送数据，等待进一步指示
- 接收方发送 XON：当接收方处理完数据，腾出缓冲区空间后，它会发送 XON 信号，告诉发送方可以继续发送数据
- 发送方继续发送：发送方收到 XON 信号后，恢复数据发送，直到再次接收到 XOFF 或数据发送完成
在下面实验中，我们需要将 风雅一号板-Grove接口扩展板插入到风雅一号板-串口电平转换板上，同时打开 RS232-SW 拨码开关上 RS232-TXD 和 RS232-RXD 选项，我们使用串口外设 0 与风雅一号板-串口电平转换板上RS232 芯片的 TTL1 接口连接，设置树莓派 Pico 接收引脚为 GPIO17，发送引脚为 GPIO16，：
接着，我们使用 USB 转 RS232 适配器连接 风雅一号板-串口电平转换板 的 RS232 Interface 接口上，实物连接图如下所示：
我们首先自定义一个具有软件流控功能的 RS232 通信类，示例代码如下：
# 自定义RS232串口通信类，使用软件流控
class RS232:
"""
自定义RS232串口通信类，支持软件流控（XON/XOFF协议）。
该类实现了RS232串口的发送和接收功能，支持基于XON/XOFF的流控制机制。流控制用于在数据传输过程中，
根据接收缓冲区的状态来控制数据的发送与暂停，防止接收缓冲区溢出。通过该类，可以进行串口数据的发送、接收和流控管理。
Attributes:
uart (UART): 串口实例，代表用于通信的硬件接口。
tx_buffer (bytearray): 发送缓冲区，用于存储待发送的数据。
rx_buffer (bytearray): 接收缓冲区，用于存储接收到的数据。
rx_pos (int): 接收缓冲区的指针，标记接收数据的位置。
rx_buf_size (int): 接收缓冲区的大小，表示接收缓冲区能够存储的最大数据量。
tx_pos (int): 发送缓冲区的指针，标记已准备发送数据的位置。
tx_buf_size (int): 发送缓冲区的大小，表示发送缓冲区能够存储的最大数据量。
xon (bool): 软件流控状态，表示当前是否可以发送数据。`True`表示可以发送，`False`表示需要暂停。
Methods:
send(data: str) -> None:
发送数据到串口。支持XON/XOFF流控，发送过程中如果流控为暂停状态，将等待直到XON信号恢复。
receive() -> bytearray:
从串口接收数据。接收过程中如果接收缓冲区已满，则会发送XOFF信号暂停数据传输。
"""
# 软件流程相关类变量：两个 ASCII 控制字符
# XON (CTRL-Q)
XON = b'\x11'
# XOFF (CTRL-S)
XOFF = b'\x13'
def __init__(self, uart, rx_buf_size=256, tx_buf_size=256):
"""
初始化串口对象。
Args:
uart (UART): 使用的串口实例。
rx_buf_size (int, optional): 接收缓冲区的大小，默认值为256。
tx_buf_size (int, optional): 发送缓冲区的大小，默认值为256。
Returns:
None
"""
# 将传入的 UART 对象保存
self.uart = uart
# 发送缓冲区，用于存储待发送的数据
self.tx_buffer = bytearray(tx_buf_size)
# 接收缓冲区，用于存储接收到的数据
self.rx_buffer = bytearray(rx_buf_size)
# 接收缓冲区的指针，跟踪数据位置
self.rx_pos = 0
# 接收缓冲区大小
self.rx_buf_size = rx_buf_size
# 发送缓冲区的指针，跟踪数据位置
self.tx_pos = 0
# 发送缓冲区大小
self.tx_buf_size = tx_buf_size
# XON 状态，表示可以发送数据
self.xon = True
def send(self, data : str) -> None:
"""
发送数据。
该函数将传入的数据发送到串口，遵循XON/XOFF流控机制。如果当前流控不允许
发送数据，函数会等待直到流控解除。
Args:
data (str): 待发送的数据字符串。
Returns:
None
"""
# 如果data不是字符串类型，进行数据转换
if not isinstance(data, str):
data = str(data)
# 如果数据长度超过发送缓冲区大小，进行截断
if len(data) > self.tx_buf_size:
data = data[0:self.tx_buf_size]
# 将待发送的数据加入到发送缓冲区中
# 按照当前的发送缓冲区指针 self.tx_pos 插入数据
self.tx_buffer[self.tx_pos:self.tx_pos+len(data)] = data.encode('utf-8')
# 更新发送缓冲区指针
self.tx_pos += len(data)
# 遍历发送缓冲区中的数据
for i in range(self.tx_pos):
# 如果 XOFF 被激活，等待 XON 信号继续传输
while not self.xon:
time.sleep(0.01) # 等待 10 毫秒
# 发送单字节，确保为 bytes 类型
self.uart.write(bytes([self.tx_buffer[i]]))
# 发送完毕后，通过重置指针清空发送缓冲区
self.tx_pos = 0
def receive(self) -> bytearray:
"""
接收数据。
该函数检查串口接收缓冲区，读取接收到的数据并返回。若接收缓冲区已满，
则通过XOFF信号通知暂停数据传输。
Returns:
bytearray: 接收到的数据，作为字节数组返回。
"""
# 循环检查 UART 接收缓冲区是否有数据
while uart.any():
# 逐字节接收数据
byte = self.uart.read(1)
# 判断是否是 XON 或 XOFF 信号
if byte == RS232.XON:
# 收到 XON，允许继续传输
self.xon = True
elif byte == RS232.XOFF:
# 收到 XOFF，暂停传输
self.xon = False
else:
# 接收到的实际数据存储到接收缓冲区
self.rx_buffer[self.rx_pos] = byte[0]
# 移动缓冲区指针
self.rx_pos += 1
# 缓冲区已满，发送 XOFF 信号
if self.rx_pos >= self.rx_buf_size:
self.uart.write(RS232.XOFF)
break
# 截取数据
data = self.rx_buffer[0:self.rx_pos]
# 重置接收缓冲区指针
self.rx_pos = 0
# 返回接收的数据
return data
自定义 RS232 类的工作原理如下：
- 发送数据
send()：首先检查data是否是字符串，如果不是则将其转换为字符串，将数据编码为 UTF-8 字节串，并存入发送缓冲区tx_buffer中；接着将数据逐字节发送，在每次发送数据之前，检查xon状态，如果xon为False（即收到 XOFF 信号），则暂停发送，直到收到 XON 信号为止；数据发送完后，将发送缓冲区指针tx_pos重置为 0 - 接收数据
receive()：通过self.uart.any()检查是否有接收到的数据，并逐个读取数据；然后进行 XON/XOFF 信号检测和接收数据存储，如果接收缓冲区满（即rx_pos等于或超过rx_buf_size），则发送XOFF信号给发送方，告知其暂停数据传输，最后返回已接收到的所有数据，并重置接收缓冲区指针rx_pos
完整代码如下所示，在配套资料的文件夹：elegance-devkit v1\Demo\11 UART_RS232 中：
# Python env : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2024/9/22 下午11:23
# @Author : 李清水
# @File : main.py
# @Description : UART类实验，RS232串口通信实现软件流控功能
# ======================================== 导入相关模块 =========================================
# 硬件相关的模块
from machine import UART, Pin, Timer
# 时间相关的模块
import time
# ======================================== 全局变量 ============================================
# 串口发送计数变量
send_count: int = 0
# ======================================== 功能函数 ============================================
# 定时器回调函数，用于定时接收数据
def receive_data(timer: Timer) -> None:
"""
定时器回调函数，用于定时接收数据。
该函数会检查串口接收的数据，并根据流控状态控制LED灯的开关。
如果流控信号允许发送数据，LED会熄灭；如果流控信号禁止发送数据，LED会亮起。
Args:
timer (Timer): 定时器实例。
Returns:
None
"""
global rs232,LED
# 接收数据
data: bytearray = rs232.receive()
# 判断是否接收到数据
if len(data) > 0:
# 将接收到的数据转换为十六进制并打印
hex_data = [hex(byte) for byte in data]
print("Received data:", hex_data)
# 判断rs232的流控状态
if rs232.xon:
# 如果可以发送数据，熄灭 LED
LED.value(0)
else:
# 如果不能发送数据，点亮 LED
LED.value(1)
# ======================================== 自定义类 ============================================
# 自定义RS232串口通信类，使用软件流控
class RS232:
"""
自定义RS232串口通信类，支持软件流控（XON/XOFF协议）。
该类实现了RS232串口的发送和接收功能，支持基于XON/XOFF的流控制机制。流控制用于在数据传输过程中，
根据接收缓冲区的状态来控制数据的发送与暂停，防止接收缓冲区溢出。通过该类，可以进行串口数据的发送、接收和流控管理。
Attributes:
uart (UART): 串口实例，代表用于通信的硬件接口。
tx_buffer (bytearray): 发送缓冲区，用于存储待发送的数据。
rx_buffer (bytearray): 接收缓冲区，用于存储接收到的数据。
rx_pos (int): 接收缓冲区的指针，标记接收数据的位置。
rx_buf_size (int): 接收缓冲区的大小，表示接收缓冲区能够存储的最大数据量。
tx_pos (int): 发送缓冲区的指针，标记已准备发送数据的位置。
tx_buf_size (int): 发送缓冲区的大小，表示发送缓冲区能够存储的最大数据量。
xon (bool): 软件流控状态，表示当前是否可以发送数据。`True`表示可以发送，`False`表示需要暂停。
Methods:
send(data: str) -> None:
发送数据到串口。支持XON/XOFF流控，发送过程中如果流控为暂停状态，将等待直到XON信号恢复。
receive() -> bytearray:
从串口接收数据。接收过程中如果接收缓冲区已满，则会发送XOFF信号暂停数据传输。
"""
# 软件流程相关类变量：两个 ASCII 控制字符
# XON (CTRL-Q)
XON = b'\x11'
# XOFF (CTRL-S)
XOFF = b'\x13'
def __init__(self, uart, rx_buf_size=256, tx_buf_size=256):
"""
初始化串口对象。
Args:
uart (UART): 使用的串口实例。
rx_buf_size (int, optional): 接收缓冲区的大小，默认值为256。
tx_buf_size (int, optional): 发送缓冲区的大小，默认值为256。
Returns:
None
"""
# 将传入的 UART 对象保存
self.uart = uart
# 发送缓冲区，用于存储待发送的数据
self.tx_buffer = bytearray(tx_buf_size)
# 接收缓冲区，用于存储接收到的数据
self.rx_buffer = bytearray(rx_buf_size)
# 接收缓冲区的指针，跟踪数据位置
self.rx_pos = 0
# 接收缓冲区大小
self.rx_buf_size = rx_buf_size
# 发送缓冲区的指针，跟踪数据位置
self.tx_pos = 0
# 发送缓冲区大小
self.tx_buf_size = tx_buf_size
# XON 状态，表示可以发送数据
self.xon = True
def send(self, data : str) -> None:
"""
发送数据。
该函数将传入的数据发送到串口，遵循XON/XOFF流控机制。如果当前流控不允许
发送数据，函数会等待直到流控解除。
Args:
data (str): 待发送的数据字符串。
Returns:
None
"""
# 如果data不是字符串类型，进行数据转换
if not isinstance(data, str):
data = str(data)
# 如果数据长度超过发送缓冲区大小，进行截断
if len(data) > self.tx_buf_size:
data = data[0:self.tx_buf_size]
# 将待发送的数据加入到发送缓冲区中
# 按照当前的发送缓冲区指针 self.tx_pos 插入数据
self.tx_buffer[self.tx_pos:self.tx_pos+len(data)] = data.encode('utf-8')
# 更新发送缓冲区指针
self.tx_pos += len(data)
# 遍历发送缓冲区中的数据
for i in range(self.tx_pos):
# 如果 XOFF 被激活，等待 XON 信号继续传输
while not self.xon:
time.sleep(0.01) # 等待 10 毫秒
# 发送单字节，确保为 bytes 类型
self.uart.write(bytes([self.tx_buffer[i]]))
# 发送完毕后，通过重置指针清空发送缓冲区
self.tx_pos = 0
def receive(self) -> bytearray:
"""
接收数据。
该函数检查串口接收缓冲区，读取接收到的数据并返回。若接收缓冲区已满，
则通过XOFF信号通知暂停数据传输。
Returns:
bytearray: 接收到的数据，作为字节数组返回。
"""
# 循环检查 UART 接收缓冲区是否有数据
while uart.any():
# 逐字节接收数据
byte = self.uart.read(1)
# 判断是否是 XON 或 XOFF 信号
if byte == RS232.XON:
# 收到 XON，允许继续传输
self.xon = True
elif byte == RS232.XOFF:
# 收到 XOFF，暂停传输
self.xon = False
else:
# 接收到的实际数据存储到接收缓冲区
self.rx_buffer[self.rx_pos] = byte[0]
# 移动缓冲区指针
self.rx_pos += 1
# 缓冲区已满，发送 XOFF 信号
if self.rx_pos >= self.rx_buf_size:
self.uart.write(RS232.XOFF)
break
# 截取数据
data = self.rx_buffer[0:self.rx_pos]
# 重置接收缓冲区指针
self.rx_pos = 0
# 返回接收的数据
return data
# ======================================== 初始化配置 ==========================================
# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试消息
print("FreakStudio: RS232 Software Flow Control Demo")
# 创建串口对象，设置波特率为115200
uart: UART = UART(0, 115200)
# 初始化uart对象，波特率为115200，数据位为8，无校验位，停止位为1
# 设置接收引脚为GPIO17，发送引脚为GPIO16
# 设置串口超时时间为100ms
uart.init(baudrate = 115200,
bits = 8,
parity = None,
stop = 1,
tx = 16,
rx = 17,
timeout = 100)
# 初始化RS232对象,设置接收缓冲区大小为32，发送缓冲区大小为32
rs232: RS232 = RS232(uart, 32, 32)
# 设置GPIO 25为LED输出引脚，下拉电阻使能
LED: Pin = Pin(25, Pin.OUT, Pin.PULL_DOWN)
# 创建定时器对象，每隔10ms接收数据
timer: Timer = Timer(-1)
timer.init(period=10, mode=Timer.PERIODIC, callback=receive_data)
# ======================================== 主程序 ===========================================
# 循环执行
while True:
# 发送固定数据，每次发送完成都换行
rs232.send("RS232 Send Data :" + str(send_count)+'\r\n')
# 发送计数变量递增
send_count = send_count + 1
# 延时1s
time.sleep(1)
这里，我们在主循环中通过自定义类中数据发送方法定时 1s 左右发送一次数据，定时器每 10 毫秒检查一次是否有接收数据，若有接收数据则将其输出到终端上，并通过 LED 指示当前串口的流控状态。
这里，定时器可以简单理解为一个定时执行对应回调函数 receive_data 的执行流，它是周期性触发的，会在设定的时间间隔内定时调用某个函数并且不受 time.sleep 延时方法的影响，在该程序中，通过定时器的周期性调用，我们可以实现对串口数据的持续监听。
烧录代码，打开终端，显示如下：
打开串口助手，设置波特率为 115200，其他参数默认即可，选择以下名称对应 COM 口：
MacroSilicon USB Serial Ports
这里，使用串口助手进行通信时，注意以字符形式进行显示，而发送时以 16 进制进行发送，并且这里不要选择“发送新行”选项：
可以看到，自定义 RS232 通信类定时 1s 进行数据发送。我们尝试发送 16 进制数据：
13 22 75 85 65 21 32
可以看到，在终端上除了流控字符 XOFF (0x13) 外，其余数据均显示，同时在串口助手软件上可以看到树莓派 Pico 停止了数据发送并且树莓派 Pico 上板载 LED 灯亮起：
再次发送数据：11 22 33 44 55 66，其中 XON (0x11) 流控字符表示 PC 端可以接收数据：
可以发现，此时树莓派 Pico 的 RS232 通信又重新开始，同时板载 LED 灯熄灭：
我们这里，发送一个数据长度超过设定数据缓冲区的 16 进制数据：
11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00
并提前设置，串口助手为 16 进制显示：
然后发送数据，可以看到树莓派 Pico 发送了流控字符 XOFF (0x13)：
并且，树莓派 Pico 接收数据大小始终没有超过设置的缓冲区大小：
经以上测试，可以看到我们自定义的 RS232 软件流控通信类可以完成基本的传输中断和启动功能，相比于硬件流控，软件流控简单易用并且无需多余接线，但是软件流控也存在一些缺点：依赖于特殊的控制字符来管理数据传输，会占用一部分传输带宽，同时 XON（0x11）和 XOFF（0x13）是特定的控制字符，但如果传输的数据本身包含这些字符，它们可能会被误解为流控指令，从而引发错误的传输暂停或恢复。
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