树莓派3b如何用串口

树莓派3b的通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART）串口功能，为开发者提供了与外部硬件设备进行低成本、可靠数据通信的桥梁。本文将深入解析其硬件构成、系统配置、软件驱动及典型应用场景。内容涵盖从禁用控制台服务、修改引导配置，到使用Python（派森）或C语言进行编程实践的全过程，并探讨了逻辑电平转换、多设备连接等进阶话题。无论您是物联网（Internet of Things，简称IoT）爱好者还是嵌入式系统初学者，这篇指南都将助您全面掌握树莓派3b串口通信的核心技术。

       在单板计算机的广阔世界里，树莓派3b以其均衡的性能与丰富的接口，长期占据着入门与开发领域的核心位置。其内置的通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART）硬件串口，是一个常被初学者忽略，却被资深开发者视为珍宝的功能。它不像通用输入输出（General Purpose Input/Output，简称GPIO）那样直观易用，也不像高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，简称HDMI）那样专注于视听输出，但却是连接传感器、微控制器、传统调制解调器甚至另一台计算机的无声信使。本文将带您深入探索，如何让这块小巧板卡上的串口“开口说话”，实现稳定可靠的数据交互。

       理解树莓派3b的串口硬件资源

       要驾驭串口，首先需了解其硬件基础。树莓派3b的处理器博通（Broadcom）BCM2837芯片内部集成了两个独立的UART模块：一个称为“迷你UART”（mini UART），另一个是完整的“PL011 UART”。迷你UART功能相对简单，其波特率依赖于核心时钟频率，稳定性稍逊。而PL011 UART则是一个功能完备的工业标准串口控制器，性能稳定可靠。默认情况下，树莓派的硬件设计将完整的PL011 UART分配给了蓝牙模块使用，而将迷你UART映射到了GPIO引脚上的发送（Transmit，简称TXD）与接收（Receive，简称RXD）引脚，即物理引脚编号（Physical Pin Number）8和10。这是我们通常所说的“硬件串口”。明确这一点，是后续所有配置工作的前提。

       默认配置与首要障碍：控制台服务

       全新安装的树莓派操作系统（Raspberry Pi OS）出于调试目的，默认将GPIO上的串口（迷你UART）配置为了Linux系统的控制台（console）。这意味着，任何发送到该串口的数据都会被系统内核当作命令行指令来处理，反之，系统的启动日志等信息也会从该串口输出。这一特性对于无头（headless，指无显示器）安装或内核调试极为有用，但它却独占了这个串口设备，导致用户应用程序无法正常打开和使用它。因此，使用串口进行自定义通信的第一步，通常是禁用这个控制台服务，将串口设备的所有权归还给用户空间程序。

       修改引导配置文件：核心步骤

       树莓派的启动行为由引导配置文件`/boot/config.txt`和命令行文件`/boot/cmdline.txt`共同决定。要重新配置串口，必须修改这两个文件。首先，通过命令行终端，使用超级用户权限编辑`/boot/config.txt`文件。您需要在文件末尾添加或修改几行关键指令。例如，添加`enable_uart=1`来启用UART功能；添加`dtoverlay=pi3-miniuart-bt`这一行至关重要，它的作用是将蓝牙模块切换到迷你UART，从而将性能更优的PL011 UART释放出来，分配给GPIO引脚。完成修改后保存退出。

       清理命令行参数：释放串口设备

       接下来，编辑`/boot/cmdline.txt`文件。这个文件包含了一串传递给Linux内核的启动参数。找到其中包含`console=serial0,115200`或`console=ttyAMA0,115200`的部分，将其完整地删除。请注意，这一串参数是连续的一整行，删除中间部分时需确保剩余部分仍是一个完整、有效的命令行，单词之间以空格分隔。删除该参数后，系统启动时便不再将串口绑定为控制台。完成这两个文件的修改后，重启树莓派，新的配置才会生效。

       验证串口设备节点

       重启后，我们需要确认串口设备在系统中的身份。由于之前的配置切换，设备节点名称可能发生变化。在终端中输入命令`ls /dev/ttyAMA`和`ls /dev/serial`进行查看。通常情况下，释放出来的PL011 UART对应的设备文件会是`/dev/ttyAMA0`，而蓝牙可能占用了`/dev/ttyS0`（迷你UART）。此外，`/dev/serial0`和`/dev/serial1`是系统维护的符号链接，它们会动态指向当前可用的硬件串口和迷你串口，在编程中使用这些符号链接更具可移植性。通过`sudo raspi-config`工具进入“接口选项”（Interfacing Options），选择“串口”（Serial），然后禁用登录shell功能，也是完成上述配置的图形化方法之一。

       连接硬件：引脚与电平须知

       软件配置妥当，硬件连接是下一个关键。树莓派3b的GPIO引脚中，编号8（GPIO14）是TXD（发送端），编号10（GPIO15）是RXD（接收端）。务必牢记一个黄金法则：树莓派的GPIO引脚工作电压是3.3伏特，其逻辑高电平即为3.3伏特。这意味着它绝对不能直接与使用5伏特逻辑电平的设备（如许多传统的 Arduino 开发板）连接，否则可能永久损坏树莓派的芯片。连接前，必须确认目标设备是否支持3.3伏特逻辑电平。如果不支持，则必须使用逻辑电平转换器，例如基于双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）的简单电路，或者专用的电平转换模块。

       使用Python进行串口通信

       派森（Python）因其简洁易用，成为树莓派上最流行的编程语言之一。进行串口编程，首先需要安装第三方库`pyserial`。在终端中执行`pip install pyserial`即可。安装完成后，一个简单的串口发送程序仅需几行代码：导入serial模块，使用`serial.Serial()`函数创建串口对象，指定设备路径（如`/dev/ttyAMA0`）、波特率（如9600）、数据位、停止位和奇偶校验位等参数。之后，通过`write()`方法发送字节数据，通过`read()`方法读取数据。务必注意，串口通信是字节流操作，在派森3中，发送和接收的数据都应是字节（bytes）类型，而非字符串（str）类型，通常需要使用`.encode()`和`.decode()`方法进行转换。

       使用C语言进行底层操控

       对于追求极致性能或需要精细控制的场景，C语言是更佳选择。在Linux系统中，串口设备被抽象为文件，可以使用标准的文件输入输出（Input/Output，简称I/O）操作函数进行访问。主要步骤包括：使用`open()`系统调用以读写模式打开设备文件；通过`tcgetattr()`和`tcsetattr()`函数配置串口参数结构体`termios`，精确设置波特率、数据位、校验模式、停止位以及流控制；然后使用`read()`和`write()`函数进行数据收发；最后，使用`close()`关闭设备。C语言编程能直接处理中断信号、提供更精确的超时控制，适合高波特率或复杂协议的实现。

       配置串口通信参数

       无论是使用哪种语言，正确配置串口参数是通信成功的基础。这些参数必须与连接的另一端设备完全匹配。波特率（Baud Rate）决定了数据传输的速度，常见值有9600、115200等。数据位（Data Bits）通常为8位。停止位（Stop Bits）表示一个数据包的结束，一般为1位。奇偶校验位（Parity Bit）用于简单的错误检测，可选无校验、奇校验或偶校验。此外，硬件流控制（RTS/CTS）和软件流控制（XON/XOFF）可以在数据缓冲区满时暂停传输，防止数据丢失，但在简单应用中常被禁用。

       基础调试与数据收发测试

       在编写正式程序前，建议先用简单工具验证串口通路。Linux系统自带的`screen`或`minicom`是优秀的命令行串口终端工具。例如，使用`sudo screen /dev/ttyAMA0 115200`命令，可以打开一个与指定串口的交互会话。此时，如果该串口连接了另一台电脑或设备，您在此终端中输入的内容将被发送出去，同时接收到的数据也会显示在屏幕上。这是一个极佳的初步测试方法。对于更直观的调试，可以使用带有图形界面的工具，如`putty`（需在图形界面下运行）或`cutecom`。

       处理常见问题与错误排查

       实践过程中难免遇到问题。如果程序无法打开串口设备，首先检查当前用户是否拥有访问权限，通常需要将用户加入`dialout`用户组，或使用超级用户权限运行。如果收发数据混乱或全为乱码，请首先双端核对波特率等所有参数是否一致。如果接收不到任何数据，检查硬件连接是否正确，TXD是否连接到了对方的RXD，反之亦然，并确认电平是否匹配。使用万用表测量TXD引脚在发送数据时的电压变化，是验证硬件是否工作的有效手段。

       实现与Arduino的通信实例

       树莓派与 Arduino 的搭配是创客项目中的经典组合。由于大多数 Arduino 板使用5伏特逻辑，连接时必须使用电平转换器。假设我们使用一个支持3.3伏特的 Arduino Pro Mini，则可以直接连接：树莓派的TXD（引脚8）接 Arduino 的RXD，树莓派的RXD（引脚10）接 Arduino 的TXD，两地线（GND）相连。在 Arduino 上编写简单的回环程序，接收一个字符并加一后发回。在树莓派端用派森编写脚本，发送一个数字，并等待接收返回的结果。这个简单的“乒乓测试”能验证整个通信链路的完整性。

       连接GPS模块获取位置数据

       全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）模块是串口的典型应用。许多GPS模块通过串口输出遵循国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association，简称NMEA）协议的标准数据帧。将GPS模块的TXD连接到树莓派的RXD，并共地。在树莓派上，使用派森脚本打开对应的串口，设置波特率（通常为9600或115200），然后持续读取数据。接收到的数据是文本字符串，每一行以“$”开头，包含经纬度、时间、速度等信息。通过解析特定的语句，如`$GPRMC`，即可提取出有用的位置数据，用于车载导航、数据记录等应用。

       通过串口登录与管理无头树莓派

       串口本身也是一个强大的管理工具。在无法使用网络或显示器的场景下，可以通过串口对树莓派进行完整的命令行控制。这需要保留之前步骤中删除的控制台功能。具体方法是：在`/boot/cmdline.txt`中保留`console=serial0,115200`参数，并且不添加禁用控制台的配置。然后，使用一台带串口的电脑（或通过USB转串口适配器），通过串口终端软件以115200波特率连接。树莓派启动过程中的所有日志，以及最终的登录提示符，都会显示在这个串口终端里，您可以像在本地终端一样执行命令。这是一种极其可靠的后备管理方式。

       进阶话题：多串口扩展与高速通信

       树莓派3b自带的硬件UART资源有限。当项目需要连接多个串口设备时，可以通过通用输入输出（General Purpose Input/Output，简称GPIO）软件模拟额外的串口，但会占用处理器资源且稳定性有限。更专业的做法是使用外部串口扩展芯片，如基于SC16IS752等芯片的扩展板，它们通过内部集成电路（Inter-Integrated Circuit，简称I2C）或串行外设接口（Serial Peripheral Interface，简称SPI）总线与树莓派连接，能提供多个独立、稳定的全功能串口。对于高速通信需求，确保PL011 UART的稳定时钟源、优化内核中断处理、使用直接内存访问（Direct Memory Access，简称DMA）等高级技术可以提升性能上限。

       安全考量与最佳实践

       在将串口用于实际部署项目时，安全与稳定性不容忽视。避免长期使用超级用户权限运行串口程序，应通过配置用户组权限来管理设备访问。在通信协议设计中，加入数据校验机制，如循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，简称CRC），以应对传输过程中的干扰。对于关键指令，设计应答与超时重传机制。硬件上，在信号线上串联小电阻（如220欧姆）有助于抑制信号振铃，并联适当的上拉电阻可以确保空闲状态的稳定性。良好的电源滤波能为串口通信提供干净的背景环境。

       从连接走向创造

       掌握树莓派3b的串口使用，远不止于学会修改几个配置文件或调用几个库函数。它意味着您打开了与物理世界进行直接、原始数据对话的一扇门。从读取一个温湿度传感器的数据，到控制一个工业机械臂的关节；从与上一代的单片机系统对接，到构建分布式的传感器网络，串口技术都是那块沉默而坚固的基石。希望本文详尽的梳理，能帮助您跨越最初的配置障碍，将注意力聚焦于更有趣的应用创造本身。当字节在导线中顺畅流动，想法在硬件间变为现实时，您便能深刻体会到嵌入式开发的独特魅力。