4、串口通信基础：RS232/RS485物理层、串口参数、Python serial库实战

各位同学，今天我们来聊聊串口通信。说实话，串口通信在工业现场的地位，就像螺丝刀在工具箱里一样——看着不起眼，但真干活的时候离不开它。我做了十几年自动化，调试过的设备没有一千也有八百，其中至少七成都是通过串口连起来的。

这一章，我会带大家把串口通信的底裤扒干净。从物理层的RS232和RS485，到那些让人头疼的波特率、数据位、校验位，最后再用Python的serial库撸一遍实战。嗯，咱们开始吧。

4.1 物理层：RS232 vs RS485，到底选哪个？

先问大家一个问题：你见过那种9针的串口接头吗？那就是RS232的典型接口。RS232是早期PC的标准配置，传输距离也就15米左右，而且只能点对点通信——说白了，一台设备只能跟另一台设备聊。

我个人习惯，在实验室或者短距离调试时用RS232。但到了工厂现场，我几乎只用RS485。为什么？

• 传输距离：RS232最多15米，RS485能到1200米。我在一个化工厂的项目里，PLC在控制室，传感器在车间另一头，距离少说500米。用RS232？想都别想。
• 多设备组网：RS485支持一主多从，最多能挂256个设备。我记得有个污水处理项目，一台上位机要同时采集30多个仪表的数据，用RS485一条总线就搞定了。
• 抗干扰能力：RS485是差分信号传输，说白了就是两根线拧在一起，外界干扰来了，两根线上受到的干扰差不多，一减就抵消了。我在电机变频器旁边走过RS485线，照样稳定通信。

4.2 串口参数：波特率、数据位、校验位

串口通信就像两个人打电话，得约定好用什么语言、多快语速、怎么确认听没听清。这些约定就是串口参数。

4.2.1 波特率

波特率就是每秒传输的比特数。常见的值有9600、19200、115200等。我刚开始做项目时，总想着越快越好，直接上115200。结果呢？线长了点，干扰大了点，数据全是乱码。

后来我学乖了：短距离、干扰小，用115200；长距离、干扰大，老老实实用9600。PLC和上位机通信，9600是最稳妥的选择，虽然慢点，但稳定啊。

4.2.2 数据位

数据位就是一次传输多少个比特的数据。常见的有7位和8位。现在绝大多数设备都用8位，因为一个字节就是8位，方便。7位主要是老式设备或者传输ASCII字符时用。

我建议：默认选8位，除非你明确知道对方设备要求7位。我在一个老款温控器上吃过亏，它只支持7位数据，我设成8位，折腾了半天才发现问题。

4.2.3 校验位

校验位用来检测数据传输过程中有没有出错。常见的有三种：

• 无校验（N）：不校验，速度快，但容易出错。适合短距离、干扰小的场景。
• 奇校验（O）：保证数据中1的个数为奇数。如果接收端发现1的个数是偶数，就知道出错了。
• 偶校验（E）：保证数据中1的个数为偶数。

我曾经在一个项目里，PLC和变频器通信，数据偶尔会跳变。查了半天，发现是校验位没设对。PLC设的是偶校验，变频器设的是无校验。嗯，这种低级错误，犯过一次就记住了。

4.3 Python serial库实战

理论说完了，咱们来点实际的。Python的serial库是操作串口的利器，我几乎每个项目都用它。

4.3.1 安装

pip install pyserial

就这么简单。注意，库名叫pyserial，但导入时用import serial。

4.3.2 打开串口

import serial

# 打开串口
ser = serial.Serial(
    port='COM3',        # Windows下用COM口，Linux下用/dev/ttyUSB0
    baudrate=9600,      # 波特率
    bytesize=8,         # 数据位
    parity='E',         # 校验位：'N'无校验，'E'偶校验，'O'奇校验
    stopbits=1,         # 停止位
    timeout=1           # 超时时间，单位秒
)

# 检查是否打开成功
if ser.is_open:
    print(f"串口 {ser.port} 打开成功")

这里要注意，timeout一定要设。我见过有人不设timeout，结果程序卡死在读取那里，整个上位机都假死了。设个1秒，够用了。

4.3.3 发送和接收数据

# 发送数据
data_to_send = b'\x01\x03\x00\x00\x00\x01'  # Modbus读保持寄存器指令
ser.write(data_to_send)

# 接收数据
response = ser.read(8)  # 读取8个字节
print(f"接收到的数据: {response.hex()}")

# 或者用read_until，读到指定字节为止
response = ser.read_until(b'\x0A')  # 读到换行符为止

我个人习惯用read()指定字节数，因为Modbus协议的数据长度是固定的，这样最可靠。用read_until()适合那些以特定字符结尾的协议，比如一些ASCII协议。

4.3.4 完整示例：读取PLC数据

下面是一个完整的例子，读取PLC的保持寄存器地址0的数据：

import serial
import time

def read_plc_register(ser, slave_id, register_addr):
    """
    读取PLC保持寄存器
    :param ser: 串口对象
    :param slave_id: 从站地址
    :param register_addr: 寄存器地址
    :return: 寄存器值
    """
    # 构建Modbus RTU读保持寄存器指令
    # 功能码03：读保持寄存器
    cmd = bytearray()
    cmd.append(slave_id)        # 从站地址
    cmd.append(0x03)            # 功能码
    cmd.append((register_addr >> 8) & 0xFF)  # 寄存器地址高字节
    cmd.append(register_addr & 0xFF)         # 寄存器地址低字节
    cmd.append(0x00)            # 读取数量高字节
    cmd.append(0x01)            # 读取数量低字节（读1个寄存器）
    
    # 计算CRC校验（这里简化处理，实际项目中要用CRC库）
    # 为了演示，我们假设CRC正确
    cmd.append(0x00)  # CRC低字节
    cmd.append(0x00)  # CRC高字节
    
    # 发送指令
    ser.write(cmd)
    time.sleep(0.1)  # 等待PLC响应
    
    # 读取响应（8个字节：地址+功能码+数据长度+数据+CRC）
    response = ser.read(8)
    
    if len(response) >= 5:
        # 提取数据（第3和第4个字节）
        value = (response[3] << 8) | response[4]
        return value
    else:
        return None

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    ser = serial.Serial(
        port='COM3',
        baudrate=9600,
        bytesize=8,
        parity='E',
        stopbits=1,
        timeout=1
    )
    
    if ser.is_open:
        value = read_plc_register(ser, 1, 0)
        if value is not None:
            print(f"寄存器值: {value}")
        else:
            print("读取失败，请检查连接")
        
        ser.close()

4.4 本章知识体系

下面这张图，把本章的核心内容串起来了。你可以把它当作一个快速参考：

4.5 本章小结

串口通信看着简单，但坑不少。我总结几个要点：

• 物理层选型：短距离用RS232，长距离用RS485。别搞反了。
• 参数匹配：通信双方的波特率、数据位、校验位、停止位必须完全一致。差一点都不行。
• 代码实现：Python serial库用起来很简单，但别忘了设timeout，别忘了加延时。
• 调试技巧：先用串口调试助手（比如SSCOM）手动发指令，确认设备能正常响应，再写代码。这样能快速定位问题是出在硬件还是软件。

好了，这一章就到这里。下一章我们会用这些知识，真正开始和PLC通信。到时候，你会发现自己已经能搞定大部分串口问题了。

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