全網最適合入門的面向對象編程教程:04 類和對象的 Python 實現-為自定義類添加方法(PySerial 庫接收串口數據)

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本文我們主要講解瞭如何為自定義類添加方法,pyseria 庫的基本使用(串口數據收發、serial.Serial 類的屬性和方法),VSPDPro 虛擬串口軟體使用方法等,並使用自定義的串口類和 PC 主機進行串口數據收發。 ...


全網最適合入門的面向對象編程教程:04 類和對象的 Python 實現-為自定義類添加方法(PySerial 庫接收串口數據)

摘要:

本文我們主要講解瞭如何為自定義類添加方法,pyseria 庫的基本使用(串口數據收發、serial.Serial 類的屬性和方法),VSPDPro 虛擬串口軟體使用方法等,並使用自定義的串口類和 PC 主機進行串口數據收發。

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文檔和代碼獲取

可訪問如下鏈接進行對文檔下載:

https://github.com/leezisheng/Doc

image

本文檔主要介紹如何使用 Python 進行面向對象編程,需要讀者對 Python 語法和單片機開發具有基本瞭解。相比其他講解 Python 面向對象編程的博客或書籍而言,本文檔更加詳細、側重於嵌入式上位機應用,以上位機和下位機的常見串口數據收發、數據處理、動態圖繪製等為應用實例,同時使用 Sourcetrail 代碼軟體對代碼進行可視化閱讀便於讀者理解。

相關示例代碼獲取鏈接如下:https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo

正文

可以看到上一小節,我們為 SerialClass 類添加了串口設備名、波特率、數據位等串口相關的屬性,但是註意到面向對象編程的重點在於不同對象之間的交互。我們感興趣的是,觸發某些行為可以使屬性發生變化或與外界產生交互。在類中定義函數就相當於定義類的方法,回想一下我們在單片機上使用串口時往往進行打開串口、發送數據、接收數據和關閉串口等操作,在 PC 端串口操作與單片機上類似。這裡我們先為類添加方法,具體實現先省略,代碼如下:

class SerialClass:

    _# 註意:特殊方法“__init__”前後分別有兩個下劃線!!!_
    def __init__(self,port,baudrate,bytesize,parity,stopbits):
        self.devport        = port
        self.devbaudrate    = baudrate
        self.devbytesize    = bytesize
        self.devparity      = parity
        self.devstopbits    = stopbits

    _# 打開串口_
    def OpenSerial(self):
        _# __TODO:__打開串口方法待完成_
        pass

    _# 關閉串口_
    def CloseSerial(self):
        _# __TODO:__打開串口方法待完成_
        pass

    _# 串口讀取_
    def ReadSerial(self):
        _# __TODO:__串口讀取方法待完成_
        pass

    _# 串口寫入_
    def WriteSerial(self):
        _# __TODO:__串口寫入方法待完成_
        pass

這時,我們可以利用 dir(obj)方法獲得類的對象實例的所有屬性和方法名,dir(obj)返回一個 list。我們使用 for 迴圈列印,代碼如下:

_# serdev是SerialClass類的一個實例化對象_
for item in dir(serdev):
    print(item)

image

可以看到,我們已經給串口類添加了具體方法,這裡,你可能會問,那這些方法具體該怎麼實現呢?難道說要我們調操作系統的驅動函數讀取串口、造輪子對數據解析?當然不可能,Python 強大的第三方庫什麼都有,這不,它來了:

pyserial,一個實用的串口通信 python 庫

pySerial 是 Python 中用於操作串口的第三方模塊,它支持 Windows、Linux、OSX、BSD 等多個平臺。如果要使用 pySerial 模塊,首先必須保證 Python 版本高於 Python 2.7 或者 Python 3.4。另外,如果你是用的是 Windows 系統,那必須使用 Win7 及以上的版本。

pySerial 的安裝很簡單,只需要執行一條命令:pip install pyserial。安裝完成後,只需要在 Python 代碼中使用** import serial **語句導入該模塊即可。

pySerial 中主要的類就是 class serial.Serial,官方文檔說明如下:

image

常用參數含義如下:

參數名稱 含義
port 定義設備名稱
baudrate 波特率:波特率是指串口通信中每秒鐘傳輸的符號數,單位是波特(baud)。它決定了數據傳輸的速度和效率。在串口通信中,收發雙方必須使用相同的波特率才能正常通信。典型值為:9600, 19200, 38400, 57600, 115200。
bytesize 數據位:數據位是指在每個數據包中傳輸的實際數據位數。它表示每個數據包中攜帶的有效信息量。常見的數據位長度有 5 位、7 位和 8 位。典型值為: FIVEBITS, SIXBITS, SEVENBITS, EIGHTBITS。
parity 設置校驗位,奇偶校驗是一種錯誤檢測方式,用於檢查數據傳輸過程中是否出現錯誤,可選擇偶校驗或奇校驗。典型值為:PARITY_NONE, PARITY_EVEN, PARITY_ODD PARITY_MARK, PARITY_SPACE。
stopbits 停止位是指在數據包的末尾添加的一個額外的位,用於標識一個數據包的結束。停止位的長度可以是 1 位、1.5 位或 2 位。典型值為: STOPBITS_ONE, STOPBITS_ONE_POINT_FIVE, STOPBITS_TWO。
timeout 設置讀取超時值(以秒為單位):可選參數為-0、None、x。
write_timeout 設置寫入超時值(以秒為單位):可選參數為-0、None、x。timeout = None:永遠等待/直到收到請求的位元組數。timeout = 0:非阻塞模式,任何情況下立即返回,返回零個或多個,最多可達請求的位元組數。

serial.Serial 類常用方法如下:

方法名稱 作用
serial.open() 打開串口
serial.close() 關閉串口
serial.isOpen() 判斷串口是否打開
serial.write(data) 寫串口數據 data
serial.read(size) 讀串口 size 個數據
serial.flushInput() 清除輸入緩衝區數據
serial.flushOutput() 中止當前輸出並清除輸出緩衝區數據
serial.inWaiting() 判斷當前接收的數據
serial.readline() 讀一行數據,以/n 結束,要是沒有/n 就一直讀,阻塞

接下來看我們的示例代碼:

class SerialClass:
    def __init__(self,devport,devbaudrate,devbytesize,devparity,devstopbits):
        _# 直接傳入serial.Serial()類_
        self.dev             = serial.Serial()
        self.dev.port        = devport
        self.dev.baudrate    = devbaudrate
        self.dev.bytesize    = devbytesize
        self.dev.parity      = devparity
        self.dev.stopbits    = devstopbits

    def OpenSerial(self):
        self.dev.open()

    def CloseSerial(self):
        self.dev.close()

    def ReadSerial(self):
        _# 非阻塞方式按行讀取_
        data = self.dev.readline()
        _# 收到為二進位數據,用utf-8編碼將二進位數據解碼為unicode字元串_
        _# 字元串轉為int類型_
        data = int(data.decode('utf-8', 'replace'))
        return data

    def WriteSerial(self,write_data):
        _# 非阻塞方式寫入_
        self.dev.write(write_data.encode())
        _# write的輸入參數必須是bytes 格式,_
        _# 字元串數據需要encode()函數將其編碼為二進位數據_
        _# \r\n表示換行回車_
        self.dev.write('\r\n'.encode())

這裡可以看到,為方便講解,我們直接調用 pyserial 庫中函數完成串口的打開關閉和讀寫等功能:

  • 在初始化函數中,我們定義 self.dev 屬性為串口設備,用其接收串口對象,相當於 self.dev 就是 serial.Serial 類的實例對象,其後用其他入參給 self.dev 設置串口通信參數,完成串口設備對象的創建;
  • 在打開串口和關閉串口函數中,我們使用 self.dev.open()、self.dev.close()語句,相當於直接調用 serial.open()和 serial.close()方法;
  • 重點就在收發函數中,需要特別註意的有兩點:

① 串口接收到的是二進位數據,如果接收到的 data 全是英文,就需要用 utf-8 編碼將二進位數據解碼為 unicode 字元串。如果 data 里包含中文,則最好以 gb18030 編碼將二進位數據解碼為 unicode 字元串。同時,有時候由於帶中文,或者由於串口的傳輸線纜出現接觸不良等原因,會產生錯誤或者亂碼,如果直接解碼,就會報錯,為了能夠順暢的解碼串口列印,避免這種情況發送,decode 的參數裡加上“replace”即可。它實現的作用是,如果解碼的過程中遇到錯誤,會自動以問號?代替解碼失敗的字元。

② 在串口發送中,pyserial 的文檔註明瞭,write 的輸入參數必須是 bytes 格式的(也就是二進位數據),python3 里對字元串和二進位數據流有明確的區分,文本總是 unicode 編碼儲存的,由 str 類型表示。二進位數據則由 bytes 類型表示,所以字元串數據需要 encode()函數將其編碼為二進位數據,然後才可以順利發送

串口類的方法已然寫好,接下來如果進行測試呢?我們需要買一個單片機和 usb 轉 ttl 模塊連接電腦,進行串口類的方法測試?(當然不是,開個玩笑)

在寫與單片機通信的上位機軟體時,如果使用單片機的串口來實際調試,那麼我們至少還需要一個 USB 轉串口,這樣才能讓單片機和電腦串口通訊,接著我們還需要在單片機上運行程式和串口相關的程式,以便我們知道數據傳輸的狀態,這無疑加大的開發的難度。這裡,我們使用虛擬串口軟體即可,虛擬串口軟體是一種模擬物理串列介面的軟體,它完全複製了硬體 COM 介面的功能,並且將被操作系統和串列應用程式識別為真實埠。現實生活中,虛擬串口用處很多。比如:你的應用程式檢測串列輸入數據的時候,方便調試。還比如:多個有應用程式之間使用串口通信。

這裡我們使用 VSPDProv6.9 軟體,創建虛擬串口,軟體下載安裝教程點擊鏈接:https://www.xue51.com/soft/9349.html

image

這裡我們創建兩個相互連接的串口 com11 和 com17,虛擬的串口需要成對創建,來指明他們的連接關係,就好比各種連接線的公投和母頭一樣。我們建立好虛擬串口連接以後,就可以使用它們來通訊了,我們可以選擇任意一個串口助手軟體來與我們寫的 python 串口類進行通信。這裡,我們選擇 xcom 軟體進行測試,xcom 軟體的安裝下載教程可以點擊鏈接: https://blog.csdn.net/qq_41573860/article/details/103796913

打開 xcom 軟體,我們先進行相關串口參數的配置,具體如下圖所示:

image

此時,我們在 Python 程式中,創建串口設備實例,連接 com17,代碼如下:

_# 生成串口類的實例_
serdev = SerialClass(devport     = "COM17",
                     devbaudrate = 115200,
                     devbytesize = serial.EIGHTBITS,    _# 數據位長度為8位_
                     devparity   = serial.PARITY_NONE,  _# 無奇偶校驗_
                     devstopbits = serial.STOPBITS_ONE  _# 1位停止位_
                    )

我們首先嘗試使用 Python 完成串口發送功能,這裡我們定義了一個 count 計數變數,初始值為 0,每次發送完成後遞增,迴圈 100 次後關閉串口,代碼如下:

serdev.OpenSerial()
count = 0
while True:
    # 必須使用全局變數,不然每次迴圈都是一個新的count
    # 關於原因可以自行查看變數的生存期和作用域相關知識點
    count = count + 1
    serdev.WriteSerial(str(count))
    if(count == 100):
        break
serdev.CloseSerial()
print("device close")

運行結果如下:
image

接下來,我們嘗試使用 Python 完成串口接收功能,我們在 xcom 中定時發送,在 Python 中輪詢接收並列印接收的數據,這裡我們導入 time 庫,列印接收時間。time 庫是 Python 中處理時間的標準庫,是最基礎的時間處理庫。time 庫主要用於計時和獲取系統時間,time.ctime()函數用於獲取當前世界統一時間,形式為“星期-月份-當月號-時-分-秒-年份”

示例代碼和配置如下:

import time
while True:
    data = serdev.ReadSerial()
    print("serdev recieve %d"%data)
    print("recieve time:"+str(time.ctime()))

image

運行結果如下:

image

image


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