Python串口通信实战指南：深入理解pyserial库与高效数据收发289

好的，作为一名专业的程序员，我将为您撰写一篇关于“Python 获取串口数据”的优质文章，并根据内容拟定一个符合搜索习惯的标题。
---

在现代物联网、自动化控制、嵌入式开发以及科学实验等领域，串口通信（Serial Communication）扮演着举足轻重的角色。它是一种简单、稳定且广泛使用的物理接口协议，允许设备之间进行点对点的数据交换。Python凭借其简洁的语法、丰富的库生态以及卓越的跨平台能力，成为了处理串口通信的理想选择。本文将深入探讨如何使用Python中最流行且功能强大的串口通信库——`pyserial`，来实现串口数据的高效获取与发送，并提供实用的代码示例和常见问题解决方案。

串口通信基础：理解你的硬件与协议

在开始编写Python代码之前，了解串口通信的一些基本概念至关重要。


串口（Serial Port）：通常指的是UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，通过TX（发送）、RX（接收）两根线进行数据传输。在PC上，可能表现为物理的DB9接口，更多时候则是通过USB转串口模块（如CH340、CP2102、FT232等）虚拟出来的串口。


波特率（Baud Rate）：衡量数据传输速率的指标，单位是bps（bits per second）。发送方和接收方必须设置相同的波特率才能正常通信。常见的有9600、19200、38400、115200等。


数据位（Data Bits）：每帧数据中实际数据位的数量，通常为7或8位。


校验位（Parity Bit）：用于数据传输的错误检测。可选None（无校验）、Even（偶校验）、Odd（奇校验）、Mark（标记位）、Space（空格位）。最常用的是None。


停止位（Stop Bits）：每帧数据结束的标志，用于确定数据帧的结束。通常为1位或2位。


流控制（Flow Control）：用于防止数据溢出，常见的有硬件流控制（RTS/CTS）和软件流控制（XON/XOFF），在简单应用中通常禁用。

在进行串口通信时，你必须确保上述所有参数（波特率、数据位、校验位、停止位）在Python程序和外部设备之间保持一致，否则将出现乱码或无法通信。

准备工作：安装pyserial与识别串口

要使用Python进行串口通信，首先需要安装`pyserial`库。

1. 安装pyserial

打开你的终端或命令提示符，执行以下命令：
pip install pyserial

2. 识别串口号

不同的操作系统识别串口的方式有所不同：


Windows系统：串口通常命名为`COM1`, `COM2`, `COM3`等。你可以在“设备管理器”中查看到“端口（COM和LPT）”下的具体串口号。


Linux系统：串口通常命名为`/dev/ttyS0`（物理串口）或`/dev/ttyUSB0`, `/dev/ttyACM0`（USB转串口）。你可以通过`ls /dev/tty*`命令查看可用的串口设备。


macOS系统：串口通常命名为`/dev/-XXXX`或`/dev/-XXXX`。同样可以使用`ls /dev/tty.*`或`ls /dev/cu.*`来查看。

重要提示： 如果你是使用USB转串口模块，请确保已正确安装了相应的驱动程序。否则，系统将无法识别该模块，也就无法分配串口号。

你也可以在Python代码中动态地列出可用的串口，这在编写通用程序时非常有用：
import .list_ports
def list_serial_ports():
ports = ()
if not ports:
print("未找到任何串口。")
return []

print("可用串口列表:")
for port, desc, hwid in sorted(ports):
print(f"- {port}: {desc} [{hwid}]")
return [ for port in ports]
if __name__ == '__main__':
available_ports = list_serial_ports()
# 如果有串口，可以选择第一个作为示例
if available_ports:
print(f"选择第一个可用串口进行操作: {available_ports[0]}")

pyserial核心：Serial对象与基本操作

`pyserial`库的核心是`Serial`对象。通过实例化这个对象，我们可以打开、配置和操作串口。

1. 实例化Serial对象

创建`Serial`对象时，你需要传入串口名称和一系列配置参数。
import serial
import time
# 假设你的串口是COM3，波特率是9600
# 在Linux或macOS上可能是 '/dev/ttyUSB0' 或 '/dev/-XXXX'
SERIAL_PORT = 'COM3'
BAUD_RATE = 9600
try:
# 创建Serial对象
# port: 串口名称
# baudrate: 波特率
# bytesize: 数据位 (5, 6, 7, 8)
# parity: 校验位 ('N', 'E', 'O', 'M', 'S')
# stopbits: 停止位 (1, 1.5, 2)
# timeout: 读取超时时间 (秒)，None表示无限等待，0表示非阻塞
ser = (
port=SERIAL_PORT,
baudrate=BAUD_RATE,
bytesize=, # 8位数据位
parity=serial.PARITY_NONE, # 无校验
stopbits=serial.STOPBITS_ONE, # 1位停止位
timeout=1 # 读取超时时间为1秒
)
print(f"串口 {SERIAL_PORT} 以 {BAUD_RATE} 波特率打开成功。")
except as e:
print(f"打开串口失败: {e}")
except Exception as e:
print(f"发生未知错误: {e}")

注意： 建议使用`try...except `来捕获串口打开时可能出现的错误，例如串口不存在或已被占用。

2. 打开与关闭串口

`Serial`对象创建后，默认是打开状态。如果需要手动控制，可以使用`()`和`()`。
# 手动打开和关闭
if not ser.is_open:
()
print(f"串口是否打开: {ser.is_open}")
# ... 进行数据操作 ...
()
print(f"串口已关闭。串口是否打开: {ser.is_open}")

最佳实践：使用`with`语句

为了确保串口资源在使用完毕后总是被正确关闭，即使发生错误，也强烈推荐使用Python的`with`语句作为上下文管理器。
try:
with (SERIAL_PORT, BAUD_RATE, timeout=1) as ser:
print(f"串口 {SERIAL_PORT} 以 {BAUD_RATE} 波特率打开成功。")
# 在这里进行串口操作
# 当with块结束时，()会被自动调用
print("串口操作完成。")
except as e:
print(f"打开或操作串口失败: {e}")

获取串口数据：多种读取方式

`pyserial`提供了多种读取串口数据的方法，它们在行为和返回值上有所不同。所有读取方法都返回`bytes`类型的数据。

1. `read(size=1)`：读取指定字节数

这是最基础的读取方法，尝试从串口读取`size`个字节。如果设置了`timeout`，它会等待直到读取到`size`个字节或超时。
# 假设串口已通过with语句打开为ser
# 读取10个字节
received_bytes = (10)
print(f"读取到 {len(received_bytes)} 字节: {received_bytes}")
# 如果需要，可以将bytes解码为字符串
try:
received_str = ('utf-8')
print(f"解码后字符串: {received_str}")
except UnicodeDecodeError:
print("无法解码为UTF-8，可能数据格式不正确。")

2. `readline(eol=b'')`：读取一行数据

此方法会读取数据，直到遇到指定的行结束符（默认为``，即换行符）或者超时。它非常适合处理发送文本行（如传感器数据每行一个读数）的设备。
# 读取一行数据，直到遇到换行符或超时
received_line = ()
print(f"读取到一行（bytes）: {received_line}")
if received_line:
try:
# 移除行尾的换行符和回车符
decoded_line = ('utf-8').strip()
print(f"解码后一行（string）: {decoded_line}")
except UnicodeDecodeError:
print("无法解码为UTF-8。")

3. `read_until(expected=LF, size=None)`：读取直到指定字节序列

这个方法更通用，它会读取数据直到遇到`expected`指定的字节序列，或者读取了`size`个字节（如果`size`已指定），或者超时。
# 读取直到遇到字节序列 b'END'
received_data = ser.read_until(b'END')
print(f"读取到指定序列: {received_data}")

4. `in_waiting`：检查输入缓冲区是否有数据

`in_waiting`属性返回输入缓冲区中等待读取的字节数。这对于实现非阻塞的读取逻辑非常有用。
# 轮询检查是否有数据
if ser.in_waiting > 0:
data_size = ser.in_waiting
received_data = (data_size)
print(f"缓冲区有 {data_size} 字节，读取到: {('utf-8')}")
else:
print("缓冲区没有数据。")

5. 数据类型与编码解码的重要性

重点强调： 串口传输的是二进制数据流（`bytes`），Python的字符串是Unicode字符序列（`str`）。因此，从串口读取到的`bytes`数据必须经过`decode()`方法解码成`str`才能进行字符串操作；同理，要发送`str`数据，必须先通过`encode()`方法编码成`bytes`。
# 示例：解码与编码
byte_data = b'Hello, Serial!' # 从串口读取到的bytes
str_data = ('utf-8') # 解码为字符串
print(f"解码后的字符串: {str_data}")
string_to_send = "ACK" # 要发送的字符串
bytes_to_send = ('utf-8') # 编码为bytes
print(f"编码后的bytes: {bytes_to_send}")

写入串口数据：发送指令与配置

除了获取数据，我们经常需要向串口设备发送指令或配置信息。

1. `write(data)`：发送字节数据

`write()`方法用于向串口发送`bytes`类型的数据。
# 发送一个指令到串口设备
command_str = "GET_TEMP" # 假设指令是GET_TEMP，并以换行符结束
command_bytes = ('utf-8') # 编码为bytes
try:
with (SERIAL_PORT, BAUD_RATE, timeout=1) as ser:
bytes_sent = (command_bytes)
print(f"发送了 {bytes_sent} 字节: {command_bytes}")
(0.1) # 短暂等待设备响应
# 尝试读取设备的响应
response = ()
if response:
print(f"收到设备响应: {('utf-8').strip()}")
else:
print("未收到设备响应。")
except as e:
print(f"串口通信失败: {e}")

2. `flush()`：刷新输出缓冲区

`()`会等待所有待发送的数据都从输出缓冲区发送出去。在某些需要立即发送数据并等待响应的场景中可能有用，但通常在`()`或`with`语句结束时会自动处理。

完整示例：实时获取与处理传感器数据

下面是一个更全面的示例，演示如何持续从串口读取传感器数据，并进行简单的解析。
import serial
import time
import datetime
# 串口配置
SERIAL_PORT = 'COM3' # 根据你的实际情况修改
BAUD_RATE = 9600
def read_serial_data():
try:
with (SERIAL_PORT, BAUD_RATE, timeout=1) as ser:
print(f"成功连接到串口 {SERIAL_PORT} @ {BAUD_RATE} bps。")
print("正在监听数据... 按 Ctrl+C 退出。")
while True:
if ser.in_waiting > 0:
try:
# 读取一行数据，直到换行符
line = ()

# 尝试解码为UTF-8并去除首尾空白符
decoded_line = ('utf-8').strip()

timestamp = ().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

# 假设数据是逗号分隔的（例如: "TEMP:25.5,HUM:60.2"）
if "TEMP:" in decoded_line and "HUM:" in decoded_line:
parts = (',')
temperature = parts[0].split(':')[1]
humidity = parts[1].split(':')[1]
print(f"[{timestamp}] 温度: {temperature}°C, 湿度: {humidity}%")
# 在这里可以进一步处理数据，如存储到文件、数据库，或进行可视化
else:
# 如果不符合预期格式，直接打印原始数据
print(f"[{timestamp}] 原始数据: {decoded_line}")
except UnicodeDecodeError:
print(f"[{timestamp}] 收到无法解码的字节串: {line}")
except IndexError:
print(f"[{timestamp}] 数据格式错误，无法解析: {decoded_line}")
except Exception as e:
print(f"[{timestamp}] 处理数据时发生未知错误: {e}")

(0.01) # 短暂延时，避免CPU占用过高

except as e:
print(f"串口错误: {e}")
print("请检查串口是否连接正确、驱动是否安装、串口号和波特率是否匹配，以及是否有其他程序占用串口。")
except KeyboardInterrupt:
print("程序被用户中断。")
except Exception as e:
print(f"发生未知错误: {e}")
if __name__ == '__main__':
read_serial_data()

进阶话题与最佳实践

1. 非阻塞读取与多线程/异步

在上述示例中，`()`在没有数据时会阻塞`timeout`秒。对于需要同时进行其他操作（如UI更新、网络通信）的应用程序，这种阻塞行为是不可接受的。

解决方案：


零超时轮询：将`timeout`设置为0，然后在一个循环中反复检查`ser.in_waiting`，如果大于0则读取。这会消耗较高的CPU。


多线程：创建一个单独的线程负责串口数据的读取。主线程可以处理其他任务，通过线程安全的队列（如``）来传递串口数据。这是最常用的解决方案。


异步I/O（asyncio）：对于更复杂的并发场景，可以使用Python的`asyncio`配合`pyserial-asyncio`库实现非阻塞的异步串口通信。

2. 数据完整性校验

在关键应用中，仅依靠波特率匹配可能不足以保证数据的准确性。可以通过添加校验码来提高数据传输的可靠性，例如：


和校验（Checksum）：将数据字节相加，取低位作为校验码。


CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验，提供更强的错误检测能力。

3. 日志记录与数据存储

对于长时间运行的系统，将串口接收到的数据记录到日志文件（`.log`）或存储到结构化文件（`.csv`, `.json`）中是最佳实践，便于后续分析和故障排查。

4. 虚拟串口用于测试

在没有实际硬件设备时，可以使用虚拟串口工具进行开发和测试。


Windows：`com0com`可以创建成对的虚拟串口（例如COM5和COM6），你将数据写入COM5，就可以从COM6读取到。


Linux/macOS：`socat`是一个强大的工具，可以创建虚拟串口。例如：`socat -d -d pty,raw,echo=0 pty,raw,echo=0` 会创建两个虚拟串口，并将它们连接起来。

常见问题与解决方案

`SerialException: [Errno 13] Permission denied` (Linux)：

这是Linux下常见的权限问题。你需要将当前用户添加到`dialout`组中，该组拥有访问串口的权限。执行命令：`sudo usermod -a -G dialout $USER`，然后注销并重新登录。

`SerialException: [Errno 2] No such file or directory` 或 `could not open port 'COMX': No such file or directory`：

串口号不正确或串口不存在。检查设备管理器（Windows）或`ls /dev/tty*`（Linux/macOS）确认正确的串口名称。

数据乱码或不完整：

最常见的原因是波特率、数据位、校验位、停止位设置不匹配。务必与外部设备的配置保持一致。此外，`decode()`时使用的编码格式（如`utf-8`）也要与设备发送的编码匹配。

USB转串口驱动问题：

某些USB转串口芯片（如CH340、CP2102、FT232）需要安装特定的驱动程序才能被操作系统正确识别。请访问芯片制造商或模块供应商的网站下载并安装最新驱动。

串口被占用：

一次只能有一个程序访问同一个物理串口。确保没有其他串口调试助手、IDE（如Arduino IDE）或其他Python脚本正在使用该串口。

Python结合`pyserial`库为串口通信提供了强大而灵活的解决方案。从基础的参数配置、数据的读取与写入，到处理编码解码、异常情况，再到更复杂的非阻塞模式和数据校验，`pyserial`都能胜任。通过本文的详细讲解和实例，相信您已经掌握了使用Python获取串口数据的核心技能。现在，是时候将这些知识应用到您的实际项目中，探索物联网和自动化世界的无限可能了！记住，实践是检验真理的唯一标准，多动手尝试，您将越来越熟练。
---

2025-10-12

---

上一篇：Python字符串提取终极指南：从基础方法到正则表达式的全面解析

下一篇：Python 实现 TS 视频文件高效合并：从 HLS 下载到完整视频重构指南