Python 从零构建简易串口上位机软件

这里的 timeout=1 很关键——避免读取时无限等待导致卡死。配合非阻塞读取方式，在 GUI 中才能保持流畅。

再加个读数据的函数：

def read_from_serial(ser):
    if ser.in_waiting > 0:
        data = ser.readline().decode('utf-8').strip()
        return data
    return None

readline() 会一直等到收到换行符 才返回一整行数据，适合处理类似 OK\n、DATA: 123\n 这样的文本协议。

✅ 小贴士：上下位机务必保证 波特率完全一致！否则看到的就是乱码，比如 æijÿ。

第二步：做个像样的操作面板 —— 用 PyQt5 写界面

Tkinter 虽然是 Python 自带的 GUI 库，但长得像 90 年代的程序。我们要的是现代感，所以选 PyQt5 —— 功能强、控件多、支持样式美化，最重要的是，社区资源丰富。

安装很简单：

pip install pyqt5 pyserial

现在我们来搭一个基本界面：包含串口选择框、连接按钮、日志显示区和发送测试数据的功能。

import sys
from PyQt5.QtWidgets import (
    QApplication, QWidget, QVBoxLayout, QHBoxLayout,
    QPushButton, QTextEdit, QLabel, QComboBox, QMessageBox
)
from PyQt5.QtCore import QTimer

主窗口类如下：

class SerialMonitor(QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.serial_port = None
        self.init_ui()
        self.create_timer()

界面布局分三部分：

1. 顶部：串口下拉菜单 + 刷新/连接按钮
2. 中部：接收数据显示区域（只读文本框）
3. 底部：功能按钮（发送、清空）

def init_ui(self):
    self.setWindowTitle("简易上位机软件")
    self.resize(600, 400)
    layout = QVBoxLayout()
    
    # 串口选择行
    hlayout1 = QHBoxLayout()
    self.port_combo = QComboBox()
    self.refresh_btn = QPushButton("刷新")
    self.connect_btn = QPushButton("连接")
    hlayout1.addWidget(QLabel("串口:"))
    hlayout1.addWidget(self.port_combo)
    hlayout1.addWidget(self.refresh_btn)
    hlayout1.addWidget(self.connect_btn)
    
    # 日志显示区
    self.log_area = QTextEdit()
    self.log_area.setReadOnly(True)
    
    # 控制按钮
    send_btn = QPushButton("发送测试数据")
    clear_btn = QPushButton("清空日志")
    
    # 组装主布局
    layout.addLayout(hlayout1)
    layout.addWidget(QLabel("接收到的数据:"))
    layout.addWidget(self.log_area)
    layout.addWidget(send_btn)
    layout.addWidget(clear_btn)
    self.setLayout(layout)

事件绑定也很直观：

self.refresh_btn.clicked.connect(self.refresh_ports)
self.connect_btn.clicked.connect(self.toggle_connection)
send_btn.clicked.connect(lambda: self.send_data("Hello MCU!\n"))
clear_btn.clicked.connect(self.log_area.clear)
self.refresh_ports()  # 启动时自动扫描

其中 refresh_ports() 会调用前面写的 find_available_ports() 并更新下拉框内容：

def refresh_ports(self):
    self.port_combo.clear()
    ports = find_available_ports()
    if ports:
        self.port_combo.addItems(ports)
    else:
        self.port_combo.addItem("无可用串口")

点击'连接'时尝试打开串口，并启动轮询机制：

def toggle_connection(self):
    if self.serial_port is None:
        port = self.port_combo.currentText()
        if "无可用串口" in port:
            QMessageBox.warning(self, "错误", "未检测到可用串口！")
            return
        self.serial_port = open_serial(port)
        if self.serial_port:
            self.connect_btn.setText("断开")
            self.timer.start(100)  # 每 100ms 检查一次数据
        else:
            self.timer.stop()
            self.serial_port.close()
            self.serial_port = None
            self.connect_btn.setText("连接")

定时器用于定期读取串口数据：

def create_timer(self):
    self.timer = QTimer(self)
    self.timer.timeout.connect(self.update_data)

def update_data(self):
    data = read_from_serial(self.serial_port)
    if data:
        self.log_area.append(f"← {data}")

发送数据也很简单：

def send_data(self, content):
    if self.serial_port and self.serial_port.is_open:
        self.serial_port.write(content.encode())
        self.log_area.append(f"→ {content.strip()}")
    else:
        QMessageBox.warning(self, "警告", "请先建立串口连接！")

运行效果已经很不错了：你可以看到来自 MCU 的数据以'←'开头，自己发出的以'→'标记，清晰明了。

第三步：解决最大痛点 —— 界面卡顿怎么办？

上面的代码有个隐患：如果串口 readline() 等太久，哪怕只是半秒钟，整个界面都会冻结！这是因为我们在主线程里直接读串口，而 GUI 主线程一旦被占用，就不能响应鼠标点击、窗口拖动等操作。

解决办法只有一个：把串口读取放到子线程里去。

Python 的 threading 模块可以轻松创建后台线程，再配合 queue.Queue 实现线程间安全通信。

先定义一个工作线程类：

import threading
import queue

class SerialThread(threading.Thread):
    def __init__(self, serial_instance, data_queue):
        super().__init__()
        self.serial = serial_instance
        self.queue = data_queue
        self.running = True

    def run(self):
        while self.running and self.serial.is_open:
            data = read_from_serial(self.serial)
            if data:
                self.queue.put(('recv', data))  # 加个类型标签更安全

    def stop(self):
        self.running = False

然后修改主类中的连接逻辑：

def toggle_connection(self):
    if self.serial_port is None:
        port = self.port_combo.currentText()
        if "无可用串口" in port:
            QMessageBox.warning(self, "错误", "未检测到可用串口！")
            return
        self.serial_port = open_serial(port)
        if self.serial_port:
            self.data_queue = queue.Queue()
            self.worker = SerialThread(self.serial_port, self.data_queue)
            self.worker.start()
            self.timer.start(100)  # 定时从队列取数据
            self.connect_btn.setText("断开")
        else:
            self.timer.stop()
            if hasattr(self, 'worker'):
                self.worker.stop()
                self.worker.join(timeout=1)  # 安全退出线程
            self.serial_port.close()
            self.serial_port = None
            self.connect_btn.setText("连接")

最关键的变化在 update_data 函数：

def update_data(self):
    while not self.data_queue.empty():
        try:
            msg_type, data = self.data_queue.get_nowait()
            if msg_type == 'recv':
                self.log_area.append(f"← {data}")
        except queue.Empty:
            break

这样，串口读取由独立线程完成，主线程只负责从队列拿数据并更新 UI，两者互不干扰，界面丝滑如初。

⚠️ 牢记原则：永远不要在子线程中直接调用 PyQt 控件的方法（比如 .setText()），否则可能导致崩溃。一定要通过队列或信号槽传递数据。

整体架构一览：各司其职，协同运作

现在回头看整个系统的结构，层次分明：

[用户操作] ↓ [PyQt5 GUI 界面] ←→ [事件处理器] ↑ ↓ [QTimer 定时器] → [Queue 数据队列] ↓ [SerialThread 子线程] ↓ [pyserial 物理层] ↓ [STM32/Arduino 硬件]

每一层都有明确职责：

• GUI 层：展示信息、接收输入；
• 逻辑层：管理状态、调度动作；
• 通信层：专注数据收发，隔离耗时操作；
• 数据通道：Queue 作为'安全管道'，防止并发冲突。

这套模型不仅稳定，还极具扩展性。

实战之外的思考：为什么这个方案值得掌握？

1. 新手友好，门槛极低

你不需要懂操作系统原理，也不必研究消息循环机制。几个核心概念讲清楚后，剩下的就是'照葫芦画瓢'。很多学生第一次做出自己的上位机时，那种成就感是难以替代的。更重要的是，他们从此理解了'软硬协同'的真实含义。

2. 可持续演进的设计思路

你现在做的只是一个最简版本，但它留足了升级空间：想加绘图？集成 matplotlib 或 pyqtgraph 即可；想导出数据？加上文件保存对话框就行；想支持 Modbus？引入 pymodbus 库解析协议包；想远程访问？包装成 Web 服务也不是难事。起点虽小，未来可期。

3. 工程师的新技能拼图

越来越多电子工程师发现，只会画 PCB、调 ADC 已经不够用了。项目需要快速验证原型，需要可视化结果，需要交付'看起来专业'的工具。Python 正好充当了'胶水语言'的角色：前端美观、后端灵活、还能对接数据库、网络接口、AI 模型。掌握这类能力，会让你在团队中脱颖而出。

最后一点建议：动手才是唯一的捷径

你看再多教程，不如亲手运行一遍这段代码。试试把它连上你的 Arduino，发几条 Hello，再让单片机回一句 I'm alive!。当那行绿色文字出现在你写的界面上时，你就已经跨过了最难的那道坎。

后面的事都不难：加个进度条、换个主题色、接入多个串口……每一步都是成长。技术的魅力，从来不在纸上谈兵，而在指尖跃动的那一刻。