Đọc từ và ghi vào cổng nối tiếp

Web Serial API cho phép các trang web giao tiếp với thiết bị nối tiếp.

François Beaufort

Web Serial API là gì?

Cổng nối tiếp là một giao diện giao tiếp hai chiều cho phép gửi và nhận dữ liệu theo byte.

Web Serial API cung cấp một cách để các trang web đọc và ghi vào thiết bị nối tiếp bằng JavaScript. Các thiết bị nối tiếp được kết nối thông qua một cổng nối tiếp trên hệ thống của người dùng hoặc qua các thiết bị Bluetooth và USB có thể tháo rời mô phỏng một cổng nối tiếp.

Nói cách khác, Web Serial API là cầu nối giữa web và thế giới thực bằng cách cho phép các trang web giao tiếp với các thiết bị nối tiếp, chẳng hạn như bộ vi điều khiển và máy in 3D.

API này cũng là một công cụ đồng hành tuyệt vời cho WebUSB vì các hệ điều hành yêu cầu ứng dụng giao tiếp với một số cổng nối tiếp bằng API nối tiếp cấp cao hơn thay vì API USB cấp thấp.

Các trường hợp sử dụng được đề xuất

Trong các ngành giáo dục, nghiệp dư và công nghiệp, người dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Các thiết bị này thường được điều khiển bằng bộ vi điều khiển thông qua kết nối nối tiếp do phần mềm tuỳ chỉnh sử dụng. Một số phần mềm tùy chỉnh để điều khiển các thiết bị này được xây dựng bằng công nghệ web:

• Arduino Create
• Betaflight Configurator
• Espruino Web IDE
• Microsoft MakeCode

Trong một số trường hợp, các trang web giao tiếp với thiết bị thông qua một ứng dụng tác nhân mà người dùng đã cài đặt theo cách thủ công. Trong các trường hợp khác, ứng dụng được phân phối trong một ứng dụng đóng gói thông qua một khung như Electron. Còn trong một số trường hợp khác, người dùng phải thực hiện thêm một bước như sao chép ứng dụng đã biên dịch vào thiết bị thông qua ổ đĩa flash USB.

Trong tất cả các trường hợp này, trải nghiệm người dùng sẽ được cải thiện bằng cách cung cấp hoạt động giao tiếp trực tiếp giữa trang web và thiết bị mà trang web đang kiểm soát.

Trạng thái hiện tại

Sử dụng Web Serial API

Phát hiện tính năng

Để kiểm tra xem Web Serial API có được hỗ trợ hay không, hãy sử dụng:

if ("serial" in navigator) {
  // The Web Serial API is supported.
}

Mở cổng nối tiếp

Theo thiết kế, Web Serial API là không đồng bộ. Điều này giúp giao diện người dùng của trang web không bị chặn khi chờ dữ liệu đầu vào. Điều này rất quan trọng vì dữ liệu nối tiếp có thể được nhận bất cứ lúc nào, đòi hỏi phải có cách để nghe dữ liệu đó.

Để mở cổng nối tiếp, trước tiên, hãy truy cập vào đối tượng SerialPort. Để thực hiện việc này, bạn có thể nhắc người dùng chọn một cổng nối tiếp bằng cách gọi navigator.serial.requestPort() để phản hồi một cử chỉ của người dùng như chạm hoặc nhấp chuột, hoặc chọn một cổng trong navigator.serial.getPorts(). Thao tác này sẽ trả về danh sách các cổng nối tiếp mà trang web đã được cấp quyền truy cập.

document.querySelector('button').addEventListener('click', async () => {
  // Prompt user to select any serial port.
  const port = await navigator.serial.requestPort();
});

// Get all serial ports the user has previously granted the website access to.
const ports = await navigator.serial.getPorts();

Hàm navigator.serial.requestPort() nhận một giá trị cố định đối tượng không bắt buộc xác định bộ lọc. Các giá trị này được dùng để so khớp mọi thiết bị nối tiếp được kết nối qua USB với một nhà cung cấp USB bắt buộc (usbVendorId) và giá trị nhận dạng sản phẩm USB không bắt buộc (usbProductId).

// Filter on devices with the Arduino Uno USB Vendor/Product IDs.
const filters = [
  { usbVendorId: 0x2341, usbProductId: 0x0043 },
  { usbVendorId: 0x2341, usbProductId: 0x0001 }
];

// Prompt user to select an Arduino Uno device.
const port = await navigator.serial.requestPort({ filters });

const { usbProductId, usbVendorId } = port.getInfo();

Việc gọi requestPort() sẽ nhắc người dùng chọn một thiết bị và trả về một đối tượng SerialPort. Sau khi bạn có đối tượng SerialPort, việc gọi port.open() với tốc độ truyền dữ liệu mong muốn sẽ mở cổng nối tiếp. Thành phần từ điển baudRate chỉ định tốc độ gửi dữ liệu qua một dòng nối tiếp. Nó được biểu thị bằng đơn vị bit/giây (bps). Hãy kiểm tra tài liệu của thiết bị để biết giá trị chính xác vì tất cả dữ liệu bạn gửi và nhận sẽ là những ký tự vô nghĩa nếu bạn chỉ định giá trị này không chính xác. Đối với một số thiết bị USB và Bluetooth mô phỏng cổng nối tiếp, bạn có thể đặt giá trị này thành bất kỳ giá trị nào một cách an toàn vì mô phỏng sẽ bỏ qua giá trị này.

// Prompt user to select any serial port.
const port = await navigator.serial.requestPort();

// Wait for the serial port to open.
await port.open({ baudRate: 9600 });

Bạn cũng có thể chỉ định bất kỳ tuỳ chọn nào bên dưới khi mở cổng nối tiếp. Các tuỳ chọn này là không bắt buộc và có giá trị mặc định thuận tiện.

• dataBits: Số bit dữ liệu trên mỗi khung hình (7 hoặc 8).
• stopBits: Số bit dừng ở cuối một khung (1 hoặc 2).
• parity: Chế độ đồng nhất ("none", "even" hoặc "odd").
• bufferSize: Kích thước của vùng đệm đọc và ghi cần tạo (phải nhỏ hơn 16 MB).
• flowControl: Chế độ kiểm soát luồng ("none" hoặc "hardware").

Đọc qua cổng nối tiếp

Luồng đầu vào và đầu ra trong Web Serial API được xử lý bằng Streams API.

Sau khi kết nối cổng nối tiếp được thiết lập, các thuộc tính readable và writable từ đối tượng SerialPort sẽ trả về một ReadableStream và một WritableStream. Các dữ liệu đó sẽ được dùng để nhận dữ liệu và gửi dữ liệu đến thiết bị nối tiếp. Cả hai đều sử dụng thực thể Uint8Array để chuyển dữ liệu.

Khi dữ liệu mới đến từ thiết bị nối tiếp, port.readable.getReader().read() sẽ trả về hai thuộc tính không đồng bộ: value và boolean done. Nếu done là true, thì cổng nối tiếp đã bị đóng hoặc không có thêm dữ liệu nào được truyền vào. Việc gọi port.readable.getReader() sẽ tạo một trình đọc và khoá readable vào trình đọc đó. Khi readable bị khoá, bạn không thể đóng cổng nối tiếp.

const reader = port.readable.getReader();

// Listen to data coming from the serial device.
while (true) {
  const { value, done } = await reader.read();
  if (done) {
    // Allow the serial port to be closed later.
    reader.releaseLock();
    break;
  }
  // value is a Uint8Array.
  console.log(value);
}

Một số lỗi đọc cổng nối tiếp không nghiêm trọng có thể xảy ra trong một số điều kiện như tràn bộ đệm, lỗi định dạng hoặc lỗi chẵn lẻ. Những sự kiện đó được gửi dưới dạng trường hợp ngoại lệ và có thể bị phát hiện bằng cách thêm một vòng lặp khác vào đầu vòng lặp trước đó để kiểm tra port.readable. Điều này hoạt động vì miễn là các lỗi không nghiêm trọng, ReadableStream mới sẽ được tạo tự động. Nếu xảy ra lỗi nghiêm trọng, chẳng hạn như thiết bị nối tiếp bị xoá, thì port.readable sẽ trở thành rỗng.

while (port.readable) {
  const reader = port.readable.getReader();

  try {
    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) {
        // Allow the serial port to be closed later.
        reader.releaseLock();
        break;
      }
      if (value) {
        console.log(value);
      }
    }
  } catch (error) {
    // TODO: Handle non-fatal read error.
  }
}

Nếu thiết bị nối tiếp gửi văn bản trở lại, bạn có thể chuyển port.readable qua TextDecoderStream như minh hoạ dưới đây. TextDecoderStream là một luồng biến đổi nắm bắt tất cả các đoạn Uint8Array và chuyển đổi các đoạn đó thành chuỗi.

const textDecoder = new TextDecoderStream();
const readableStreamClosed = port.readable.pipeTo(textDecoder.writable);
const reader = textDecoder.readable.getReader();

// Listen to data coming from the serial device.
while (true) {
  const { value, done } = await reader.read();
  if (done) {
    // Allow the serial port to be closed later.
    reader.releaseLock();
    break;
  }
  // value is a string.
  console.log(value);
}

Bạn có thể kiểm soát cách phân bổ bộ nhớ khi đọc từ luồng bằng trình đọc "Tự mang vùng đệm". Gọi port.readable.getReader({ mode: "byob" }) để nhận giao diện ReadableStreamBYOBReader và cung cấp ArrayBuffer của riêng bạn khi gọi read(). Xin lưu ý rằng Web Serial API hỗ trợ tính năng này trong Chrome 106 trở lên.

try {
  const reader = port.readable.getReader({ mode: "byob" });
  // Call reader.read() to read data into a buffer...
} catch (error) {
  if (error instanceof TypeError) {
    // BYOB readers are not supported.
    // Fallback to port.readable.getReader()...
  }
}

Sau đây là ví dụ về cách sử dụng lại vùng đệm trong value.buffer:

const bufferSize = 1024; // 1kB
let buffer = new ArrayBuffer(bufferSize);

// Set `bufferSize` on open() to at least the size of the buffer.
await port.open({ baudRate: 9600, bufferSize });

const reader = port.readable.getReader({ mode: "byob" });
while (true) {
  const { value, done } = await reader.read(new Uint8Array(buffer));
  if (done) {
    break;
  }
  buffer = value.buffer;
  // Handle `value`.
}

Dưới đây là một ví dụ khác về cách đọc một lượng dữ liệu cụ thể qua cổng nối tiếp:

async function readInto(reader, buffer) {
  let offset = 0;
  while (offset < buffer.byteLength) {
    const { value, done } = await reader.read(
      new Uint8Array(buffer, offset)
    );
    if (done) {
      break;
    }
    buffer = value.buffer;
    offset += value.byteLength;
  }
  return buffer;
}

const reader = port.readable.getReader({ mode: "byob" });
let buffer = new ArrayBuffer(512);
// Read the first 512 bytes.
buffer = await readInto(reader, buffer);
// Then read the next 512 bytes.
buffer = await readInto(reader, buffer);

Ghi vào cổng nối tiếp

Để gửi dữ liệu đến một thiết bị nối tiếp, hãy truyền dữ liệu đến port.writable.getWriter().write(). Bạn cần gọi releaseLock() trên port.writable.getWriter() để đóng cổng nối tiếp sau này.

const writer = port.writable.getWriter();

const data = new Uint8Array([104, 101, 108, 108, 111]); // hello
await writer.write(data);


// Allow the serial port to be closed later.
writer.releaseLock();

Gửi văn bản đến thiết bị thông qua TextEncoderStream được chuyển đến port.writable như minh hoạ bên dưới.

const textEncoder = new TextEncoderStream();
const writableStreamClosed = textEncoder.readable.pipeTo(port.writable);

const writer = textEncoder.writable.getWriter();

await writer.write("hello");

Đóng cổng nối tiếp

port.close() đóng cổng nối tiếp nếu các thành phần readable và writable của cổng này đã mở khoá, nghĩa là releaseLock() đã được gọi cho trình đọc và trình ghi tương ứng.

await port.close();

Tuy nhiên, khi liên tục đọc dữ liệu từ một thiết bị nối tiếp bằng một vòng lặp, port.readable sẽ luôn bị khoá cho đến khi gặp lỗi. Trong trường hợp này, việc gọi reader.cancel() sẽ buộc reader.read() phân giải ngay lập tức bằng { value: undefined, done: true } và do đó cho phép vòng lặp gọi reader.releaseLock().

// Without transform streams.

let keepReading = true;
let reader;

async function readUntilClosed() {
  while (port.readable && keepReading) {
    reader = port.readable.getReader();
    try {
      while (true) {
        const { value, done } = await reader.read();
        if (done) {
          // reader.cancel() has been called.
          break;
        }
        // value is a Uint8Array.
        console.log(value);
      }
    } catch (error) {
      // Handle error...
    } finally {
      // Allow the serial port to be closed later.
      reader.releaseLock();
    }
  }

  await port.close();
}

const closedPromise = readUntilClosed();

document.querySelector('button').addEventListener('click', async () => {
  // User clicked a button to close the serial port.
  keepReading = false;
  // Force reader.read() to resolve immediately and subsequently
  // call reader.releaseLock() in the loop example above.
  reader.cancel();
  await closedPromise;
});

Việc đóng cổng nối tiếp phức tạp hơn khi sử dụng luồng biến đổi. Gọi reader.cancel() như trước đây. Sau đó, hãy gọi writer.close() và port.close(). Điều này sẽ truyền lỗi thông qua các luồng biến đổi đến cổng nối tiếp cơ bản. Vì quá trình truyền lỗi không xảy ra ngay lập tức, nên bạn cần sử dụng các lời hứa readableStreamClosed và writableStreamClosed đã tạo trước đó để phát hiện thời điểm port.readable và port.writable được mở khoá. Việc huỷ reader sẽ khiến luồng bị huỷ; đó là lý do bạn phải phát hiện và bỏ qua lỗi xảy ra.

// With transform streams.

const textDecoder = new TextDecoderStream();
const readableStreamClosed = port.readable.pipeTo(textDecoder.writable);
const reader = textDecoder.readable.getReader();

// Listen to data coming from the serial device.
while (true) {
  const { value, done } = await reader.read();
  if (done) {
    reader.releaseLock();
    break;
  }
  // value is a string.
  console.log(value);
}

const textEncoder = new TextEncoderStream();
const writableStreamClosed = textEncoder.readable.pipeTo(port.writable);

reader.cancel();
await readableStreamClosed.catch(() => { /* Ignore the error */ });

writer.close();
await writableStreamClosed;

await port.close();

Nghe kết nối và ngắt kết nối

Nếu cổng nối tiếp do thiết bị USB cung cấp, thì thiết bị đó có thể được kết nối hoặc ngắt kết nối khỏi hệ thống. Khi được cấp quyền truy cập vào cổng nối tiếp, trang web sẽ theo dõi các sự kiện connect và disconnect.

navigator.serial.addEventListener("connect", (event) => {
  // TODO: Automatically open event.target or warn user a port is available.
});

navigator.serial.addEventListener("disconnect", (event) => {
  // TODO: Remove |event.target| from the UI.
  // If the serial port was opened, a stream error would be observed as well.
});

Xử lý tín hiệu

Sau khi thiết lập kết nối cổng nối tiếp, bạn có thể truy vấn và đặt rõ ràng các tín hiệu do cổng nối tiếp hiển thị để phát hiện thiết bị và kiểm soát luồng. Các tín hiệu này được xác định là giá trị boolean. Ví dụ: một số thiết bị như Arduino sẽ chuyển sang chế độ lập trình nếu tín hiệu Data Terminal Ready (DTR) được bật/tắt.

Bạn có thể đặt tín hiệu đầu ra và nhận tín hiệu đầu vào tương ứng bằng cách gọi port.setSignals() và port.getSignals(). Hãy xem các ví dụ về cách sử dụng ở bên dưới.

// Turn off Serial Break signal.
await port.setSignals({ break: false });

// Turn on Data Terminal Ready (DTR) signal.
await port.setSignals({ dataTerminalReady: true });

// Turn off Request To Send (RTS) signal.
await port.setSignals({ requestToSend: false });

const signals = await port.getSignals();
console.log(`Clear To Send:       ${signals.clearToSend}`);
console.log(`Data Carrier Detect: ${signals.dataCarrierDetect}`);
console.log(`Data Set Ready:      ${signals.dataSetReady}`);
console.log(`Ring Indicator:      ${signals.ringIndicator}`);

Biến đổi luồng

Khi nhận dữ liệu từ thiết bị nối tiếp, bạn không nhất thiết phải nhận được tất cả dữ liệu cùng một lúc. Tệp này có thể được phân đoạn tuỳ ý. Để biết thêm thông tin, hãy xem phần Các khái niệm về API luồng.

Để giải quyết vấn đề này, bạn có thể sử dụng một số luồng biến đổi tích hợp sẵn như TextDecoderStream hoặc tạo luồng biến đổi của riêng mình để có thể phân tích cú pháp luồng đến và trả về dữ liệu đã phân tích cú pháp. Luồng biến đổi nằm giữa thiết bị nối tiếp và vòng lặp đọc đang sử dụng luồng. Phương thức này có thể áp dụng một phép biến đổi tuỳ ý trước khi dữ liệu được sử dụng. Hãy xem tiện ích này giống như một dây chuyền tập hợp: khi một tiện ích xuất hiện trên dòng, mỗi bước trong dòng sẽ sửa đổi tiện ích đó để khi đến đích cuối cùng, tiện ích đó sẽ là một tiện ích hoạt động đầy đủ.

Ví dụ: hãy xem xét cách tạo một lớp luồng chuyển đổi sử dụng một luồng và chia luồng đó dựa trên dấu ngắt dòng. Phương thức transform() của lớp này được gọi mỗi khi luồng nhận được dữ liệu mới. Phương thức này có thể thêm dữ liệu vào hàng đợi hoặc lưu dữ liệu để sử dụng sau. Phương thức flush() được gọi khi luồng bị đóng và xử lý mọi dữ liệu chưa được xử lý.

Để sử dụng lớp chuyển đổi luồng, bạn cần chuyển một luồng đến thông qua lớp đó. Trong ví dụ mã thứ ba trong phần Đọc từ cổng nối tiếp, luồng đầu vào ban đầu chỉ được chuyển qua TextDecoderStream, vì vậy, chúng ta cần gọi pipeThrough() để chuyển luồng đó qua LineBreakTransformer mới.

class LineBreakTransformer {
  constructor() {
    // A container for holding stream data until a new line.
    this.chunks = "";
  }

  transform(chunk, controller) {
    // Append new chunks to existing chunks.
    this.chunks += chunk;
    // For each line breaks in chunks, send the parsed lines out.
    const lines = this.chunks.split("\r\n");
    this.chunks = lines.pop();
    lines.forEach((line) => controller.enqueue(line));
  }

  flush(controller) {
    // When the stream is closed, flush any remaining chunks out.
    controller.enqueue(this.chunks);
  }
}

const textDecoder = new TextDecoderStream();
const readableStreamClosed = port.readable.pipeTo(textDecoder.writable);
const reader = textDecoder.readable
  .pipeThrough(new TransformStream(new LineBreakTransformer()))
  .getReader();

Để gỡ lỗi các sự cố giao tiếp thiết bị nối tiếp, hãy sử dụng phương thức tee() của port.readable để phân tách các luồng đến hoặc từ thiết bị nối tiếp. Bạn có thể sử dụng độc lập hai luồng được tạo và điều này cho phép bạn in một luồng vào bảng điều khiển để kiểm tra.

const [appReadable, devReadable] = port.readable.tee();

// You may want to update UI with incoming data from appReadable
// and log incoming data in JS console for inspection from devReadable.

Thu hồi quyền truy cập vào cổng nối tiếp

Trang web có thể xoá các quyền truy cập vào cổng nối tiếp mà trang web không còn muốn giữ lại bằng cách gọi forget() trên thực thể SerialPort. Ví dụ: đối với một ứng dụng web giáo dục được dùng trên máy tính dùng chung với nhiều thiết bị, một lượng lớn quyền do người dùng tạo tích luỹ sẽ tạo ra trải nghiệm người dùng kém.

// Voluntarily revoke access to this serial port.
await port.forget();

Vì forget() có trong Chrome 103 trở lên, hãy kiểm tra xem tính năng này có được hỗ trợ hay không bằng cách sau:

if ("serial" in navigator && "forget" in SerialPort.prototype) {
  // forget() is supported.
}

Mẹo dành cho nhà phát triển

Bạn có thể dễ dàng gỡ lỗi Web Serial API trong Chrome bằng trang nội bộ about://device-log, nơi bạn có thể xem tất cả sự kiện liên quan đến thiết bị nối tiếp ở cùng một nơi.

Lớp học lập trình

Trong lớp học lập trình dành cho nhà phát triển của Google, bạn sẽ sử dụng Web Serial API để tương tác với bảng BBC micro:bit nhằm hiển thị hình ảnh trên ma trận LED 5x5.

Hỗ trợ trình duyệt

Web Serial API có trên tất cả các nền tảng máy tính (ChromeOS, Linux, macOS và Windows) trong Chrome 89.

Polyfill

Trên Android, bạn có thể hỗ trợ cổng nối tiếp dựa trên USB bằng cách sử dụng API WebUSB và tiện ích bổ sung Serial API. Đoạn mã polyfill này chỉ dùng được cho phần cứng và nền tảng mà có thể truy cập vào thiết bị qua WebUSB API vì trình điều khiển thiết bị tích hợp chưa xác nhận quyền sở hữu.

Bảo mật và quyền riêng tư

Các tác giả của thông số kỹ thuật đã thiết kế và triển khai Web Serial API bằng cách sử dụng các nguyên tắc cốt lõi được xác định trong bài viết Kiểm soát quyền truy cập vào các tính năng mạnh mẽ của nền tảng web, bao gồm cả quyền kiểm soát của người dùng, tính minh bạch và tính công thái học. Khả năng sử dụng API này chủ yếu được kiểm soát bởi một mô hình quyền chỉ cấp quyền truy cập vào một thiết bị nối tiếp tại một thời điểm. Để phản hồi lời nhắc của người dùng, người dùng phải chủ động thực hiện các bước để chọn một thiết bị nối tiếp cụ thể.

Để tìm hiểu các đánh đổi về bảo mật, hãy xem các phần bảo mật và quyền riêng tư trong công cụ Giải thích API Web Serial.

Phản hồi

Nhóm Chrome rất muốn biết suy nghĩ và trải nghiệm của bạn về Web Serial API.

Cho chúng tôi biết về thiết kế API

API có hoạt động như mong đợi không? Hay có phương thức hoặc thuộc tính nào bị thiếu mà bạn cần để triển khai ý tưởng của mình không?

Gửi vấn đề về thông số kỹ thuật trên kho lưu trữ GitHub của Web Serial API hoặc thêm ý kiến của bạn vào một vấn đề hiện có.

Báo cáo vấn đề về việc triển khai

Bạn có phát hiện lỗi khi triển khai Chrome không? Hay cách triển khai khác với thông số kỹ thuật?

Gửi lỗi tại https://new.crbug.com. Hãy nhớ cung cấp nhiều thông tin chi tiết nhất có thể, cung cấp các hướng dẫn đơn giản để tái tạo lỗi và đặt Thành phần thành Blink>Serial. Glitch rất phù hợp để chia sẻ các bản tái hiện nhanh chóng và dễ dàng.

Thể hiện sự ủng hộ

Bạn có định sử dụng Web Serial API không? Sự ủng hộ công khai của bạn giúp nhóm Chrome ưu tiên các tính năng và cho các nhà cung cấp trình duyệt khác thấy tầm quan trọng của việc hỗ trợ các tính năng đó.

Gửi một tweet đến @ChromiumDev bằng hashtag #SerialAPI và cho chúng tôi biết bạn đang sử dụng ở đâu và như thế nào.

Các đường liên kết hữu ích

• Thông số kỹ thuật
• Theo dõi lỗi
• Mục nhập trên ChromeStatus.com
• Thành phần Blink: Blink>Serial

Bản thu thử

• Thiết bị đầu cuối nối tiếp
• WebSerial
• IDE web Espruino

Lời cảm ơn

Cảm ơn Reilly Grant và Joe Medley đã đánh giá bài viết này. Hình ảnh nhà máy máy bay của Birmingham Museums Trust trên Unsplash.