05_ESP32 串行通信 (UART)

05_ESP32 串行通信 (UART)

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种硬件接口电路，用于实现异步串行通信。常见应用包括：与传感器/模块通信，开发板与电脑之间的数据收发（如打印日志、调试信息）等。

基于 UART 的串行通信具有以下特点：

• 异步通信：发送和接收设备不需要共享时钟信号，而是通过预先约定的波特率来同步数据传输。
• 串行传输：数据按位逐个发送，而不是并行传输多个位。
• 全双工：可以同时进行发送和接收操作。

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UART 是 异步 通信，意味着它没有共享的时钟线。为了实现数据的正确收发，它们约定使用相同 波特率 和 数据帧格式。

波特率 (Baud Rate) 表示每秒钟传输的数据位数（bps，bits per second）。通信双方必须使用相同的波特率才能正确传输数据。常见的波特率有 9600 和 115200。

每个 UART 数据帧 包含以下部分：

• 起始位 (Start Bit)：1 位，总是 0，表示数据传输开始
• 数据位 (Data Bits)：通常 5-9 位，常用 8 位，包含实际要传输的数据
• 奇偶校验位 (Parity Bit)：可选，用于错误检测
• 停止位 (Stop Bits)：1-2 位，总是 1，表示数据传输结束

UART 通信需要两根核心信号线：

• TX (Transmit)：发送数据线
• RX (Receive)：接收数据线
• GND (地): 通信双方的“共同参考点”，确保电压信号能被正确解读。
• 连接方式：两个设备之间需要交叉连接，即设备 A 的 TX 连接设备 B 的 RX，设备 A 的 RX 连接设备 B 的 TX。此外，两个设备必须共地（连接 GND），以确保信号电平有稳定的参考点。

ESP32 中的 UART

ESP32 芯片通常有两个或更多 UART 控制器。每个 UART 控制器可以独立配置波特率、数据位长度、位顺序、停止位位数、奇偶校验位等参数。

在 Arduino 环境中，可以通过 Serial、Serial1 等对象来使用它们。

• Serial 是默认串口，通常连接到开发板上的 USB 转串口芯片。如果没有搭载 USB 转串口芯片，它也可以通过开启 USB CDC on boot 指向原生 USB。无论是哪种情况，Serial 都可用于与电脑串口监视器通信，也是上传代码和调试常用的接口。
• Serial1 等 其他串口是额外的硬件 UART，几乎可分配给任意空闲 GPIO 用于连接外部设备。
• 除 Serial 和 Serial1 外，部分 ESP32 型号（如 ESP32-S3）还支持 Serial2 等更多串口。各型号支持的 UART 数量可查阅芯片数据手册或 [ESP32 系列产品介绍表](https://products.espressif.com/static/Espressif SoC Product Portfolio.pdf)。

这种设计让我们能够同时用 Serial 与电脑调试、打印日志，同时使用 Serial1 等其它 UART 与模块独立通信，互不干扰。

示例 1：通过串口监视器控制 LED

这个示例将演示 UART 的经典应用：通过电脑发送指令，控制 ESP32 的硬件。将通过 Arduino IDE 的串口监视器发送 "on" 或 "off" 字符串，来点亮或熄灭连接在 ESP32 上的 LED。

const int ledPin = 7;          // 定义 LED 连接的引脚void setup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);      // 设置 LED 引脚为输出模式Serial.begin(115200);        // 初始化串口通信，波特率为 115200while(!Serial){};            // 等待串口准备好
}void loop(){if(Serial.available() > 0){                      // 如果串口收到数据String msg = Serial.readStringUntil('\n');     // 读取一行输入（以换行结束）msg.trim();                                    // 去除首位占用空间但不可见的字符，比如空格和换行符if(msg == "on"){// 如果输入为“on”,点亮 LEDdigitalWrite(ledPin,HIGH);Serial.println("LED 已打开");} else if(msg == "off"){// 如果输入为“off”,熄灭 LEDdigitalWrite(ledPin,LOW);Serial.println("LED 已关闭");}else{Serial.println("请输入'on'或'off'");           // 提示有效输入}} 
}

代码解析

1. Serial.begin(115200);: 初始化 Serial，并将波特率设置为 115200。串口监视器的波特率也需要设置为此值。
2. Serial.available(): 检查串口接收缓冲区中是否有数据。如果大于 0，说明电脑发送了新消息。
3. Serial.readStringUntil('\n'): 读取串口缓冲区中的字符，直到遇到换行符 \n 或超时为止，并将读取到的字符组合成一个 String 对象。这种方式适合接收由串口监视器发送的、以回车结尾的指令。
4. msg.trim();: 当我们从串口监视器发送文本并按回车时，除了文本本身，通常还会发送一个换行符（\n）或回车符（\r）。trim() 函数会移除字符串首尾的这些空白字符，确保 msg == "on" 这样的比较能够成功。
5. if / else if: 根据清理过的 msg 字符串内容，执行相应的 digitalWrite() 操作来控制 LED，并向串口监视器打印反馈信息。

示例 2：ESP32 之间串口通信

这个示例将展示如何使用 ESP32 的额外硬件串口（Serial1）实现两块 ESP32 开发板之间的通信。通过一块开发板连接的按钮，来控制另一块开发板上连接的 LED。

发送端代码 (ESP32 开发板 A)

#define UART1_RX_PIN 11  // 定义 UART1 的接收引脚（RX）
#define UART1_TX_PIN 12  // 定义 UART1 的发送引脚（TX）const int buttonPin = 7;    // 按钮连接的引脚
int lastButtonState = LOW;  // 初始状态为未按下void setup() {// 启动默认串口，用于调试输出到电脑Serial.begin(115200);// while(!Serial){};// 启动 Serial1，并指定 RX 和 TX 引脚，用于设备间通信Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, UART1_RX_PIN, UART1_TX_PIN);pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // 配置按钮引脚为上拉输入模式Serial.println("Sender Ready. Press the button.");
}void loop() {int currentButtonState = digitalRead(buttonPin);// 如果按钮状态发生变化if (currentButtonState != lastButtonState) {if (currentButtonState == HIGH) {Serial1.write('0');  // 按钮松开时发送'0'Serial.println("Sent: 0 (Button Released)");} else {Serial1.write('1');  // 按钮按下时发送'1'Serial.println("Sent: 1 (Button Pressed)");}lastButtonState = currentButtonState;  // 更新按钮状态delay(50);                             // 简单的防抖动}
}

接收端代码 (ESP32 开发板 B)

#define UART1_RX_PIN 1  // 定义 UART1 的接收引脚（RX）
#define UART1_TX_PIN 2  // 定义 UART1 的发送引脚（TX）const int ledPin = 7;void setup() {// 启动默认串口，用于调试输出到电脑Serial.begin(115200);// while(!Serial){};// 启动 Serial1，并指定 RX 和 TX 引脚，用于设备间通信Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, UART1_RX_PIN, UART1_TX_PIN);pinMode(ledPin, OUTPUT);  // 配置 LED 引脚为输出模式Serial.println("Receiver Ready. Waiting for commands...");
}void loop() {// 检查是否从 UART1 串口接收到数据if (Serial1.available()) {char command = Serial1.read();  // 读取一个字节（字符）// 根据接收到的命令控制 LEDif (command == '1') {// 接收到'1'时点亮 LEDdigitalWrite(ledPin, HIGH);Serial.println("Received: 1 -> LED ON");} else if (command == '0') {// 接收到'0'时熄灭 LEDdigitalWrite(ledPin, LOW);Serial.println("Received: 0 -> LED OFF");}}
}

两份代码的共同点

1. #define UART1_RX_PIN ... / #define UART1_TX_PIN ...: 使用宏定义来指定 Serial1 的 RX 和 TX 引脚。这让代码更易读，方便修改。
2. Serial.begin(115200);: 两块板子都启动了默认的 Serial 口，这样它们可以分别连接到两台电脑（或同一个电脑的两个串口工具）上，打印调试信息，方便我们观察通信过程。
3. Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, UART1_RX_PIN, UART1_TX_PIN);:
   • 这是本示例的核心。它初始化了 Serial1 通道。两个开发板通过各自的 Serial1 通道通信。
   • 9600: 这是两块 ESP32 之间通信的波特率，必须保持一致。
   • SERIAL_8N1: 这是标准的串口配置（8 数据位，无校验，1 停止位）。
     • 8: 8 位数据长度（可选 5、6、7 位）
     • N: 无校验（可选偶校验 E、奇校验 O）
     • 1: 1 位停止位（可选 2 位）
   • UART1_RX_PIN, UART1_TX_PIN: 将 Serial1 绑定到定义的 GPIO 引脚上。

发送端 (ESP32 开发板 A)

• if (currentButtonState != lastButtonState): 这个判断用于检测按钮状态的变化（从按下到松开，或从松开到按下），确保只在状态改变时发送一次数据，而不是持续发送。
• Serial1.write('1');: 当按钮被按下时（状态变为LOW），通过 Serial1 发送单个字符 '1' 给接收端。
• Serial1.write('0');: 当按钮松开时（状态变为HIGH），发送 '0'。

接收端 (ESP32 开发板 B)

• if (Serial1.available()): 在主循环中，不断检查 Serial1 的接收缓冲区是否有数据。
• char command = Serial1.read();: 如果有数据，读取一个字节（字符）并存入 command 变量。
• if (command == '1'): 判断接收到的字符。如果是 '1'，就点亮 LED；如果是 '0'，就熄灭 LED。同时，通过自己的 Serial 口打印收到的信息和执行的动作，方便调试。

运行结果

1. 将两份代码分别上传到两块 ESP32 开发板。
2. 你可以用两根 USB 线将两块板子都连接到电脑上，并打开两个串口监视器窗口，分别对应两块板子的 COM 端口。
3. 按下发送端 (ESP32 开发板 A)的按钮，你会观察到：
   • ESP32 A 的串口监视器打印出 "Sent: 1 (Button Pressed)"。
   • 接收端 (ESP32 开发板 B) 上的 LED 亮起。
   • ESP32 B 的串口监视器打印出 "Received: 1 -> LED ON"。
4. 松开按钮，你会观察到：
   • ESP32 A 的串口监视器打印出 "Sent: 0 (Button Released)"。
   • 接收端 (ESP32 开发板 B) 上的 LED 熄灭。
   • ESP32 B 的串口监视器打印出 "Received: 0 -> LED OFF"。