第十一章 UART实验
本章我们将学习ESP32-S3的串口，教大家如何使用ESP32-S3的串口来发送和接收数据。本章将实现如下功能：ESP32-S3通过串口和上位机的对话，ESP32-S3在收到上位机发过来的字符串后，原原本本的返回给上位机。
本章分为如下几个小节：
11.1 串口简介
11.2 machine.UART类
11.3 硬件设计
11.4 软件设计
11.5 下载验证
11.1 串口简介
串行接口（Serial Interface）简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口）。它采用串行通信方式，数据一位一位地顺序传送。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
11.1.1 数据通信的基本概念
这里将会简单讲解一下“串行/并行通信”、“单工/半双工/全双工通信”、“同步/异步通信”、“波特率”等知识。
1，串行/并行通信
平常经常会听到串行通信和并行通信，这两者其实很好去区分。而串口属于串行通信，特点就是数据是逐位按顺序依次传输，如下图所示。
图11.1.1.1 串行通信
并行通信，特点是数据各位通过多条线同时传输，如下图所示。
图11.1.1.2 并行通信
简单理解，这两者就是单车道和多车道的概念，同一个时刻，单车道只能通行一辆车，好比串行通信只能传递1位数据；多车道可以通行多辆车好比并行通信传递多位数据。
这两者的对比，我们这里也做了一点归纳，如下图所示。
表11.1.1.1 串行通信和并行通信的对比表
2，单工/半双工/全双工通信
按数据传输方向分类：单工通信、半双工通信和全双工通信，他们的通信图如下图所示。
图11.1.1.3 3种数据传输方向图
单工通信：数据只能沿一个方向传输
半双工通信：数据可以沿两个方向传输，但需要分时进行
全双工通信：数据可以同时进行双向传输
串行通信属于以上的全双工通信。
3，同步/异步通信
按数据同步方式分类：同步通信、异步通信，他们的区别如下图所示。
图11.1.1.4 同步和异步通信区别图
同步通信：共用同一时钟信号。
异步通信：没有时钟信号，通过在数据信号中加入起始位和停止位等一些同步信号。
串行通信属于以上的异步通信。
4，波特率
双方进行通信，假如不存在时钟信号去同步数据的传输的过程，就需要双方设置一样的数据传输速度，也就是波特率。
在二进制系统中，波特率的含义就是每秒传输多少位，当我们设置波特率为115200，这里的含义就是1秒钟传送9600位(bit)数据。串口通信默认的传输方式除了数据本身8位外，还需要加上起始位和停止位，所以传输1字节数据就需要10位。那1秒钟传输的数据量就是960字节，即一秒钟传输9600位 / 一字节需要传输10位 = 960字节。
11.1.2 UART四要素
①：通信双方是否能够正常使用串口进行通信主要有以下四个要素决定：
②：数据位的位数。数据位的位数由通信双方共同约定，一般可以是5~8位。
③：奇偶校验位。通信双方共同约定是否具备奇偶校验位。
④：停止位。停止时间长度。
⑤：波特率。波特率其实就是通信传输数据的速度，即每秒传输多少位。通信双方需在同一个波特率通信，否则会出现数据丢失、数据溢出和乱码等情况。
11.2 machine.UART类
machine.UART 类是 machine 模块中的一个重要硬件类别，它主要用于对 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）设备的配置和操作。UART 是一种常见的串行通信协议，它允许两个设备之间进行双向通信。在物理层面上，UART 由两根数据线组成：一根用于接收数据（RX），另一根用于发送数据（TX）。
通信的单元是一个字符，可以是 8 位或 9 位宽。这种设计使得 UART 适用于各种不同的应用场景，如数据采集、远程监控、设备间通信等。通过使用 machine.UART 类，我们可以轻松地配置 UART 设备、发送和接收数据，以及处理通信过程中的各种事件。
1，machine.UART类的构造对象
UART的构造对象方法如下：
class machine.UART(id,baudeate,bits,parity,rx,tx,stop,timeout) 使用实例：uart = UART(2,115200,rx = 9,tx = 8,bits = 8, parity = None, stop = 1)
该构造方法的参数描述，如下表所示。
表11.2.1 machine.UART构造方法参数描述
返回值： UART对象。
2，machine.UART类的方法
①：读取字符，如果指定读n个字节，那么最多读取n个字节，否则就会读取尽可能多的数据。
其方法原型如下：
uart.read([nbytes])
该方法的参数描述，如下表所示。
表11.1.3 UART.read方法参数描述
返回值：一个包含读入数据的字节对象。如果如果超时则返回None。
②：读取字符到buf中，如果指定读n个字节，那么最多读取n个字节，否则就读取尽可能多的数据。另外读取数据的长度不超过buf的长度。
其方法原型如下：
uart.readinto(buf[, nbytes])
该函数的参数描述，如下表所示。
表11.1.4 UART.readinto方法参数描述
返回值：读取和存储到buf中的字节数。如果超时则返回None。
③：读一行数据，以换行符结尾。
其方法原型如下：
uart.readline()
返回值：读入的行数，如果超时则返回None。
④：将buf中的数据写入总线。
其方法原型如下：
uart.write(buf)
该方法的参数描述，如下表所示。
表11.1.5 UART. write方法参数描述
返回值：写入的字节数，如果超时则返回None。
⑤：检查是否有可读的数据。
其方法原型如下：
uart.any()
返回值：可读数据长度。
11.3 硬件设计
1. 例程功能
本章实验功能简介：
1．回显串口接收到的数据
2．每间隔一定时间，串口发送一段提示信息
3．LED闪烁，提示程序正在运行
2. 硬件资源
1）LED灯
LED-IO1
2）独立按键
BOOT-IO0
3）USART2
IO9、IO8连接至正点原子Mini HSDAP模块的RX和TX引脚
3. 原理图
本章实验使用的USART2（IO9 和 IO8）通过杜邦线与正点原子Mini HSDAP模块的RX和TX相连。
11.4 软件设计
11.4.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：
图11.4.1.1 程序流程图
11.4.2 程序解析
本书籍的代码都在main.py脚本下编写的，读者可在光盘资料下找到对应的源码。UART实验main.py源码如下：
from machine import UART,Pin
import time
if __name__ == '__main__':
times = 0
# 初始化LED并输出高电平
led = Pin(0,Pin.OUT,value = 1)
# 初始化串口2
uart = UART(2,115200,rx = 9,tx = 8,bits = 8, parity = None, stop = 1)
while True:
# 判断有无收到信息
if uart.any():
print('Received data:')
text = uart.read(128) # 接收128个字符
print(text) # 通过REPL打印串口2接收的数据
else:
times+=1
if (times % 1000) == 0:
uart.write('ESP32S3 Development Board Serial
Port Experiment\r\n') # 发送一条数据
elif (times % 200) == 0:
uart.write('Please enter data\r\n') # 发送一条数据
elif (times % 30) == 0:
led_state = led.value()
led.value(not led_state)
time.sleep_ms(1)
这示例主要利用了UART2串口进行数据收发，并利用LED灯进行状态提示。具体来说，它首先初始化了LED设备并设置为高电平状态，然后初始化了UART2串口，设置了相应的参数。在主循环中，它不断地检查串口是否有数据接收，如果有则读取并打印出来，如果没有则根据不同的时间间隔发送不同的信息或切换LED状态。同时，为了避免过度操作，加入了延迟操作。
11.5 下载验证
板上的IO8和IO9通过杜邦线分别连接到Mini HSDAP模块的RX和TX引脚，并且使用USB线连接至PC端。然后，打开PC上的ATK-XCOM串口调试助手软件，选择正确的COM端口和相关的配置，例如波特率、数据位、停止位等。连接成功后，串口调试助手上会显示当前COM端口的状态信息，并且在每间隔一段时间就会打印一次“Please enter data”。接下来，可以根据提示通过串口调试助手发送一段任意的数据（以回车换行结束）,随后立马就能看到串口调试助手上显示发送出去的数据，这就是本实验实现的数据回显。