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外观

6. 串口通信 ​

6.1 串口通信介绍 ​

串口是指外设和处理器之间通过数据信号线、地线和控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。尽管传输速度比并行传输低。但串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。 这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位，这些参数在两个通信端口之间必须一致。

6.2 串口通信参数介绍 ​

串口通信参数包括波特率（Baud Rate）、数据位（Data Bits）、校验位（Parity Bits）、停止位（Stop Bits）等。这些参数描述了传输数据的基本规格。例如，波特率定义了数据传输的速率，数据位确定每个数据字节中包含的位数，校验位用于数据的差错检测，停止位表示数据传输结束的标志等。

  • 波特率：衡量通信速度的参数，它表示每秒钟传送的 bit 的个数。
  • 数据位：衡量通信中实际数据位的参数，表示一个信息包里包含的数据位的个数。
  • 停止位：用于表示单个信息包的最后位，典型值为 1、1.5 和 2 位。由于数据是在传输线上传输的，每个设备都有自己的时钟，很有可能在通信过程中出现不同步，停止位不仅仅表示传输的结束，还能提供校正时钟同步的机会。停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率也越慢。
  • 奇偶检验位：表示一种简单的检查错误的方式。

关于更为详细的介绍请搜索百度。

6.3 串口工作模式 ​

串口工作模式分为三种：单工、全双工模式和半双工模式。

  • 单工：在通信的任意时刻，信息只能由 A 传到 B，或B传到A；
  • 半双工：在通信的任意时刻，信息即可由 A 传到 B，又能由 B 传到 A，但同时只能有一个方向上的传输存在；
  • 全双工：在通信的任意时刻，通信线路上存在 A 到 B 和 B 到 A 的双向信号传输；

6.4 串口通信协议 ​

串口通信协议定义了在串口上进行数据交换的规则和格式。常见的串口通信协议包括ASCII协议、Modbus协议、RS-232协议等。协议规定了数据的帧结构、数据格式、校验方式等，确保发送和接收双方按照相同的规则进行数据交换，从而实现数据的正确传输和解析。

串口通信是一位一位地传输，每传输一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平），后面由 7 位数据位组成，接着是一位校验位，最后是停止位。停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。

6.5 串口通信的作用及优势 ​

串口是计算机和外部设备之间最常见的通信接口之一，具有重要的作用和广泛的应用。在计算机领域，串口的重要性体现在以下几个方面：

  1. 数据传输：串口是一种常用的数据传输接口。通过串口，计算机可以与各种外部设备进行数据交换和通信。无论是传感器、执行器、显示器、打印机还是其他外部设备，串口通信都可以实现数据的传输和控制。
  2. 远程控制和监控：串口通信被广泛应用于远程控制和监控领域。通过串口，计算机可以远程控制设备的动作，并实时监测设备的状态和数据信息。这在工业控制、自动化系统、远程监控等场景中具有重要的作用。
  3. 调试和故障排查：串口通信是调试和故障排查的重要工具。通过串口，计算机可以与嵌入式系统、单片机等进行通信，实时监控和调试程序，输出调试信息，进行错误定位和排查，并对系统进行状态监测和故障诊断。
  4. 硬件连接：串口可以作为计算机与各种外部设备之间的连接桥梁。通过串口，可以连接和控制各类外部设备，如传感器、执行器、外围设备等。串口能够提供稳定的数据传输和双向通信功能。
  5. 通信协议：串口通信协议是计算机与外部设备之间数据传输的规范和约定。通过定义不同的协议，可以实现不同设备之间的数据交互和通信。常见的串口通信协议有UART、RS-232、RS-485等。

总之，串口对于计算机和外部设备之间的通信具有重要的作用。它是数据传输、远程控制和监控、调试和故障排查的关键工具，是计算机与外部设备连接和通信的桥梁。通过串口通信，可以实现与各种外部设备的数据交互，提高系统的功能和性能。具体到串口通信的作用和优势，可以总结如下：

  1. 数据传输：串口通信可以实现双向数据的可靠传输，包括发送和接收各种类型的数据。
  2. 远程控制和监控：通过串口通信，可以实现远程控制设备的动作，并实时监测设备的状态和数据信息。
  3. 调试和故障排查：串口通信是调试和故障排查的重要工具，可以实时监控和调试程序，输出调试信息，进行错误定位和排查。
  4. 灵活性和实时性：串口通信具有较高的灵活性和实时性，可以根据需求调整波特率和参数，并及时处理数据和响应外部事件。
  5. 成本效益：串口通信使用简单、成本低廉的硬件，并且广泛应用于各个领域，是一种经济实用的通信方式。

总之，串口通信在数据传输、远程控制与监控、调试和故障排查等方面具有重要的作用和诸多优势，是实现设备间数据交互和系统功能的重要手段。

6.6 串口通信原理图 ​

ESP32S3有三个串口，即 UART0、UART1、UART2。其中，开发板的串口0已经用于自动下载与调试部分，故在实际应用中不建议使用串口0与其他设备通信。

我们可以使用 UART1（串口1）、串口2（UART2） 与外部串口设备进行通信。除串口0外，串口引脚与其他外设一样，可以使用任意的GPIO作为通信引脚。

6.7 串口通信驱动流程 ​

在 MicroPython 中，使用 ESP32 进行串口通信的流程如下：

  1. 导入相应的模块和库
c
import machine
  1. 初始化串口对象
c
uart = machine.UART(uart_number, baudrate=baudrate)

其中 uart_number 是你要使用的 UART 串口号，例如 1 表示 UART1，2 表示 UART2，以此类推。baudrate 是串口波特率，指定通信速率。端口还能支持的其他仅关键字参数包括：

  • tx指定要使用的 TX 引脚。
  • rx指定要使用的 RX 引脚。
  • 例如：
c
#初始化串口1 波特率为115200 TX引脚为GPIO10    RX引脚为GPIO9
uart1 = UART(1, baudrate=115200, tx=10, rx=9)
  1. 使用 write() 方法向串口发送数据
c
uart.write(data)

其中 data 是要发送的数据，可以是字符串或字节数据。

  1. 使用 read() 方法从串口接收数据
c
data = uart.read(size)

其中 size 是要接收的数据字节数。

完整的串口通信示例代码如下：

c
import machine

uart = machine.UART(1, baudrate=115200, tx=10, rx=9)

# 发送数据
uart.write("Hello, UART!")

# 接收数据
data = uart.read(10)

print(data)

在上述示例中，我们初始化了 UART1 接口，设置波特率为 115200，TXD引脚为GPIO10，RXD引脚为GPIO9。然后，我们使用 write() 方法向串口发送了字符串 “Hello, UART!”。之后，我们使用 read() 方法读取了 10 个字节的数据，并将其打印出来。其他关于串口的详细资料说明见MicroPython官方文档:

http://www.86x.org/en/latet/library/machine.UART.html

6.8 硬件连接与准备 ​

本案例使用常用的模块CH340，将开发板和电脑连接，测试串口通信功能。

CH340是一种USB转串口芯片，常用于微型控制器、单片机、Arduino的USB转串口功能，也可用于USB数据收发。使用CH340模块时，需要安装对应的驱动程序，来使得计算机能够识别CH340芯片的串口输出。对于Windows系统，驱动程序通常会自动安装；对于Mac和Linux系统，需要下载安装相应的驱动程序支持才能使用。

CH340的驱动下载

资料下载中心（点击跳转）

在资料下载中心->【入门手册资料】百度网盘资料->第05章 开发工具->CH340驱动.zip

CH340模块通常有CH340G和CH340E两种型号，其中CH340G在0°C到70°C的工作温度范围内工作，而CH340E则在-40°C到85°C的温度范围内工作。这两种型号都支持多种波特率和数据位、停止位的选项，以适应不同的串口通信需求。

CH340模块在使用上较为便捷，连接电脑和开发板后后，只需要通过串口发送指令即可实现与单片机的通信。其优点是接口简单、价格低廉、 驱动程序方便使用等，因此在开发过程以及需要与计算机通信的各种项目中被广泛使用。

实物连接如下图：

6.9 串口通信验证 ​

c
from machine import UART
import time

#初始化串口1 波特率为115200 TX引脚为GPIO10    RX引脚为GPIO9
uart1 = UART(1, baudrate=115200, tx=10, rx=9)

while True:
    #通过串口1发送字符串
    uart1.write('Hello World!\r\n')
    #读取串口1接收的数据量，如果不为0说明接收到数据
    while(uart1.any()):
        #将串口中的数据读取出来保存到data里
        data = uart1.read()
        #通过IDE调试器输出串口接收到的值
        print(data)
    time.sleep_ms(1000)

6.10 串口通信效果 ​

开发板上电通过串口1输出"Hello World"，然后串口0和串口1可以互发数据