串行通信 (UART)
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种通用、应用广泛的串行通信协议。它通过 TX（发送） 和 RX（接收） 两根信号线，辅以一根 GND（地线），即可实现设备间的点对点数据传输。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。
UART 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。
UART 是 异步 通信，意味着它没有共享的时钟线。为了让双方能同步数据，它们约定好使用相同波特率和数据帧。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。设备需要共地。
1. ESP32 中的 UART
ESP32 芯片通常有 3 个 UART 通道。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，你可以用以下类来调用串口：
Serial0(UART0): 这是默认的串口，常用于上传代码和打印调试。它在大多数开发板上都连接到了板载的 USB-to-Serial 芯片（如 CP2102 或 CH340），通过 USB 线连接电脑进行编程和打开“串口监视器”时，用的就是这个通道。Serial1(UART1): 额外的硬件串口，可以分配给几乎任意未被占用的 GPIO 引脚。Serial2(UART2): 同上，也是一个可自由分配引脚的额外硬件串口。Serial:Serial是最常用的串口对象，无论板子是通过串口芯片还是原生 USB 连接电脑，都可以使用Serial来和电脑的串口监视器通信。它会自动指向正确的底层串口。
拥有多个硬件串口是 ESP32 的一大优势。这意味着，主 Serial 口在用于连接电脑进行日志打印或调试的同时，ESP32 还能利用 Serial1 或 Serial2 与其他串口设备（如 GPS 模块、激光雷达、指纹传感器等）独立通信，互不干扰。
2. 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。我们将通过 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。
2.1 搭建电路
需要使用的器件有：
- LED * 1
- 330Ω 电阻 * 1
- 面包板 * 1
- 导线
- ESP32 开发板
按照下面接线图连接电路：
ESP32-S3-Zero 引脚图
2.2 代码
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 115200
while (!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(); // 去除首尾空格和换行符
if (msg == "on") {
// 如果输入为"on", 点亮 LED
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("LED 已打开");
} else if (msg == "off") {
// 如果输入为"off", 关闭 LED
digitalWrite(ledPin, LOW);
Serial.println("LED 已关闭");
} else {
Serial.println("请输入 'on' 或 'off'"); // 提示有效输入
}
}
}
2.3 代码解析
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。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。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。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，通常还会发送一个的换行符（\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。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。
2.4 运行结果
-
打开串口监视器，将设置波特率为 115200，确保与代码中设置的波特率一致。
-
在串口监视器中，输入"on"并按回车，LED 灯会亮起；输入"off"并按回车，LED 灯会熄灭。
3. 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。我们将用一块开发板连接的按钮，来控制另一块板子开发板连接的 LED。
3.1 搭建电路
需要使用的器件有：
- LED * 1
- 330Ω 电阻 * 1
- 面包板 * 2
- 按钮 * 1
- 导线
- ESP32 开发板 * 2
按照下面接线图连接电路：
ESP32-S3-Zero 引脚图
| 发送端 （开发板 A) | 接收端 （开发板 B) | 说明 |
|---|---|---|
| GPIO 11 (RX1) | GPIO 2 (TX1) | 数据从 B 发送到 A |
| GPIO 12 (TX1) | GPIO 1 (RX1) | 数据从 A 发送到 B |
| GND | GND | 必须共地，保证信号稳定 |
3.2 代码
发送端代码 (ESP32 开发板 A)
将此代码上传到连接了按钮的 ESP32 开发板。
#define RXD1 11 // 定义 UART1 的接收引脚（RX）
#define TXD1 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);
// 启动 Serial1，并指定 RX 和 TX 引脚，用于设备间通信
Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, RXD1, TXD1);
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)
将此代码上传到连接了 LED 的 ESP32 开发板。
#define RXD1 1 // 定义 UART1 的接收引脚（RX）
#define TXD1 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);
// 启动 Serial1，并指定 RX 和 TX 引脚，用于设备间通信
Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, RXD1, TXD1);
pinMode(ledPin, OUTPUT); // 配置 LED 引脚为输出模式
// while(!Serial){};
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 LED
if (command == '1') {
// 接收到'1'时点亮 LED
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("Received: 1 -> LED ON");
} else if (command == '0') {
// 接收到'0'时熄灭 LED
digitalWrite(ledPin, LOW);
Serial.println("Received: 0 -> LED OFF");
}
}
}
3.3 代码解析
两份代码的共同点
#define RXD1 .../#define TXD1 ...: 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。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。Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, RXD1, TXD1);:- 这是本示例的核心。它初始化了
Serial1通道。两个开发板用各自的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: 位停止位（可选 2 位）
RXD1, TXD1: 将Serial1绑定到定义的 GPIO 引脚上。
- 这是本示例的核心。它初始化了
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。
3.4 运行结果
- 将两份代码分别上传到两块 ESP32 开发板。
- 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。
- 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"。
- 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"。