串行通信 (UART)

本节介绍通用异步收发器 (UART) 的基本概念，并演示如何使用 MicroPython 控制 ESP32 的 UART 功能实现设备间的通信。

1. 什么是 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。

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，通信双方必须约定使用相同的 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 数据包

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。

UART 连接

2. ESP32 与 MicroPython 中的 UART

ESP32 芯片通常集成了多个 UART 控制器（通常为 UART0, UART1, UART2）。在 MicroPython 中，这些功能通过 machine.UART 类进行封装和调用。

UART0：通常用于 REPL（交互式解释器）控制台，即通过 USB 连接电脑时看到的输入输出界面。
UART1 / UART2：可用于连接外部设备。

使用 machine.UART 可以轻松配置波特率、引脚分配等参数。

3. 示例 1：通过 REPL 控制 LED

本示例演示最基础的串行通信应用：通过电脑发送指令控制 ESP32。在 MicroPython 中，直接使用 REPL（Read-Eval-Print Loop）作为“串口监视器”。程序将等待用户输入 "on" 或 "off"，从而控制 LED 的亮灭。

3.1 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

ESP32-S3-Zero-Pinout

3.2 代码

import sys
from machine import Pin

# 定义引脚
LED_PIN = 7

# 初始化引脚
led = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)

print("System Ready. Please enter 'on' or 'off':")

while True:
    # input() 函数会暂停程序运行，等待用户输入一行文本并按回车
    # 这是通过 REPL 接收电脑指令的最简单方式
    command = input()

    if command == "on":
        # 如果输入为 "on", 点亮 LED
        led.value(1)
        print("LED is ON")
    elif command == "off":
        # 如果输入为 "off", 关闭 LED
        led.value(0)
        print("LED is OFF")
    else:
        print("Unknown command. Please enter 'on' or 'off'.")

3.3 代码解析

input(): 这是 Python 的内置函数。在 MicroPython 的 REPL 环境中，它会从标准输入（通常是连接电脑的 USB 串口）读取数据，直到检测到换行符。程序执行到这里会“阻塞”（暂停），直到用户发送了指令。
逻辑判断: 根据 command 的内容，控制 GPIO 输出高电平或低电平，并通过 print() 函数将反馈信息发送回电脑显示。

3.4 运行结果

运行代码。
在 Thonny 的 Shell（REPL）窗口中，输入 on 并按回车，LED 灯亮起，Shell 显示 "LED is ON"。
输入 off 并按回车，LED 灯熄灭，Shell 显示 "LED is OFF"。

4. 示例 2：ESP32 之间串口通信

本示例展示如何使用 ESP32 的硬件串口（UART1）实现两块 ESP32 开发板之间的通信。使用一块开发板（发送端）连接按钮，控制另一块开发板（接收端）上的 LED。

4.1 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

ESP32-S3-Zero-Pinout

发送端 (开发板 A)	接收端 (开发板 B)	说明
GPIO 11 (RX)	GPIO 2 (TX)	数据从 B 发送到 A
GPIO 12 (TX)	GPIO 1 (RX)	数据从 A 发送到 B
GND	GND	必须共地，保证信号稳定

4.2 代码

4.2.1 发送端代码 (ESP32 开发板 A)

将此代码保存并运行在连接了按钮的开发板上。

import time
from machine import Pin, UART

# 定义引脚
BUTTON_PIN = 7
TX_PIN = 12
RX_PIN = 11

# 配置 UART1
# baudrate=9600: 波特率
# tx=12, rx=11: 指定发送和接收引脚
uart = UART(1, baudrate=9600, tx=TX_PIN, rx=RX_PIN)

# 配置按钮引脚 (上拉输入)
button = Pin(BUTTON_PIN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

last_button_state = 1  # 初始状态 (上拉默认为 1)

print("Sender Ready. Press the button.")

while True:
    current_button_state = button.value()

    # 检测状态变化
    if current_button_state != last_button_state:
        if current_button_state == 0:
            # 按钮按下 (低电平)
            # write() 方法发送字节数据
            uart.write('1')
            print("Sent: 1 (Button Pressed)")
        else:
            # 按钮松开 (高电平)
            uart.write('0')
            print("Sent: 0 (Button Released)")

        last_button_state = current_button_state
        time.sleep_ms(50)  # 简单的防抖动

4.2.2 接收端代码 (ESP32 开发板 B)

将此代码保存并运行在连接了 LED 的开发板上。

import time
from machine import Pin, UART

# 定义引脚
LED_PIN = 7
RX_PIN = 1
TX_PIN = 2

# 配置 UART1
# 注意：接收端的 RX 接发送端的 TX，接收端的 TX 接发送端的 RX
# 根据接线图：RX=1, TX=2
uart = UART(1, baudrate=9600, tx=TX_PIN, rx=RX_PIN)

# 配置 LED 引脚
led = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)

print("Receiver Ready. Waiting for commands...")

while True:
    # any() 返回接收缓冲区中的字符数，如果大于 0 表示有数据
    if uart.any():
        # read(1) 读取 1 个字节
        command = uart.read(1)

        # 注意：read() 返回的是 bytes 对象 (如 b'1')
        if command == b'1':
            led.value(1)
            print("Received: 1 -> LED ON")
        elif command == b'0':
            led.value(0)
            print("Received: 0 -> LED OFF")

    time.sleep_ms(10) # 稍作延时，避免 CPU 占用过高

4.3 代码解析

4.3.1 `machine.UART` 类

UART(id, baudrate, tx, rx):
- id: UART 通道编号，通常使用 1 或 2（0 通常保留给 REPL）。
- baudrate: 波特率，通信双方必须一致（本例为 9600）。
- tx, rx: 指定用于发送和接收的 GPIO 引脚。

4.3.2 发送端 (Board A)

uart.write(data): 用于发送数据。data 可以是字符串或字节串。例如 uart.write('1') 发送字符 '1'。
状态检测: 代码通过比较 current_button_state 和 last_button_state 来检测按钮动作，仅在状态改变时发送数据，避免重复发送。

4.3.3 接收端 (Board B)

uart.any(): 检查接收缓冲区中是否有等待读取的数据。如果有数据，返回大于 0 的整数。这是一个非阻塞的检查方法。
uart.read(n): 从缓冲区读取 n 个字节。如果不指定 n，则读取所有可用数据。注意：MicroPython 的 read() 方法返回 bytes（字节串） 对象，因此在比较时需要使用 b'1' 而不是字符串 '1'。

4.4 运行结果

将两份代码分别运行在两块 ESP32 开发板上。
提示：要同时运行两块开发板，有两种方法：
- 方法一（推荐）：将代码分别保存为 main.py 上传到各自的开发板中。这样开发板上电后会自动运行程序。
  
  注意：如果 Thonny 处于连接状态，它可能会发送中断信号停止 main.py 程序。若遇到此情况，请在 Shell 中按 Ctrl+D 软复位，或关闭 Thonny 后重新上电。
- 方法二：打开两个 Thonny 窗口，分别连接不同的 COM 口，然后分别点击运行按钮。
  
  注意：默认情况下 Thonny 只允许打开一个实例。如需打开多个窗口，请在菜单栏选择工具 -> 选项 -> 常规，取消勾选 "只允许一个 Thonny 实例"，然后重启 Thonny 即可。
按下发送端的按钮，接收端的 LED 应亮起，且发送端 Shell 显示 "Sent: 1"，接收端 Shell 显示 "Received: 1"。
松开按钮，接收端的 LED 应熄灭。

1. 什么是 UART？​

2. ESP32 与 MicroPython 中的 UART​

3. 示例 1：通过 REPL 控制 LED​

3.1 搭建电路​

3.2 代码​

3.3 代码解析​

3.4 运行结果​

4. 示例 2：ESP32 之间串口通信​

4.1 搭建电路​

4.2 代码​

4.2.1 发送端代码 (ESP32 开发板 A)​

4.2.2 接收端代码 (ESP32 开发板 B)​

4.3 代码解析​

4.3.1 machine.UART 类​

4.3.2 发送端 (Board A)​

4.3.3 接收端 (Board B)​

4.4 运行结果​

5. 相关链接​