05-ESP32-S3-IDF USART-编程知识

ESP32-S3 IDF USART详解

USART简介

USART是一种串行通信协议，广泛应用于微控制器和计算机之间的通信。USART支持异步和同步模式，因此它可以在没有时钟信号的情况下（异步模式）或有时钟信号的情况下（同步模式）进行通信。

ESP32-S3的USART

ESP32-S3有两个全功能的USART通道，USART0和USART1，USART2，支持异步通信（RS232 和 RS485）和 IrDA，通信速率可达到 5 Mbps。

UART 基本架构图
在这里插入图片描述
UART 模块工作在两个时钟域：APB_CLK 时钟域和 Core 时钟域。UART Core 有三个时钟源：80-MHz APB_CLK、RC_FAST_CLK 以及晶振时钟 XTAL_CLK ，可以通过配置 UART_SCLK_SEL 来选择时钟源。分频器用于对时钟源进行分频，然后产生时钟信号来驱动 UARTCore 模块。

更加详细的介绍，可以去看看官方的文档：
ESP32S3官方文档

需要注意一点
ESP32-S3的USART引脚映射是可配置的，这是因为ESP32-S3使用了一个称为GPIO矩阵的特性。GPIO矩阵是ESP32-S3硬件的一部分，它允许将内部信号路由到任何GPIO引脚。这意味着，我们可以将USART的发送（TX）和接收（RX）信号连接到你选择的任何可用GPIO引脚。

ESP32-S3 UART的默认引脚

	发送（TX）	接收（RX）
UART0	IO43	IO44
UART1	IO17 / 任意IO	IO18 / 任意IO
UART2	任意IO	任意IO

`printf()`函数

在ESP-IDF中，printf()函数默认使用的是USART0。这是因为在ESP32-S3的启动代码中，USART0被初始化为默认的调试控制台。因此，当我们在代码中使用printf()函数来打印信息时，这些信息将会被发送到USART0，并且可以通过串行接口（如USB转串口适配器）在计算机的串行监视器上看到。

使用ESP-IDF配置USART

在ESP32-S3上使用USART的基本步骤：

设置 UART 参数、分配引脚（可选，不配置则使用默认引脚）
初始化UART
安装 UART 驱动
收发数据
使用中断
卸载 UART 中断驱动，释放资源（当 UART 不再使用时）

#include "driver/uart.h"void app_main(void)
{// -------------1. 配置USART选项-----------------------uart_config_t uart_config = {.baud_rate = 115200, // 波特率.data_bits = UART_DATA_8_BITS, // 数据位.parity = UART_PARITY_DISABLE, // 奇偶校验.stop_bits = UART_STOP_BITS_1, // 停止位.flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE // 流控};// --------------2. 初始化USART------------------------// UART_NUM_1：UART端口号// &uart_config：指向uart_config_t结构体的指针uart_param_config(UART_NUM_1, &uart_config);// --------------3. 安装驱动程序------------------------// UART_NUM_1：UART端口号// 1024 * 2：接收缓冲区大小// 0：发送缓冲区大小// 0：队列长度// NULL：队列句柄（如果不使用队列，可以设置为NULL）// 0：中断分配标志（通常设置为0）uart_driver_install(UART_NUM_1, 1024 * 2, 0, 0, NULL, 0);// 4.---------------4. 发送数据--------------------------// UART_NUM_1：UART端口号// "Hello, world!"：要发送的数据// 13：要发送的数据的长度uart_write_bytes(UART_NUM_1, "Hello, world!", 13);// ------------------5. 读取数据-----------------------uint8_t data[128]; // 数据缓冲区int length = 0; // 读取的数据长度// UART_NUM_1：UART端口号// data：数据缓冲区// sizeof(data)：要读取的最大数据长度// 1000 / portTICK_RATE_MS：读取超时时间（以RTOS tick为单位）length = uart_read_bytes(UART_NUM_1, data, sizeof(data), 1000 / portTICK_RATE_MS);if (length > 0) {// 如果读取到数据，处理数据// ...}}

前面提到过ESP32-S3的USART引脚映射是可配置的，所以我们可以使用uart_set_pin()来自定义TX和RX

#include "driver/uart.h"void app_main(void)
{// 设置UART1的TX引脚为GPIO10，RX引脚为GPIO9uart_set_pin(UART_NUM_1, 10, 9, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE);
}

这里uart_set_pin()函数的最后两个参数是RTS（请求发送）和CTS（清除发送），我没有使用所以将它们设置为UART_PIN_NO_CHANGE

USART实验

在这里插入图片描述
串口UART_NUM_1接收数据，并分别在串口UART_NUM_0和串口UART_NUM_1返回

这次我们依旧使用面向对象的方法来编写驱动，驱动API接口参考Arduino的格式

USART.h

/*** @file USART.h* @author 宁子希 (1589326497@qq.com)* @brief   串口初始化类* @version 0.1* @date 2024-03-12* * @copyright Copyright (c) 2024* */#ifndef _USART_H_
#define _USART_H_#include <string.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/uart.h"
#include "driver/uart_select.h"
#include "driver/gpio.h"#ifdef __cplusplusextern "C" {
#endifclass Uart {
public:// 构造函数，接收UART端口号和TX、RX引脚作为参数Uart(uart_port_t uart_num, int tx_pin, int rx_pin);// 发送数据，接收一个字符数组和长度作为参数void write(const char* data, int len);// 接收数据，接收一个字符数组和长度作为参数，返回实际接收的长度int read(uint8_t* buf, int len);private:uart_port_t _uart_num; // UART端口号int _tx_pin; // TX引脚int _rx_pin; // RX引脚
};#ifdef __cplusplus}
#endif#endif

USART.cpp

/*** @file USART.cpp* @author 宁子希 (1589326497@qq.com)* @brief   串口初始化类* @version 0.1* @date 2024-03-12* * @copyright Copyright (c) 2024* */
#include "USART.h"// 构造函数
Uart::Uart(uart_port_t uart_num, int tx_pin, int rx_pin): _uart_num(uart_num), _tx_pin(tx_pin), _rx_pin(rx_pin) {// 配置UART参数uart_config_t uart_config = {.baud_rate = 115200, // 波特率.data_bits = UART_DATA_8_BITS, // 数据位.parity = UART_PARITY_DISABLE, // 奇偶校验.stop_bits = UART_STOP_BITS_1, // 停止位.flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE, // 流控制};// 配置UART参数uart_param_config(uart_num, &uart_config);// 设置UART引脚// 设置UART的TX和RX引脚uart_set_pin(uart_num, tx_pin, rx_pin, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE);// 安装UART驱动程序// 安装UART驱动程序uart_driver_install(uart_num, 1024 * 2, 0, 0, NULL, 0);
}// 发送数据
void Uart::write(const char* data, int len) {// 调用ESP-IDF库函数来发送数据uart_write_bytes(_uart_num, data, len);
}// 接收数据
int Uart::read(uint8_t* buf, int len) {// 调用ESP-IDF库函数来接收数据return uart_read_bytes(_uart_num, buf, len, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}

main.cpp

/*** @file main.cpp* @author 宁子希 (1589326497@qq.com)* @brief   串口通信实验* @version 0.1* @date 2024-03-13* * @copyright Copyright (c) 2024* */#include <iostream>
#include <string>
#include "USART.h"
using namespace std;extern "C" void app_main(void){// 创建一个Uart对象使用UART_NUM_1 TX:8 RX:9Uart uart1(UART_NUM_1, 8, 9);// 发送数据uart1.write("Hello, ESP32!", 13);while(true){// 接收数据uint8_t buf[128];int len = uart1.read(buf, sizeof(buf));// 处理接收到的数据if (len > 0) {// 假设我们只是简单地将接收到的数据打印出来for (int i = 0; i < len; i++) {printf("%c", buf[i]);}printf("\n");// 然后我们可以再次发送处理后的数据uart1.write((const char*)buf, len);}}
}