使用ESP32-S3-IDF配置USART通信

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

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

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：

#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GPIO9
    uart_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

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 __cplusplus
 extern "C" {
#endif


class 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:9
    Uart 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);
        }
    }
}

总结

更加详细的内容可以去看看官方的资料：
ESP32S3 USART 官方手册

作者：宁子希