ESP32系列芯片外设-UART通信

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前言

总线舵机是一种利用UART总线进行控制的舵机。笔者购买的总线舵机使用单线UART总线，即TX与RX在同一条线上。有的文章指出这样的设计会产生冲突，但笔者猜测如果总线上只有总线舵机，干扰可以通过软件方法解决。

本文基于ESP32-S3，编译环境是ESP-IDF v5.3.1

正文

UART配置

ESP-IDF配置UART的步骤分为以下几步：

设置通信参数 - 设置波特率、数据位、停止位等
设置通信管脚 - 分配连接设备的管脚
安装驱动程序 - 为 UART 驱动程序分配资源
运行 UART 通信 - 发送/接收数据
使用中断 - 触发特定通信事件的中断
删除驱动程序 - 如无需 UART 通信，则释放已分配的资源

步骤 1 到 3 为配置阶段，步骤 4 为 UART 运行阶段，步骤 5 和 6 为可选步骤。

设置通信参数

ESP-IDF的配置风格是使用结构体进行配置，UART配置也不例外。完整的配置结构体如下图：

const uart_config_t uart2servo_config = {
    .baud_rate = 115200,                    //比特率
    .data_bits = UART_DATA_8_BITS,          //传输位
    .parity = UART_PARITY_DISABLE,          //奇偶控制
    .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,          //停止位
    .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,  //硬件流控模式
    .source_clk = UART_SCLK_DEFAUL          //通信模式
};

随后，使用uart_param_config(uart_port_t uart_num, const uart_config_t *uart_config)注册该配置，使系统为该UART通信分配相应资源。

该函数第一个传入参数为UART控制器编号，ESP32-S3有3个UART控制器，由于ESP32使用UART_NUM_0向上位机发送日志，故本例使用UART_NUM_2。UART_NUM_SERVO是指向UART_NUM_2的宏定义。

ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(UART_NUM_SERVO, &uart2servo_config));

笔者强烈建议在调用注册函数时同时调用ESP_ERROR_CHECK()，该函数可以在操作失败时及时报错，便于debug。

设置通信管脚

下一步是为UART控制器分配通信管脚。

ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(UART_NUM_SERVO, UART_NUM_SERVO_TX, UART_NUM_SERVO_RX, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE));

通信管脚分配函数uart_set_pin(uart_port_t uart_num, int tx_io_num, int rx_io_num, int rts_io_num, int cts_io_num)共有5个参数，分别为UART控制器编号、TX端口、RX端口、RTS控制端口和CTS控制端口。

但笔者没用到RTS和CTS功能，所以使用UART_PIN_NO_CHANGE指定默认引脚。

安装驱动程序

安装UART驱动程序需要提供下列参数

UART 控制器编号
Tx 环形缓冲区的大小
Rx 环形缓冲区的大小
指向事件队列句柄的指针
事件队列大小
分配中断的标志

uart_driver_install(uart_port_t uart_num, int rx_buffer_size, int tx_buffer_size, int event_queue_size, QueueHandle_t *uart_queue, int intr_alloc_flags)是UART驱动安装函数，传入变量与上面提到的参数一一对应。

笔者的实践如下，其中RX_BUF_SIZE宏定义为1024。

  ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(UART_NUM_SERVO, RX_BUF_SIZE * 2, 0, 0, NULL, 0));

这样一来，UART就已经配置完毕，可以开始通信了。

UART收发操作

ESP-IDF编程指南指出：

发送数据的过程分为以下步骤：
将数据写入 Tx FIFO 缓冲区
FSM 序列化数据
FSM 发送数据
接收数据的过程类似，只是步骤相反：
FSM 处理且并行化传入的串行流
FSM 将数据写入 Rx FIFO 缓冲区
从 Rx FIFO 缓冲区读取数据
因此，应用程序仅会通过 uart_write_bytes() 和 uart_read_bytes() 从特定缓冲区写入或读取数据，其余工作由 FSM 完成。

幸而我们不需要了解技术实现细节，我们只需要调用UART库进行收发操作。

UART发送

UART的发送非常简单，只需要使用uart_write_bytes(uart_port_t uart_num, const void *src, size_t size)，传入参数分别为UART控制器编号，待发送数据和待发送数据长度，以下为笔者的实践。

uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand));

UART接收

UART的接收稍复杂于发送。以下为笔者的UART接收实践，封装为一个函数以便于操作。

void servoUARTread(char *UARTdata)
{
    size_t bufferLenth;
    ESP_ERROR_CHECK(uart_get_buffered_data_len(UART_NUM_SERVO, &bufferLenth));
    uart_read_bytes(UART_NUM_SERVO, UARTdata, bufferLenth, 100);
    ESP_ERROR_CHECK(uart_flush(UART_NUM_SERVO));
}

传入一个字符串指针，便于传出数据。

首先，使用uart_get_buffered_data_len()读取缓冲区数据大小，便于下一步指定读取长度。

随后，使用uart_read_bytes()读取数据，最后的参数“100”为需要等待读取的free RTOS tick数。

最后，使用uart_flush()清除缓冲区，以等待下一步读取操作。

单线串口收发干扰的解决

笔者在使用串口助手测试舵机时发现，由于TX、RX短接，每次收到的数据不仅包括应当收到的数据，还包括作为指令发送的数据。简而言之，主机发送的数据会被自己再次收到。

因此，我们可以先预设“应当收到”的数据，再在接收缓冲区中查找是否有数据与我们预设的“应当受到”的数据匹配，如果有，就表明发送成功。

以下为笔者的实践：

strConnect(servoRetrun, "#", servoID, "!");  // 拼凑出舵机“应该”有的返回值
char *isOK = NULL;                           // 串口读到的信息里有“应该”有的返回值吗？
isOK = strstr(UARTdata, servoRetrun);
if (isOK != NULL)

总线舵机作为对象

示例使用C++编写，所以笔者设计了舵机类，对舵机进行一定封装。

class SERVO
{
private:
    char servoID[4] = "000";            //舵机编号，默认为000
    char servoCommand[16];              //待发送的舵机指令
    char servoRetrun[16];               //应当接收到的舵机回传
    char resetPos[5] = "0500";
    char openPos[5] = "2000";

public:
    bool servo_init(void);
    bool opendoor();
    void setServoID(char out_servoID);
    SERVO(char *out_servoID);            //构造函数
    ~SERVO();                            //析构函数
};

SERVO::SERVO(char out_servoID[4] = "000")
{
    strcpy(servoID, out_servoID);
    servo_init();
}

SERVO::~SERVO()
{
    uart_driver_delete(UART_NUM_SERVO);
}

/*******************************************************************************
****函数功能: 初始化舵机
****入口参数: 无
****出口参数: true: 设置成功 false: 设置失败
****函数备注: 无
********************************************************************************/

bool SERVO::servo_init()
{
    init_uart2servo();
    strConnect(servoCommand, "#", servoID, "PID!");                                        // 获取舵机ID的指令
    uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand)); // 发送，然后读取串口
    char UARTdata[64];
    servoUARTread(UARTdata);
    strConnect(servoRetrun, "#", servoID, "!"); // 拼凑出舵机“应该”有的返回值
    char *isOK = NULL;                          // 串口读到的信息里有“应该”有的返回值吗？
    isOK = strstr(UARTdata, servoRetrun);
    if (isOK != NULL)
    {
        isOK = NULL;
        strcpy(UARTdata, "\0");
        strcpy(servoRetrun, "\0");
        strConnect(servoCommand, "#", servoID, "PMOD!"); // 舵机读取工作模式指令
        uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand));
        servoUARTread(UARTdata);
        strConnect(servoRetrun, "#", servoID, "PMOD1!"); // 舵机的工作模式应该是舵机模式，顺时针最大270度，即1
        isOK = strstr(UARTdata, servoRetrun);
        if (isOK != NULL)
        {
            strcpy(UARTdata, "\0"); // 工作模式不是1就设置成1
            strConnect(servoCommand, "#", servoID, "PMOD1!");
            uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand));
        }
        return true;
    }
    else
    {
        return false;
    }
}

/*******************************************************************************
****函数功能: 开门
****入口参数: 无
****出口参数: true: 开门成功 false: 开门失败
****函数备注: 初始位为500，开门位为2000
********************************************************************************/

bool SERVO::opendoor()
{
    strConnect(servoCommand, "#", servoID, "P", openPos, "T1000!"); // #000P2000T1000!
    uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand));
    vTaskDelay(1000);
    strConnect(servoCommand, "#", servoID, "P", resetPos, "T1000!");
    uart_write_bytes(UART_NUM_SERVO, servoCommand, strlen(servoCommand));
}

参考

ESP-IDF编程指南——通用异步接收器/发送器 (UART)