ESP UART 介绍

编程入门行业动态更新时间:2024-10-25 03:21:02

ESP UART 介绍

1 UART 介绍

UART 是一种以字符为导向的通用数据链，可以实现设备间的通信。异步传输的意思是不需要在发送数据上添加时钟信息。这也要求发送端和接收端的速率、停止位、奇偶校验位等都要相同，通信才能成功。

1.1 UART 通信协议

一个典型的 UART 帧开始于一个起始位，紧接着是有效数据，然后是奇偶校验位（可有可无），最后是停止位。

数据包格式如下

Start Bit

UART 数据传输线在不传输数据时通常保持在高电压电平。要开始传输数据，发送 UART 将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收 UART 检测到高电压到低电压的转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

Data Frame

数据帧包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，它的长度可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧可以是 9 位长。

Parity Bits

奇偶性描述了数字的偶数或奇数。奇偶校验位是接收 UART 判断数据在传输过程中是否发生变化的一种方式。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离数据传输可能会改变位。

Stop Bits

为了发出数据包结束信号，发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压，持续 1 到 2 位持续时间。

以下为 Baudrate: 115200, Data Bits: 8, Parity: None, Stop Bits: 1 的波形

2 流控

流主要是解决收发双方速度不匹配的问题。当接收端接收到的数据处理不过来时，就向发送端发送不再接收的信号，发送端接收到这个信号之后就会停止发送，直到收到可以继续发送的信号再继续发送。流控可以控制数据传输的进度，进而防止数据丢失。

2.1 硬件流控

硬件流控需要除 RX 和 TX 之外额外增加两根控制线，一根叫 CTS（Clear To Send），为输入信号; 一根叫 RTS（Require To Send）, 为输出信号。这两根线一个是接收控制，一个是发送控制。低电平说明可以发送数据，高电平代表发送端需要等待。

2.2 软件流控

软件流控是在发送的数据中插入特殊的字符 XON(0x11) 和 XOFF(0x13) 来控制传输。通过插入 XOFF 强制停止发送器发送数据，通过插入 XON 强制发送器发送数据。

2.3 区别

硬件流控	软件流控
硬件需要增加额外 2 跟线	硬件不需要改变
可以快速停止传输	需要等待前面的数据传输完成，存在延时
不会存在误操作	可能存在误识别（接收数据与控制字符相同）

一般来说，在存在可能溢出的环境下，优先使用硬件流控。

2.4 UART 与 TTL， RS232 的关系

UART 更多关注规定编码格式的标准，如波特率（baud rate）、帧格式和波特率误差等等，更像是规定的一种协议。而 RS232、TTL、RS485 这类串行通信接口，它们定义了接口不同的电气特性，如 RS-232 是单端输入输出，而 RS-485 为差分输入输出等，更像是借用此协议的具体的硬件。

	TTL	RS232	RS485
电平信号	电平信号为 5 V 或者 3.3 V	接口的信号电平值较高，正负 6-15 V 皆可	高低电平由最小差分电压决定
传输方式	全双工	全双工	半双工
传输距离	理论上为 10 英尺（5 m），抗噪声性能差	最远通信距离是 50 英尺（15 m）	差分信号，理论通讯距离可达 1200 米

芯片 UART 一般都是 TTL 电平的。

2.5 USB 转 TTL 串口芯片

在实际使用中，我们使用电脑的 USB 访问 ESP32 的 UART 外设，在这中间，就需要一个 USB 转 TTL 串口的芯片，以下就是目前常见的一些类型，一张表比较它们的各种特性：

	CP2102/2103	CH340系列	FT232R	PL2303HX
生产厂家	Silicon	南京沁恒	FDTI	Prolific
最高速率	1 M	2 M	3 M	12 M
Bit位数	5、6、7、8	5、6、7、8	7、8	5、6、7、8
校验位	奇/偶/1/0/无	奇/偶/1/0/无	奇/偶/1/0/无	奇/偶/1/0/无
停止位	1、1.5、2	1、2	1、2	1、1.5、2
硬件流控	有	有	有	有
稳定性	好	好	最好	差
价格	中	低	高	低

目前 ESP32 系列开发板上大多集成的是 CP2102。

3 ESP32 UART 硬件

当前 ESP32 系列芯片均集成多个 UART 外设，支持异步通信（RS232 和 RS485）和 IrDA。

以下为不同芯片间 UART 存在的差异。

	ESP32	ESP32-S2	ESP32-S3	ESP32-C3	ESP32-C2
UART 数量	3	2	3	2	2
最大通信速率	5 Mbps	5 Mbps	5 Mbps	5 Mbps	2.5 Mbps
是否支持 DMA	是	是	是	是	否

从 AT 这边的测试看，使用杜邦线最大实际 UART 通信速率可以达到 2 Mbps，超过之后数据会有错误，当需要使用更高的通信速率时，最好从 PCB 走线。

3.1 常用中断

中断名称	简介
UART_TX_DONE_INT	当发送器发送完 FIFO 中的所有数据时触发此中断
UART_RXFIFO_TOUT_INT	当接收器接收一个字节的时间大于 UART_RX_TOUT_THRHD 时触发此中断
UART_RXFIFO_OVF_INT	当接收器接收到的数据量多于 FIFO 的存储量时触发此中断
UART_FRM_ERR_INT	当接收器检测到数据帧错误时触发此中断
UART_PARITY_ERR_INT	当接收器检测到校验位错误时触发此中断
UART_TXFIFO_EMPTY_INT	当发送 FIFO 中的数据量少于 UART_TXFIFO_EMPTY_THRHD 所指定的值时触发此中断
UART_RXFIFO_FULL_INT	当接收器接收到的数据多于 UART_RXFIFO_FULL_THRHD 所指定的值时触发此中断
UART_WAKEUP_INT	UART 被唤醒时产生此中断
UART_BRK_DET_INT	当接收器在停止位之后检测到 NULL 时触发此中断

ESP 芯片的 UART RF FIFO 和 TX FIFO 共用一段 RAM 空间，在 IDF 实现中 RX FIFO 和 TX FIFO 相互独立，长度均为 128 字节。接收超过 FIFO 最大值之后就会触发 OVF 的溢出中断。

3.2 ESP-IDF 的实现

当前 ESP-IDF 内部使用 UART RF FIFO 的方式进行读写，并未使用 UART DMA。但是在 UART 驱动中， TX FIFO 和 RX FIFO 会分别和对应的 ringbuffer 相连。

RX FIFO 在接收到数据后会将数据抛给 RX 的 ringbuffer 并触发 UART_DATA 事件
TX 的 ringbuffer 在收到应用层数据后开始将数据发给 TX FIFO 发送

在此期间会通过 UART 事件标识当前的状态，UART 事件与中断的对应关系

Event	Interrupt	Comment
UART_DATA	1. UART_RXFIFO_TOUT_INT 2. UART_RXFIFO_FULL_INT	1. Timeout: 10 字节传输时间 2. Full thresh: 120 字节
UART_FIFO_OVF	UART_RXFIFO_OVF_INT	FIFO 溢出阈值为 128 字节
UART_BUFFER_FULL	/	UART 初始的 RX 的 ringbuffer 值满
UART_PATTERN_DET	UART_INTR_CMD_CHAR_DEF	收到指定数量的特殊字符，比如 AT 中的 “+++”
UART_BREAK	UART_INTR_BRK_DEF	接收到 BREAK
UART_FRAME_ERR	UART_FRM_ERR_INT
UART_PARITY_ERR	UART_PARITY_ERR_INT
UART_DATA_BREAK	/	`uart_write_bytes_with_break` 发送完数据后发送 BREAK
UART_WAKEUP	UART_WAKEUP_INT

备注： BREAK 信号就是持续一段时间（大于一个 UART 帧）的低电平。

3.3 常见问题分析

调用 uart_read_bytes 接口读到的数据长度比实际发的数据短
- ESP32 系列芯片均使用 FIFO 的方式读写 UART 数据，默认在 120 字节时会产生中断，解除 uart_read_bytes 的堵塞状态，如果发送长度大于 122 字节，则可能需要多次调用 UART_READ 接口读取
UART 初始化时配置的 rx_buffer_size 明明很大，却出现了丢数据的情况
- 丢数据是 FIFO 满导致的，此时没有及时将数据转出到 rx buffer。一般会触发 UART_FIFO_OVF，此时建议加流控，或者将 FULL_THRESH 阈值调低一些。
ESP32 调用休眠接口后， UART 通信异常
- ESP32 UART 支持两种时钟源， 80 MHz APB_CLK 以及参考时钟 REF_TICK。默认使用 APB_CLK，在休眠时此时钟源将会停止工作，因此，如果需要支持休眠，则需要在 UART 初始化时配置使用 REF_TICK，需要注意的是，此时钟源只能跑到波特率 115200。