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
- 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 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。
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