MicroPython 开发ESP32应用教程 之 UART 详细讲解及应用

一、UART基础概念

1. UART(通用异步收发器)是一种双工串行通信协议，物理层由RX(接收)和TX(发送)两条线组成‌
2. 通信单位是字符(8位或9位宽)，采用起始位+数据位+停止位的帧格式传输‌
3. 与并行通信相比，串行通信占用IO少但传输速率较低‌

二、UART类实现

1. 构造函数

from machine import UART 

uart = UART(id, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=17, rx=16, timeout=10)

参数说明：

• id：串口编号，ESP32支持0-2，ESP32的UART0默认用于REPL调试，项目开发建议使用UART2‌
• bits：数据位长度(7/8/9)，默认8位
• parity：校验方式(None/0偶校验/1奇校验)，启用时bits需设为7或8位‌
• stop：停止位长度(1/2)，默认1位
• rx/tx：可指定接收/发送引脚号(如16, 17)‌

2. 核心方法

• read(n)/readinto(buf)：读取指定字节数
• write(buf)：发送数据
• readchar()/writechar()：单字符读写
• any()：检测接收缓冲区数据量‌

三、timeout参数详解

一）、timeout参数的核心作用

在MicroPython的UART库中，timeout参数用于设置读取操作的超时时间，其核心作用是：

1. 控制接收操作的等待时间，避免无限阻塞‌
2. 当指定时间内未接收到数据时返回空结果‌
3. 单位是毫秒(ms)，默认值为10ms‌

二）、具体工作机制

1. ‌阻塞行为‌：

   当调用read()/readchar()等方法时，UART会等待直到：
           1)  或达到设置的timeout时间‌
           2）接收到指定数量的数据

2. ‌超时处理‌：

         1）超时发生后，方法返回已接收到的部分数据(如果有)
         2）若未接收到任何数据则返回空对象‌

三）、实际应用场景

1. ‌串口通信调试‌：

   from machine import UART 
   
   uart = UART(id, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=17, rx=16, timeout=100)
   
   data = uart.read(10) # 最多等待100ms

2. ‌实时系统控制‌：

        1）设置较短的timeout(如50ms)实现快速响应
        2）设置较长的timeout(如500ms)确保完整接收‌

四）、参数设置建议

1. ‌计算公式‌：
   建议timeout = 数据帧传输时间 + 缓冲余量
数据帧时间 = (数据位+起始位+停止位)×(1/波特率)‌

2. ‌典型值推荐‌：

   • 低速通信(9600bps)：100-200ms
   • 高速通信(115200bps)：20-50ms‌12

3. ‌特殊处理‌：

   • 对于大块数据传输，应设置更长timeout
   • 实时性要求高的系统可使用轮询替代timeout

虽然看起来timeout参数作用很大，可以帮我们解决很多问题，但很多时候我们还是应该尽可能避免无谓的等待，让用户体验更好，这时中断机制就能解决我们面临的很多问题。

四、MicroPython UART中断机制详解

一）、UART中断基本概念

UART中断允许在数据到达时自动触发处理程序，避免轮询方式带来的CPU资源浪费‌。MicroPython通过回调函数机制实现中断处理，当特定事件发生时自动调用预设函数‌。

二）、中断配置方法

from machine import UART

def uart_callback(t):
    while uart.any():
        print(uart.read())

uart = UART(1, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=17, rx=16)
uart.irq(trigger=UART.RX_ANY, handler=uart_callback)

该代码展示了最基本的UART中断配置，当接收到任何数据时触发回调函数‌。

import micropython
from machine import UART

micropython.alloc_emergency_exception_buf(100)
buffer = bytearray(256)

def idle_handler(t):
    if uart.any():
        length = uart.readinto(buffer)
        process_data(buffer[:length])

uart = UART(1, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=17, rx=16)
uart.irq(trigger=UART.RXIDLE, handler=idle_handler)  # 线路空闲时触发

 优势：适合高速通信，减少中断次数‌。如果处理接收到的数据需要占时较长的话，建议不要在中断回调函数中处理。不管什么中断回调函数，除非必要，尽可能简洁。

from machine import UART

def uart1_handler(t):
    data = uart1.read(uart1.any())
    # 处理UART1数据

def uart2_handler(t):
    data = uart2.read(uart2.any())
    # 处理UART2数据

uart1 = UART(1, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=17, rx=16)
uart2 = UART(2, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=9, rx=10)
uart1.irq(handler=uart1_handler)
uart2.irq(handler=uart2_handler)

 同时管理多个串口设备‌的代码。

三）、关键参数说明

1. ‌触发条件‌：
   • RX_ANY：接收到任意数据时触发‌
   • RXIDLE：接收线路空闲时触发‌
2. ‌回调函数设计原则‌：
   • 必须包含伪参数(通常为t)‌
   • 应尽量简短快速执行‌
   • 避免内存分配和复杂操作‌

最后给一个实际应用代码及运行打印截图：

import time
import micropython
from machine import UART

received_data = 0 
#micropython.alloc_emergency_exception_buf(100)
buffer = bytearray(256)
 
def idle_handler(t):
    global received_data
    len = uart.any()
    if len != 0:
        received_data = uart.readinto(buffer,len)
#        print(received_data)
        print(buffer[:received_data])

def process_data():
    global received_data
    if received_data != 0:
        print(received_data)       
        uart.write(buffer[:received_data])
        received_data = 0

uart = UART(1, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=6, rx=7)
uart.irq(trigger=UART.IRQ_RXIDLE, handler=idle_handler)  # 线路空闲时触发


if __name__ == "__main__":

    while True:
        process_data()

 最近有个项目用于改造老产品，为老产品增加IOT功能，但客户产品的量不大，重新开发不管从哪方面评估都不划算，所以我们打算采用ESP32核心开发板来改造该产品，从而大大提高开发效率。这就是写这篇博文的原因，接下来我们会写一篇有关MQTT的博文。