串口通讯非常简单，也非常重要，它是广泛用于计算机、嵌入式系统和工业设备之间的数据传输方式，掌握它基本就可以算是嵌入式设备入门了，本章节也比较长，且相关知识将分成3个部分，都是干货：
1、基本的串口通信
2、Modbus
3、使用Modbus进行OTA
下面先介绍基础串口通信：

实物图

在这里插入图片描述

原理图

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

可以看出esp32-s3的串口0(TXD0/RXD0)通过跳线(P4跳线座子的U0 TXD连RXD，U0 RXD连TXD)连接到U12的CH340C这个芯片，再由这个芯片连接到USB座子(CH340 D+连CH340 D+，CH340 D-连CH340 D-)；CH340C这个芯片是CH340C 是南京沁恒微电子（WCH）推出的 USB 转串口芯片，内置时钟无需外部晶振，支持 5V/3.3V 电源电压，广泛用于单片机串口下载、设备升级等场景。

ESP32-IDF示例代码解析

1.使用peripherals\uart\uart_echo
![[Pasted image 20260118162311.png]]
2.分析示例代码：

// 从配置文件中读取UART引脚配置
#define ECHO_TEST_TXD (CONFIG_EXAMPLE_UART_TXD)  // UART发送引脚
#define ECHO_TEST_RXD (CONFIG_EXAMPLE_UART_RXD)  // UART接收引脚
#define ECHO_TEST_RTS (UART_PIN_NO_CHANGE)       // RTS引脚(流控制),保持不变
#define ECHO_TEST_CTS (UART_PIN_NO_CHANGE)       // CTS引脚(流控制),保持不变

// UART配置参数
#define ECHO_UART_PORT_NUM      (CONFIG_EXAMPLE_UART_PORT_NUM)      // UART端口号
#define ECHO_UART_BAUD_RATE     (CONFIG_EXAMPLE_UART_BAUD_RATE)     // UART波特率
#define ECHO_TASK_STACK_SIZE    (CONFIG_EXAMPLE_TASK_STACK_SIZE)    // 任务堆栈大小  

// 日志标签,用于标识日志输出来源
static const char *TAG = "UART TEST";

// 数据缓冲区大小
#define BUF_SIZE (1024)

/**
 * UART回显任务函数
 * @param arg 任务参数(本例中未使用)
 *
 * 该任务的主要功能:
 * 1. 初始化UART驱动
 * 2. 配置UART参数
 * 3. 循环读取接收到的数据并回传
 */

static void echo_task(void *arg)
{
    /* 配置UART驱动参数、通信引脚并安装驱动 */
    uart_config_t uart_config = {
        .baud_rate = ECHO_UART_BAUD_RATE,      // 波特率设置
        .data_bits = UART_DATA_8_BITS,          // 数据位: 8位
        .parity    = UART_PARITY_DISABLE,       // 校验位: 无校验
        .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,          // 停止位: 1位
        .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,  // 硬件流控制: 禁用
        .source_clk = UART_SCLK_DEFAULT,        // 时钟源: 使用默认时钟
    };

    int intr_alloc_flags = 0;  // 中断分配标志

#if CONFIG_UART_ISR_IN_IRAM
    // 如果配置了UART中断在IRAM中,设置相应的中断标志
    intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_IRAM;
#endif

    // 安装UART驱动
    // 参数: 端口号, Rx缓冲区大小, Tx缓冲区大小, 事件队列大小, 事件队列句柄, 中断标志
    ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(ECHO_UART_PORT_NUM, BUF_SIZE * 2, 0, 0, NULL, intr_alloc_flags));

    // 配置UART参数
    ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(ECHO_UART_PORT_NUM, &uart_config));

    // 设置UART引脚
    // 参数: 端口号, TX引脚, RX引脚, RTS引脚, CTS引脚
    ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(ECHO_UART_PORT_NUM, ECHO_TEST_TXD, ECHO_TEST_RXD, ECHO_TEST_RTS, ECHO_TEST_CTS));

  

    // 配置临时缓冲区用于接收数据
    uint8_t *data = (uint8_t *) malloc(BUF_SIZE);

    // 主循环: 持续读取并回显数据
    while (1) {
        // 从UART读取数据
        // 参数: 端口号, 数据缓冲区, 读取最大字节数, 超时时间(20ms)
        int len = uart_read_bytes(ECHO_UART_PORT_NUM, data, (BUF_SIZE - 1), 20 / portTICK_PERIOD_MS);
        // 将数据写回UART(回显)
        uart_write_bytes(ECHO_UART_PORT_NUM, (const char *) data, len);

        // 如果接收到数据,打印日志
        if (len) {
            data[len] = '\0';  // 添加字符串结束符
            ESP_LOGI(TAG, "Recv str: %s", (char *) data);
        }
    }
}

/**
 * 应用主函数
 * 这是程序的入口点
 */
void app_main(void)
{
    // 创建并启动UART回显任务
    // 参数: 任务函数, 任务名称, 堆栈大小, 任务参数, 优先级, 任务句柄
    xTaskCreate(echo_task, "uart_echo_task", ECHO_TASK_STACK_SIZE, NULL, 10, NULL);
}

3.配置
在这里插入图片描述

4.调试
在这里插入图片描述

关键知识点

硬件

不同的型号，串口数量可能不一样，需要参考对应的技术参考手册，ESP32-S3有3个串口，UART0~2。先来介绍串口的硬件知识：

数据通信(传输)

我们知道，2个设备之间要交换数据，有2种方式：1种是两个设备直接连接数据线，1种是两个设备收发无线电信号(比如wifi、蓝牙)，而最简单，最容易的就是第一种，那第一种，又分为2种情况：
![[Pasted image 20260118203317.png]]

发送方同时刻发多位数据给接收方，这就是并行通信，而发送方同时刻发一位给接收方，就是串行通信，可以理解为多行道和单行道；另外，根据数据传输方向，我们又分为单工、半双工和全双工：
在这里插入图片描述

如a）一方只发不收，一方只收不发，称为单工通信；
如b) 同一时刻，一方发送数据，另一方接收数据，等到下一时刻，转换角色，发送数据的设备改成接收数据，接收数据的设备改成发送数据；它们不能同时接收和发送数据，这种称为半双工通信；
如c）同一时刻，双方都能接收和发送数据，称为全双工通信或者双工通信。
而上面只有1根数据线的进行传输通信，发送方一个高电平和一个低电平，接收方怎么知道这两个电平信号对应的数据是10，而不是100、110或者1100等等呢？这个时候就有2个办法：
1、加一根时钟信号线，原理的那根线叫数据线，一般时钟信号线上的信号是固定频率的，约定诸如发送方在从低电平变成高电平时(上升沿)的数据有效，那么接收方也只在这个时候采样数据信号线上的数据，是高电平，就是数据1，是低电平，就是数据0。
2、两边约定一个采样率，以固定的频率进行采样。
在这里插入图片描述
这样就引出了第三个概念：同步通信和异步通信，有时钟信号线的就是同步通信，没有的就是异步通信。
最后在数字通信系统中，通信速率（传输速率）指数据在信道中传输的速度，它分为两种：传信率和传码率。
传信率：每秒钟传输的信息量，即每秒钟传输的二进制位数，单位为 bit/s（即比特每秒）， 因而又称为比特率。
传码率：每秒钟传输的码元个数，单位为 Baud（即波特每秒），因而又称为波特率。
比特率和波特率这两个概念又常常被人们混淆。比特率很好理解，我们来看看波特率，波特率被传输的是码元，码元是信号被调制后的概念，每个码元都可以表示一定 bit 的数据信息量。
举个例子，在 TTL 电平标准的通信中，用 0V 表示逻辑 0，5V 表示逻辑 1，这时候这个码元就可以表示两种状态。如果电平信号 0V、2V、4V 和 6V 分别表示二进制数 00、01、10、11，这时候每一个码元就可以表示四种状态。 由上述可以看出，码元携带一定的比特信息，所以比特率和波特率也是有一定的关系的。
比特率和波特率的关系可以用以下式子表示：
比特率 = 波特率 * log2M
其中 M 表示码元承载的信息量。我们也可以理解 M 为码元的进制数。
举个例子：波特率为 100 Baud，即每秒传输 100 个码元，如果码元采用十六进制编码（即 M=16，代入上述式子），那么这时候的比特率就是400 bit/s。如果码元采用二进制编码（即M=2， 代入上述式子），那么这时候的比特率就是 100 bit/s。
可以看出采用二进制的时候，波特率和比特率数值上相等。但是这里要注意，它们的相等只是数值相等，其意义上不同，看波特率和波特率单位就知道。由于我们的所用的数字系统都 是二进制的，所以有部分人久而久之就直接把波特率和比特率混淆了。
以上，并行、串行；单、双工；同步、异步；比特率、波特率就是数据通信中最基本的概念。

串口

串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信
单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力
在这里插入图片描述

硬件示意图

在这里插入图片描述

如上图：
•简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
•TX与RX要交叉连接
•当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
•当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片
根据电平标准不一样，串口又分为3种：
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
•TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
•RS232电平：-3-15V表示1，+3+15V表示0
•RS485电平：两线压差+2+6V表示1，-2-6V表示0（差分信号），半双工

通信关键参数

参数说明常用值
‌波特率 (Baud Rate)每秒传输的符号数（通常等于比特数），决定通信速度。9600、19200、115200 bps 等。速率越高，传输距离越短。
‌数据位 (Data Bits)每个数据帧中有效数据的位数。5、7、8 位。8 位最常见，可传输标准 ASCII 或扩展 ASCII 字符。
停止位 (Stop Bits)标识一个数据帧结束的位数，为高电平。1、1.5、2 位。1 位最常用，用于接收端时钟同步。
‌奇偶校验位 (Parity Bit)一种简单的错误检测机制，可选。‌无校验 (None)、‌奇校验 (Odd)、‌偶校验 (Even)‌。校验位确保数据位中“1”的总数为奇数或偶数。

软件

枚举类型

/**
 * @brief 数据位枚举
 */
typedef enum {
    UART_DATA_5_BITS   = 0x0,    /*!< 5位数据位*/
    UART_DATA_6_BITS   = 0x1,    /*!< 6位数据位*/
    UART_DATA_7_BITS   = 0x2,    /*!< 7位数据位*/
    UART_DATA_8_BITS   = 0x3,    /*!< 8位数据位*/
    UART_DATA_BITS_MAX = 0x4,
} uart_word_length_t;

/**
 * @brief 停止位枚举
 */
typedef enum {
    UART_STOP_BITS_1   = 0x1,  /*!< 1位停止位*/
    UART_STOP_BITS_1_5 = 0x2,  /*!< 1.5位停止位*/
    UART_STOP_BITS_2   = 0x3,  /*!< 2位停止位*/
    UART_STOP_BITS_MAX = 0x4,
} uart_stop_bits_t;

/**
 * @brief 校验位枚举
 */
typedef enum {
    UART_PARITY_DISABLE  = 0x0,  /*!< 无校验*/
    UART_PARITY_EVEN     = 0x2,  /*!< 偶校验*/
    UART_PARITY_ODD      = 0x3   /*!< 奇校验*/
} uart_parity_t;

函数

esp_err_t uart_driver_install(uart_port_t uart_num, int rx_buffer_size, int tx_buffer_size, int queue_size, QueueHandle_t* uart_queue, int intr_alloc_flags);

函数功能
安装UART驱动程序，并将UART设置为默认配置。UART中断处理程序将附加到运行此函数的CPU核心上。
输入参数

参数类型说明
uart_numuart_port_tUART端口号，最大端口号为 (UART_NUM_MAX - 1)
rx_buffer_sizeintUART接收环形缓冲区大小，应大于 UART_HW_FIFO_LEN(uart_num)
tx_buffer_sizeintUART发送环形缓冲区大小，设置为0时驱动不使用TX缓冲区，TX函数会阻塞直到所有数据发送完成
queue_sizeintUART事件队列大小/深度
intr_alloc_flagsint用于分配中断的标志，一个或多个（按位或）ESP_INTR_FLAG_*值

输出参数

参数类型说明
uart_queueQueueHandle_t*UART事件队列句柄（输出参数）。成功时，新的队列句柄会写入此处以提供访问UART事件。如果设置为NULL，驱动程序将不使用事件队列

返回值

返回值说明
ESP_OK成功
ESP_FAIL参数错误

注意事项

  • Rx_buffer_size 应大于 UART_HW_FIFO_LEN(uart_num)
  • Tx_buffer_size 应为0或大于 UART_HW_FIFO_LEN(uart_num)
  • 不要设置 ESP_INTR_FLAG_IRAM 标志（驱动的ISR处理程序不在IRAM中）
esp_err_t uart_param_config(uart_port_t uart_num, const uart_config_t *uart_config);

函数功能
设置UART配置参数。该函数用于配置UART的各种通信参数，如波特率、数据位、校验位、停止位等。

输入参数

参数类型说明
uart_numuart_port_tUART端口号，最大端口号为 (UART_NUM_MAX - 1)
uart_configconst uart_config_t*UART参数设置
返回值
返回值说明
ESP_OK成功
ESP_FAIL参数错误，例如波特率不可实现

uart_config_t 结构体说明

字段类型说明
baud_rateintUART波特率，注意实际设置的波特率可能因舍入误差而与用户配置的值略有偏差
data_bitsuart_word_length_tUART字节大小（数据位）
parityuart_parity_tUART校验模式
stop_bitsuart_stop_bits_tUART停止位
flow_ctrluart_hw_flowcontrol_tUART硬件流控制模式（CTS/RTS）
rx_flow_ctrl_threshuint8_tUART硬件RTS阈值
source_clkuart_sclk_tUART源时钟选择
lp_source_clklp_uart_sclk_t低功耗模式下源时钟选择
flags.allow_pduint32_t (bit)如果设置，允许系统进入睡眠模式时关闭电源域，可节省功耗但会增加RAM消耗
flags.backup_before_sleepuint32_t (bit)已弃用，含义与allow_pd相同
esp_err_t uart_set_pin(uart_port_t uart_num, int tx_io_num, int rx_io_num, int rts_io_num, int cts_io_num);

函数功能
将UART外设的信号分配给GPIO引脚。该函数用于配置UART的TX、RX、RTS、CTS等引脚对应的GPIO编号。
输入参数

参数类型说明
uart_numuart_port_tUART端口号，最大端口号为 (UART_NUM_MAX - 1)
tx_io_numintUART TX引脚的GPIO编号
rx_io_numintUART RX引脚的GPIO编号
rts_io_numintUART RTS引脚的GPIO编号
cts_io_numintUART CTS引脚的GPIO编号
返回值
返回值说明
ESP_OK成功
ESP_FAIL参数错误

注意事项

  1. IOMUX与GPIO Matrix自动选择：

    • 如果为UART信号配置的GPIO编号与该GPIO的IOMUX信号匹配，信号将通过IOMUX直接连接
    • 否则，GPIO和信号将通过GPIO矩阵连接
    • 例如，在ESP32上调用 uart_set_pin(0, 1, 3, -1, -1) 时，由于GPIO1是UART0的默认TX引脚，GPIO3是默认RX引脚，两者会通过IOMUX直接连接到U0TXD和U0RXD，完全绕过GPIO矩阵
    • 检查是按引脚逐个进行的，因此可以让RX引脚通过GPIO矩阵绑定到GPIO，而TX通过IOMUX绑定到GPIO

  2. 单线模式：

    • 可以配置TX和RX共享同一个IO（单线模式）
    • 需注意输出冲突，可能损坏焊盘
    • 请预先对焊盘应用开漏和上拉作为保护，或上层协议必须保证两端不会同时输出

  3. 引脚设置：

    • 使用 -1 表示不使用该引脚（如不需要硬件流控制时，RTS/CTS设为-1）
int uart_write_bytes(uart_port_t uart_num, const void* src, size_t size);

函数功能
向UART端口发送指定缓冲区和长度的数据。
输入参数

参数类型说明
uart_numuart_port_tUART端口号，最大端口号为 (UART_NUM_MAX - 1)
srcconst void*数据缓冲区地址
sizesize_t要发送的数据长度
返回值
返回值说明
-1参数错误
>=0推送到TX FIFO的字节数

工作机制

情况1：tx_buffer_size = 0

  • 函数不会返回，直到所有数据已发送出去，或至少推入TX FIFO
  • 阻塞模式：等待数据完全发送

情况2：tx_buffer_size > 0

  • 函数在将所有数据复制到TX环形缓冲区后立即返回
  • UART ISR会逐渐将数据从环形缓冲区移动到TX FIFO
  • 非阻塞模式：数据在后台发送
int uart_read_bytes(uart_port_t uart_num, void* buf, uint32_t length, TickType_t ticks_to_wait);

函数功能
从UART缓冲区读取指定长度的字节数据。

输入参数

参数类型说明
uart_numuart_port_tUART端口号，最大端口号为 (UART_NUM_MAX - 1)
bufvoid*指向缓冲区的指针，用于存储读取的数据
lengthuint32_t要读取的数据长度
ticks_to_waitTickType_t超时时间，单位为RTOS ticks

输出参数

参数类型说明
bufvoid*读取的数据将存储在此缓冲区中

返回值

返回值说明
-1错误
>=0从UART缓冲区实际读取的字节数

工作机制

  • 从UART接收缓冲区读取数据
  • 支持超时机制，防止无限等待
  • 如果缓冲区中数据不足，等待指定时间
  • 超时后返回实际读取的字节数（可能小于请求的长度）

补充知识–IOMUX和GPIO Matrix

这里涉及到esp32 管脚功能设置，它比STM32更灵活，STM32使用GPIO的复用功能连接外设，若有重复，需要重映射，同一时间一个管脚通常只能承载一个复用功能，而ESP32采用IOMUX + GPIO Matrix的机制，同一时间一个管脚可以通过GPIO Matrix承载多个外设信号，若使用IOMUX，则提供专用高速通道，低延迟，高速度，若不支持IOMUX，则使用GPIO Matrix，延迟多些，但可测量，约数十ns。
每款芯片的IOMUX表，需要查看其技术规格书，esp32-s3的IOMUX表如下：
![[Pasted image 20260219180124.png]]
![[Pasted image 20260219180144.png]]
注意以下信息：
![[Pasted image 20260219180402.png]]
就是说红色的这几个管脚，如果使用的是模组，就不要使用了，而什么是模组，见我第一篇文章[[01-esp32介绍 物联网时代的瑞士军刀，还是开发者的电子鸦片]]
IO MUX、RTC IO MUX 和 GPIO 交换矩阵结构框图如下，具体说明可以参考对应的芯片的技术参考手册，若有兴趣，我们后面单独开一章介绍：
![[Pasted image 20260219180632.png]]

使用串口0打印hello world

#include <stdio.h>
#include "driver/uart.h"            // ESP32 UART驱动头文件
#include "driver/gpio.h"            // ESP32 GPIO驱动头文件
#include "freertos/task.h"          // FreeRTOS任务相关函数
 
void app_main(void)
{
    /* 配置UART驱动参数、通信引脚并安装驱动 */
    uart_config_t uart_config = {
        .baud_rate = 115200,      // 波特率设置
        .data_bits = UART_DATA_8_BITS,          // 数据位: 8位
        .parity    = UART_PARITY_DISABLE,       // 校验位: 无校验
        .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,          // 停止位: 1位
        .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,  // 硬件流控制: 禁用
        .source_clk = UART_SCLK_DEFAULT,        // 时钟源: 使用默认时钟
    };
    int intr_alloc_flags = 0;  // 中断分配标志

    // 安装UART驱动
    // 参数: 端口号, Rx缓冲区大小, Tx缓冲区大小, 事件队列大小, 事件队列句柄, 中断标志
    ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(UART_NUM_0, 2048, 0, 0, NULL, intr_alloc_flags));  

    // 配置UART参数
    ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(UART_NUM_0, &uart_config));  

    // 设置UART引脚
    // 参数: 端口号, TX引脚, RX引脚, RTS引脚, CTS引脚
    ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(UART_NUM_0, GPIO_NUM_43, GPIO_NUM_44, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE));

    // 配置临时缓冲区用于接收数据
    char data[20] = "hello world";
    // 主循环: 持续读取并回显数据
    while (1) {
        // 将数据写到UART
        uart_write_bytes(UART_NUM_0, (const char *) data, sizeof(data));
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

在这里插入图片描述

实操练习：

实现功能：
通过串口输入字符控制led灯：

  • 输入"led on"，点亮led灯
  • 输入"led off", 关闭led灯
  • 其他，返回命令错误

答案在gitee：
https://gitee.com/zhangdong_road/esp32

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参考github网址：https://github.com/OpenDriveLab/UniAD/tree/v2.0参考readme：https://gitcode.com/Ascend/DrivingSDK/blob/master/model_examples/UniAD/README.md。

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