1.14. Serial串口

1.14.1. Serial（串口）总线介绍

Serial（串口）是单片机或者说嵌入式中使用最多、最简单的串行通讯接口，没有之一。

在同一Serial（串口）的协议层下，物理层有TTL电平、RS232电平、RS485电平等标准。也就是说协议层一样，但物理层有好几种。这里暂且不去管具体的电平逻辑，因协议层一样，那控制程序就可以采用同样的逻辑。

一般情况下，TTL电平用于单片机之间通讯，RS232电平是老PC机与单片机之间通讯的常用手段（现在PC机多采用USB转TTL电平串口与单片机直接通讯，教程中开发板将USB转TTL电平串口放在开发板上，就是用这种方式），RS485用于工业控制。

串口有25线制、9线制，最简单的是3线制，也是目前最常用的，物理连接如下图所示：

注意：发送端Tx与接受端Rx连接，发送端Rx与接受端Tx连接。

1.14.2. 程序设计

在前面的例程中，串口助手或putty中打印的信息实际上是通过串口完成的，也就是说micropython将数据流重新定向到串口，所以在micropython中可以通过print函数直接调用串口功能，但单片机没有办法针对性处理串口数据，这种模式成为Repl，即交互环境。Micropython默认使用Esp32的usart0做为交互环境。

Esp32共有uart0、uart1、uart2三个串口，micropython的Repl占用串口0，另有uart1、uart2可用，默认的端口如下：

摘自micropython doc

要完整使用串口（接、发），micropython模式下有专门操作串口的模块，接下来的测试使用usart2模块（对应硬件接口Tx2、Tx2），如下：

1.14.3. 指定IO口

当串口使用的默认IO口被占用时，可以在初始化时指定新的IO口，如esp32-wroom-32中uart1的默认端口9/10用于spiflash，那么系统中一定要使用uart1可以指定IO口为18/19，如下所示：

1.14.4. 嵌入式热敏打印机

1.14.4.1. 介绍

采用串口通讯的嵌入式打印机非常多，技术相对成熟，配置后通过串口（TTL或RS233）向打印机输出数据，打印机自动处理并打印串口中的数据（字符串形式）。如下图是蚂蚁（东莞）科技发展有限公司推出的AG58C微型热敏打印机。

根据官方资料，接口如下：

1.14.4.2. 接线

给打印机供电（按说明书，注意功率），并按上节串口（Rx=18/Tx=19）连接打印机和单片机（注意：直连需选择TTL电平接口的打印机）。

1.14.4.3. 测试代码

from machine import UART
from time import sleep

ser = UART(1,baudrate=115200,rx=18,tx=19)

while True:
    ser.write("hello world")
    sleep(1)

下载到单片机并重启，可以看到打印机每1S打印一行”hello world”。

1.14.5. RFID模块

1.14.5.1. 介绍

图中是一款RFID模块，淘宝上搜索RFID模块可以找到很多（大同小异），选择TTL电平的任意模块购买（一般情况下买模块送卡）。

购买模块后，厂家提供资料（包括测试代码、API，工具等），如图中代码的资料包中包括PC端测试软件、单片机例程、c++ Api、通讯协议等。借助这些资料，可以很方便的在单片机系统中集成RFID模块，如图PC端测试软件：

使用模块读写IC卡，必须注意以下事项：

a. 一般IC卡有64个扇区、每个扇区有4个块、每个块可以存储16个字节（块是存储数据的最小单元）。

b. 写0块很容易失败，慎用；

c. 每个扇区的最后一个块（如3、7、11块）用作加密码，不可存储数据（误操作可能造成IC卡锁死）。

1.14.5.2. 接线

给RFID模块供电（3.3V或5.0V，电流约15mA），并按上节串口（Rx=18/Tx=19）连接打印机和单片机（注意：直连需选择TTL电平接口的打印机）。

1.14.5.3. 测试代码

使用USB转串口连接RDIF模块和PC机（注意TX-RX、RX-TX）配置IC卡的工作模式“自动读卡号->自动上传数据”，如下图：

将IC卡拿开，再次接近RFID模块，IC卡会自动上传卡号。

接下来按上节内容连接单片机和RFID模块，上传如下代码到单片机，重启单片机，当IC卡接近RFID模块时，系统自动打印接受到的IC卡号。

Main.py文件

from rfid import RFID
from time import sleep

module = RFID()

while True:
    ic_type,ic_number = module.waitMsg()
    if(ic_type):
        print("Valid card(type:"+ic_type+";number:"+ic_number+")")
    sleep(1)

 

Rfid.py模块

from machine import UART
from time import sleep

class RFID:
    def __init__(self,port=1,baudrate=115200,rx=18,tx=19):
        self.port = UART(port,baudrate=baudrate,rx=rx,tx=tx)

    def waitMsg(self):
        dat = []
        if(self.port.any()):
            sleep(0.1)
            moreBytes = self.port.any()
            if moreBytes:
                dat = self.port.read()
                return("{:02x}{:02x}".format(dat[5],dat[6]),\
                  "{:02x}{:02x}{:02x}{:02x}".format(dat[7],dat[8],dat[9],dat[10]))
        return(False,0)

注意：这里仅实现了自动检测IC卡号功能，实际RFID模块功能远不止这些。

1.14.5.4. 无帧头帧尾不定长数据串口接受

串口通讯，一般情况下是按帧（特点的字节组合）处理，帧的组织形式称为串口通讯协议（逻辑协议，注意与串口物理协议区分）。

串口通讯协议有三种主要形式：

a. 固定帧长

固定帧长，最容易实现。但是帧长以实际命令中最长的为准，比如一个模块有10个命令帧，命令帧长度最短的位5，最长的为20，那么命令帧需要设置为20，这就造成总线浪费，总线使用率低。

b. 特定的帧头、帧尾

需要设置特定的帧头（如0xef）、帧尾（如0xff 0xff），上、下位机根据帧头、帧尾判断帧起始、结束，实现起来相对简单一点。但帧头帧尾会占用固定的数据，总线中不能传输和帧头、帧尾一样的数据（否则可能误判造成帧提前结束），比如帧头0xef、帧尾0xff 0xff情况下，数据中不允许出现0xef、0xff（一般将数据为拆分位0x80+dat&0x80），这也降低总线中数据有效位

c. 不固定帧头、帧尾、帧长

帧头、帧尾、帧长均不固定，总线得到充分利用，但上、下位机判断帧起始、结束较麻烦

RFID卡的通讯协议属于不固定帧头、帧尾、帧长的第三种模式。帧头、帧尾没有特定标识，且帧长不定的情况下，系统如何判断接受到的数据并进行处理呢？

这就用到串口实例的接受缓存，micropython串口有256bytes的接受缓存（其它实现方式也有缓存，如pyserial的缓存为4096bytes），物理接口接受到数据后填充到缓存中，等待系统读取（FIFO模式）。串口（baudrate=115200）在0.1S内能传输的数据总量，而一般情况下帧长不会超过50bytes，那么理论上讲，检测到缓存中有数据时再延时0.1s读缓存，就一定可以得到完整的数据帧（串口传输数据时连续的）。Micropython的uart实例，可以通过any函数判断缓存中是否有数据，参考实现如下：

dat = []

if(self.com.any()):
    sleep(0.1)
    moreBytes = self.port.any()
    if moreBytes:
         dat = self.port.read()

注意：micropython官网提醒“即使缓存区有多个数据，any函数依然有可能返回1”，如下：