【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32 UART（串行总线）

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

ESP32 是一款功能丰富的微控制器，集成了 Wi-Fi 和蓝牙连接功能，适合物联网开发的强大而实惠的平台。ESP32 的主要特点有：

1、处理器：CPU：Xtensa 双核（或单核）32 位 LX6 微处理器，工作频率为 160 或 240 MHz，性能可达 600 DMIPS。超低功耗（ULP）协处理器。
2、内存：520 KiB RAM，448 KiB ROM。
3、无线连接：Wi-Fi：802.11 b/g/n。蓝牙：v4.2 BR/EDR 和 BLE。
4、外设：12 位 SAR ADC 最多支持 18 个通道，2 个 8 位 DAC，10 个触摸传感器，4 个 SPI，2 个 I2S，2 个 I2C，3 个 UART，SD/SDIO/MMC 主机控制器，SDIO/SPI 从设备控制器，以太网 MAC 接口，CAN 总线 2.0，红外远程控制器，电机 PWM，LED PWM 最多支持 16 通道。
4、安全性：硬件加速 AES、SHA-2、RSA、ECC、随机数生成器（RNG）等。
5、可靠性：工作温度范围为 –40°C 到 +125°C。具有动态电压调整和时钟门控等功能，可适应外部条件的变化和降低功耗。
6、灵活性：可作为独立系统运行应用程序或作为主机 MCU 的从设备，通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和蓝牙功能。具有高度集成的天线开关、RF balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块等。

MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线）是指使用 MicroPython 语言来实现 ESP32 开发板的 UART（通用异步收发传输器）功能，实现与其他设备或电路的串行数据通信。下面将从以下三个方面来介绍 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线）：

主要特点：

简单易用：MicroPython 语言是一种高级语言，它具有简洁、清晰、易读的语法，可以让开发者快速上手，无需复杂的配置和编译过程，只需将 MicroPython 固件烧录到 ESP32 开发板上，就可以通过串口或者 WebREPL 来交互式地执行代码，或者将代码保存到开发板的文件系统中。
丰富多样：ESP32 开发板有三个硬件 UART 资源，分别为 UART0、UART1 和 UART2。UART0 是默认的调试串口，用于连接电脑和开发板。UART1 和 UART2 可以自由配置引脚和参数，用于连接其他设备或电路。MicroPython 提供了 machine.UART 类，可以方便地创建和控制 UART 对象。machine.UART 类提供了 init、deinit、read、readinto、write、readline、any 和 callback 等方法，可以实现 UART 的初始化、关闭、读取、写入、设置回调函数等功能。
功能强大：MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线）可以实现多种功能，例如与其他微控制器或微电脑通信、与传感器或执行器交换数据、与模块或外围设备控制命令等。通过设置合适的波特率、数据位、校验位和停止位等参数，可以让 UART 与不同的设备或电路兼容。通过使用中断回调函数，可以让 UART 在接收到数据时触发相应的操作。

应用场景：

GPS 定位：利用 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线），可以连接 GPS 模块，并从 GPS 模块接收 NMEA 数据包，解析出经纬度、海拔、速度等信息，并在 OLED 显示屏上显示。例如，可以使用 machine.UART 类来创建一个 UART 对象，并设置波特率为 9600，并使用 read 方法来读取 GPS 模块发送的数据。
蓝牙通信：利用 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线），可以连接 HC-05 蓝牙模块，并与其他蓝牙设备进行通信。例如，可以使用 machine.UART 类来创建一个 UART 对象，并设置波特率为 38400，并使用 write 方法来向 HC-05 蓝牙模块发送 AT 命令，或者使用 read 方法来从 HC-05 蓝牙模块接收数据。
红外遥控：利用 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线），可以连接红外接收模块，并接收红外遥控器发送的编码信号，并根据不同的编码信号来执行不同的操作。例如，可以使用 machine.UART 类来创建一个 UART 对象，并设置波特率为 9600，并使用 callback 方法来设置一个中断回调函数，在回调函数中解析红外编码信号，并控制 LED 或蜂鸣器等设备。

需要注意的事项：

硬件兼容性：由于 ESP32 开发板有多种型号和厂商，不同的开发板可能有不同的引脚分配和外设配置。因此，在使用 MicroPython 的 UART 类时，需要根据具体的开发板来选择正确的 UART ID 和引脚编号，并注意引脚之间是否有冲突或者限制。此外，在使用一些特殊的外设时，例如 GPS 模块或者 HC-05 蓝牙模块时，需要检查是否有对应的 MicroPython 驱动，并注意是否需要额外的硬件连接或者配置。
软件更新性：由于 MicroPython 是一个活跃的开源项目，它会不断地更新和改进，添加新的功能和修复旧的问题。因此，在使用 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线）时，需要关注 MicroPython 的官方网站1 和社区2 ，及时获取最新的固件和文档，并根据需要进行更新和升级。同时，也需要注意 MicroPython 的版本兼容性，避免因为版本不一致而导致的错误或者异常。
内存管理性：由于 ESP32 开发板的内存资源有限，MicroPython 在运行时会进行动态的内存分配和回收，使用垃圾回收机制来管理内存。因此，在使用 MicroPython 的 ESP32 UART（串行总线）时，需要注意内存的使用情况，避免出现内存不足或者内存泄漏的问题。为了提高内存的利用率和效率，可以使用一些技巧和方法，例如使用字节码而不是源码来执行程序，使用 const 关键字来定义常量，使用 ujson 和 ubinascii 模块来处理数据等。

实际运用程序参考代码案例：

案例1：GPS 定位：这个程序可以从 GPS 模块接收 NMEA 数据包，并解析出经纬度、海拔、速度等信息，并在 OLED 显示屏上显示。首先，导入 machine、utime、ssd1306 和 micropyGPS 模块，并创建一个 Pin 对象、一个 I2C 对象、一个 SSD1306_I2C 对象、一个 UART 对象和一个 MicropyGPS 对象。然后，进入一个循环，每隔一秒从 UART 对象读取 GPS 模块发送的数据，并使用 MicropyGPS 对象解析 NMEA 数据包，并在 OLED 显示屏上显示经纬度、海拔、速度等信息。

# 导入模块
import machine
import utime
import ssd1306
import micropyGPS

# 创建 Pin 对象
scl = machine.Pin(19)
sda = machine.Pin(18)
tx = machine.Pin(33)
rx = machine.Pin(32)

# 创建 I2C 对象
i2c = machine.I2C(scl=scl, sda=sda)

# 创建 SSD1306_I2C 对象
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

# 创建 UART 对象
uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=tx, rx=rx)

# 创建 MicropyGPS 对象
gps = micropyGPS.MicropyGPS()

# 主循环
while True:
    # 从 UART 对象读取 GPS 模块发送的数据
    data = uart.read()
    # 判断是否有数据
    if data:
        # 遍历每个字节
        for b in data:
            # 使用 MicropyGPS 对象解析 NMEA 数据包
            gps.update(chr(b))
        # 获取经纬度、海拔、速度等信息
        latitude = gps.latitude[0] * (1 if gps.latitude[1] == 'N' else -1)
        longitude = gps.longitude[0] * (1 if gps.longitude[1] == 'E' else -1)
        altitude = gps.altitude
        speed = gps.speed[2]
        # 清除显示缓冲区
        display.fill(0)
        # 在 OLED 显示屏上显示经纬度、海拔、速度等信息
        display.text("Latitude: {:.4f}".format(latitude), 0, 0)
        display.text("Longitude: {:.4f}".format(longitude), 0, 10)
        display.text("Altitude: {:.1f} m".format(altitude), 0, 20)
        display.text("Speed: {:.1f} km/h".format(speed), 0, 30)
        display.show()
    # 延迟一秒
    utime.sleep(1)

案例2：蓝牙通信：这个程序可以连接 HC-05 蓝牙模块，并与其他蓝牙设备进行通信。首先，导入 machine 模块，并创建一个 UART 对象。然后，使用 write 方法来向 HC-05 蓝牙模块发送 AT 命令，或者使用 read 方法来从 HC-05 蓝牙模块接收数据。

# 导入模块
import machine

# 创建 UART 对象
uart = machine.UART(2, baudrate=38400, tx=33, rx=32)

# 向 HC-05 蓝牙模块发送 AT 命令，查询版本号
uart.write(b"AT+VERSION?\r\n")

# 等待 HC-05 蓝牙模块的响应
while not uart.any():
    pass

# 从 HC-05 蓝牙模块接收数据，并打印出来
data = uart.read()
print(data)

案例3：红外遥控：这个程序可以接收红外遥控器发送的编码信号，并根据不同的编码信号来执行不同的操作。首先，导入 machine 模块，并创建一个 Pin 对象和一个 UART 对象。然后，使用 callback 方法来设置一个中断回调函数，在回调函数中解析红外编码信号，并控制 LED 或蜂鸣器等设备。

# 导入模块
import machine

# 创建 Pin 对象
ir = machine.Pin(4)
led = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
buzzer = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)

# 创建 UART 对象
uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=None, rx=ir)

# 定义回调函数
def ir_callback(t):
    # 读取 UART 对象接收到的数据
    data = uart.read()
    # 判断是否有数据
    if data:
        # 将数据转换为十六进制字符串
        code = data.hex()
        # 打印编码信号
        print(code)
        # 根据不同的编码信号来执行不同的操作
        if code == "ff30cf": # 按下 1 键
            led.value(1) # 点亮 LED
        elif code == "ff18e7": # 按下 2 键
            led.value(0) # 熄灭 LED
        elif code == "ff7a85": # 按下 3 键
            buzzer.value(1) # 启动蜂鸣器
        elif code == "ff10ef": # 按下 4 键
            buzzer.value(0) # 停止蜂鸣器

# 设置 UART 对象为下降沿触发中断，并指定回调函数为 ir_callback 
uart.irq(ir_callback, machine.UART.IRQ_RXIDLE)

案例4：串口通信：

import machine

uart = machine.UART(1, baudrate=9600)  # 初始化UART对象，使用串口1，波特率为9600

# 发送数据
uart.write('Hello, UART!')

# 接收数据
data = uart.read(10)  # 读取10个字节的数据
print(data)

这个示例演示了如何使用MicroPython进行串口通信。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码使用machine.UART类创建一个UART对象，并指定使用串口1和波特率为9600。通过write方法可以向串口发送数据，而read方法可以从串口接收指定长度的数据。

案例5：与其他设备进行串口通信：

import machine

uart = machine.UART(2, baudrate=115200)  # 初始化UART对象，使用串口2，波特率为115200

# 与其他设备进行串口通信
while True:
    if uart.any():
        data = uart.read(1)  # 读取1个字节的数据
        # 处理接收到的数据
        print(data)

这个示例演示了如何使用MicroPython的ESP32与其他设备进行串口通信。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码使用machine.UART类创建一个UART对象，并指定使用串口2和波特率为115200。通过循环不断检查串口是否有可用数据（uart.any()），并使用read方法读取1个字节的数据。你可以在循环中添加处理接收到的数据的代码。

案例6：调试输出：

import machine
import sys

uart = machine.UART(0, baudrate=115200)  # 初始化UART对象，使用串口0（用于调试输出），波特率为115200

# 重定向sys.stdout到UART对象
sys.stdout = uart

# 打印调试信息
print("Debug output")

# 恢复sys.stdout
sys.stdout = sys.__stdout__

这个示例演示了如何使用MicroPython的ESP32将调试信息输出到串口0（用于调试）。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码使用machine.UART类创建一个UART对象，并指定使用串口0和波特率为115200。通过将sys.stdout重定向到UART对象，可以将所有的标准输出打印语句（如print）输出到串口。在示例中，打印了"Debug output"作为调试信息。最后，通过恢复sys.stdout到默认的输出对象（sys.stdout），可以恢复正常的输出流。这些示例代码提供了使用MicroPython的ESP32 UART（串行总线）的实际运用程序参考。请根据自己的需求和硬件配置进行适当的调整和修改。

案例7：读取串口数据：

import machine
import time

uart = machine.UART(1, baudrate=9600, rx=12, tx=13)  # 初始化UART对象

while True:
    if uart.any():
        data = uart.readline()
        print("Received data:", data)
    time.sleep(0.1)

在上述示例中，我们使用machine.UART()创建一个UART对象，用于与串口进行通信。在初始化UART对象时，指定串口号为1，波特率为9600，rx引脚为12，tx引脚为13。然后，使用一个无限循环来不断检查串口是否有数据可读。使用uart.any()函数判断串口是否有数据可读，如果有数据可读，则使用uart.readline()函数读取数据。最后，打印接收到的数据。

案例8：发送数据到串口：

import machine

uart = machine.UART(1, baudrate=9600, rx=12, tx=13)  # 初始化UART对象

data = "Hello, UART!"

uart.write(data)

在上述示例中，我们使用machine.UART()创建一个UART对象，用于与串口进行通信。在初始化UART对象时，指定串口号为1，波特率为9600，rx引脚为12，tx引脚为13。然后，将要发送的数据存储在变量data中。使用uart.write()函数将数据发送到串口。

案例9：使用串口进行通信：

import machine

uart1 = machine.UART(1, baudrate=9600, rx=12, tx=13)  # 初始化UART1对象
uart2 = machine.UART(2, baudrate=9600, rx=16, tx=17)  # 初始化UART2对象

while True:
    if uart1.any():
        data = uart1.readline()
        uart2.write(data)
    if uart2.any():
        data = uart2.readline()
        uart1.write(data)

在上述示例中，我们使用machine.UART()创建两个UART对象，分别用于与串口1和串口2进行通信。在初始化UART对象时，指定串口号、波特率以及rx和tx引脚的连接。然后，使用一个无限循环来不断检查每个串口是否有数据可读。如果串口1有数据可读，则使用uart1.readline()函数读取数据，并使用uart2.write()函数将数据发送到串口2。如果串口2有数据可读，则使用uart2.readline()函数读取数据，并使用uart1.write()函数将数据发送到串口1。通过这种方式，实现了串口之间的双向通信。

请特别注意，以上示例仅供参考，具体的使用方法可能因不同的硬件平台和MicroPython版本而有所差异。在实际编程中，你需要根据你所使用的硬件和具体需求进行适当的调整。