QuecPython+UART：物联网设备通信指南+应用示例

QuecPython
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UART的基础知识前面已经介绍过了，本文主要介绍UART的特点以及QuecPython的应用实例。

特点与应用

特点：

  1. 简单性： UART通信的硬件和编程复杂度相对较低。UART本身通常是在微控制器或其他处理器的硬件中实现的，所以在硬件层面上不需要额外的芯片。

  2. 无需时钟同步： 因为UART是异步的，所以发送和接收设备不需要共享一个时钟信号。这降低了硬件设计的复杂性。

  3. 灵活性： UART通信可以调整数据位长度、停止位数量和奇偶校验等参数，以适应不同的通信需求。

  4. 可靠性： 尽管UART通信没有错误修复功能，但它的奇偶校验能提供一定程度的错误检测。

  5. 限制： UART的通信速度（波特率）有一定的限制，而且通信速度越高，数据错误的可能性也越大。此外，UART的通信距离通常也有限制，对于很长的距离，可能需要使用RS-422或RS-485等差分信号标准。

应用：

  1. 嵌入式系统： UART常用于微控制器和其他低级硬件设备的通信，例如传感器、记忆卡、GPS模块等。

  2. 串行通信： UART可以用于RS-232、RS-422和RS-485接口的串行通信，用于连接如打印机、调制解调器、显示器等设备。

  3. 电脑硬件： 在早期的电脑硬件中，UART用于鼠标和键盘等外设的接口。

  4. 电信设备： 在无线通信和电信设备中，UART用于与SIM卡和其他设备通信。

  5. 蓝牙模块： 在蓝牙模块中，UART用于与主设备进行通信。

  6. IOT设备： 在物联网设备中，UART用于低速的设备间通信。

数据流

基于QuecPython EC600U模组介绍UART数据流。

发送数据的数据流：

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当软件FIFO中无数据超过500ms时，结束数据传输。

TX通信：发送数据->数据发送完毕发送事件->触发中断->触发回调函数发送事件到对应的线程处理->对应线程触发用户自定义回调函数。

其触发中断类型只有一种：TX_COMPLETE。

接收数据的数据流：

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RX通信有两个中断，dma中断（数据接收到64byte）,超时中断（接收数据字节数少于64而不产生dma中断的情况，时长40ms）。

其触发中断的类型有两种：RX_ARRIVED 和 RX_OVERFLOW。

当软件FIFO满时，再接收数据会造成数据溢出，出现丢数据问题。溢出的同时会上报RX_OVERFLOW事件。故串口接收数据需要及时处理，否则出现数据丢失，数据接收不全问题，当大量数据传输时，可考虑硬件流控。

RX通信：接收数据满64字节或超时->触发中断->触发回调函数发送事件到对应的线程处理->对应的线程触发用户定义回调函数。

应用示例

主要介绍如何使用 UART 具体的应用示例：

基础收发

QuecPython提供了简化的方法来在通信模组上使用 Python 进行 UART 通信。对于实时应用或需要高效处理 UART 信息的场景，使用回调函数（基于中断）进行 UART 读取是一种非常有效的方法。

实验前需了解UART QuecPython接口，请参考machine.UART

实验步骤：

  1. 初始化UART

    from machine import UART
# 初始化 UART1
uart1 = UART(UART.UART1, 115200, 8, 0, 1, 0)

  2. 写入UART

    发送数据到 UART 是非常简单的：

    uart1.write('Hello UART1')

  3. 使用回调数据读取数据

    在 UART 上使用回调函数，通常涉及到设置一个 IRQ（中断请求）来监听 UART 事件，如数据接收。当这些事件触发时，相关的回调函数会被执行。

    你需要确保回调函数尽可能短，以减少对其他系统任务的干扰。同时数据来之后，应立即读取，防止底层软件FIFO溢出导致数据丢失

    def uart_callback(arg):
    _queue.put(para[2])
 
# 设置中断
uart1.set_callback(uart_callback)

示例：

import _thread
import utime
from machine import UART
from queue import Queue

class Example_uart(object):
    def __init__(self, no=UART.UART2, bate=115200, data_bits=8,parity=0, stop_bits=1, flow_control=0):
        self.uart = UART(no, bate, data_bits, parity, stop_bits, flow_control)
        self._queue = Queue(5)
        _thread.start_new_thread(self.handler_thread, ())
        self.uart.set_callback(self.callback)

    def callback(self, para):
        print("call para:{}".format(para))
        if(0 == para[0]):
            self._queue.put(para[2])

    def uartWrite(self, msg):
        print("write msg:{}".format(msg))
        self.uart.write(msg)

    def uartRead(self, len):
        msg = self.uart.read(len)
        utf8_msg = msg.decode()
        print("UartRead msg: {}".format(utf8_msg))
        return utf8_msg

    def uartWrite_test(self):
        for i in range(10):
            write_msg = "Hello count={}".format(i)
            self.uartWrite(write_msg)
            utime.sleep(1)

    def handler_thread(self):
        while True:
            recv_len = self._queue.get()
            self.uartRead(recv_len)

if __name__ == "__main__":
    uart_test = Example_uart()
    uart_test.uartWrite_test()

常见问题和故障

UART是一种非常简单和直接的通信协议，但在实际应用中也可能遇到一些问题。以下是一些常见的问题以及可能的故障排查步骤：

1.数据接收不正确或无法接收数据

这可能是由于几种原因引起的，包括：波特率设置错误、硬件连接问题、中断处理程序问题、缓冲区溢出等。故障排查步骤可能包括：

  • 检查发送端和接收端的波特率设置是否一致。如果它们的波特率不匹配，可能会导致接收的数据出现错误。

  • 检查硬件连接，确保TX和RX线正确连接，并且地线（GND）也要正确连接。

  • 如果使用了中断处理程序，确保它能正确地处理接收到的数据，并且不会错过任何数据。

  • 检查接收缓冲区。如果缓冲区太小或处理速度太慢，可能会导致数据丢失。可以考虑增大缓冲区或优化处理程序。

2.数据发送不正确或无法发送数据

这可能是由于几种原因引起的，包括：硬件连接问题、发送缓冲区问题、发送程序问题等。故障排查步骤可能包括：

  • 检查硬件连接，确保TX线正确连接，并且地线（GND）也要正确连接。

  • 检查发送缓冲区和发送程序。确保发送的数据被正确地放入缓冲区，并且发送程序能正确地从缓冲区取出数据并发送出去。

3.通信距离问题

UART通信的距离有限，如果通信距离过长，可能会导致信号衰减，从而影响数据的接收。如果需要在更长的距离进行通信，可能需要使用RS-422或RS-485等差分信号标准。

4.干扰问题

在有电磁干扰的环境中，UART通信可能会受到影响。如果有可能的话，尝试减少电磁干扰，使用屏蔽线来减少干扰或者采用电容滤波以降低噪声和电磁干扰。如果干扰过大，可能需要使用差分信号标准或光电隔离。

在进行故障排查时，一种常见的方法是使用逻辑分析器或示波器来观察UART的信号，这可以帮助确定问题的来源。在软件层面，也可以使用调试工具来观察和分析程序的运行情况。