（Day 5）ESP32 與 ATmega328P 的 UART 通訊（Part 1）

2022 iThome 鐵人賽

DAY 5

自我挑戰組

PixelBit 可以這樣玩！系列第 5 篇

14th鐵人賽 pixel:bit arduino esp32 uart

Zack Huang

團隊超級奶爸康樂團

2022-09-16 10:50:15

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這篇文章我們將帶領大家直接實作如何將程式分別燒錄到 ESP32 與 ATmega328P，並學習如何讓兩顆微控制器相互通訊。除了基礎教學之外，也會教大家使用正面的 LCD 來顯示接收到的資訊。

教學原文參考：ESP32 與 ATmega328P 的 UART 通訊

安裝 Pixel:Bit 需要的程式庫

在 Pixel:Bit 上面有一些元件和模組，需要額外安裝程式庫才能正常使用它們。請點選「https://github.com/CIRCUSPi/tca5405」、「https://github.com/CIRCUSPi/TFT_eSPI」網址下載兩個必須的程式庫。

下載方式相當簡單，進到頁面後可以看到「Code」按鈕，點選後選擇「Download ZIP」就能將檔案整個下載下來。

這些程式庫無法與相似的程式庫相容，請確實下載這兩個程式庫。

接著回到Arduino IDE，點選「草稿碼」＞「匯入程式庫」＞「加入.ZIP程式庫…」。

請找到剛剛下載的程式庫並按下「開啟」。

成功的話，就會在訊息欄上方看到「已加入程式庫，請檢查…」

請依照上方「加入.ZIP程式庫…」步驟再新增「另一個程式庫」。

範例程式下載

為了方便大家學習，我們先下載這個單元會用到的範例程式。與剛剛下載程式庫一樣，看到「Code」按鈕，點選後選擇「Download ZIP」就能將檔案整個下載下來。

解壓縮後，這個單元的所有範例程式，都放在資料夾名稱為「06.Uart Communication」。

程式撰寫

1. 螢幕顯示訊息

學會顯示訊息是相當重要的功能，可以讓我們不外加其他裝置的情況下，經由螢幕將訊息顯示出來，可用來確認程式是否正確，是個除錯的好工具。

讓我們來看一下顯示訊息是怎麼運作的，請開啟「06.Uart Communication」資料夾，打開範例程式名稱為「01.LCD_Show_ESP32」，進到資料夾對裡面的程式檔案點兩下即可開啟。

完整程式碼如下所示：

#include <TFT_eSPI.h>
TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();

void setup() {
  // Initialise the TFT
  tft.init();
  tft.setRotation(3);
  tft.fillScreen(TFT_BLACK);

  // Show text
  tft.setCursor(0, 0, 2); //(1, 2, 4, 6, 7, 8)
  tft.setTextColor(TFT_ORANGE, TFT_BLACK);
  tft.setTextSize(2);     // 1~7
  tft.println("Hello pixel:bit.");
}

void loop() {
  
}

在使用 LCD 螢幕之前需要匯入相關程式庫，並賦予物件功能，被賦予的物件名稱為「tft」，之後調用顯示功能可直接以 tft 代稱。

#include <TFT_eSPI.h>
TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();

接著在 setup 區塊，我們初始化顯示螢幕，並旋轉螢幕方向以符合 Pixel:Bit 的配置，最後將螢幕顯示黑色（有點類似清空所有訊息的感覺）。

// Initialise the TFT
tft.init();
tft.setRotation(3);
tft.fillScreen(TFT_BLACK);

預設的顏色總共有 24 種，如下表所示：

顯示文字有幾個步驟，第一是決定位置與字型，螢幕像素大小為 240 x 240，您可以在這個範圍內決定從哪個位置開始顯示文字，程式「setCursor(0, 0, 2)」括弧內的頭兩個數字表示 x, y 座標，最後一個則是字型，共有 6 種字型(1, 2, 4, 6, 7, 8)，以填入數字的方式選擇字型，每個字型支援的最大尺寸也不同。

第二步驟是決定文字顏色與背景顏色，程式「setTextColor(TFT_ORANGE, TFT_BLACK)」括弧內的第一個顏色是指文字顏色，另一個是背景顏色。

// Show text
tft.setCursor(0, 0, 2); //(1, 2, 4, 6, 7, 8)
tft.setTextColor(TFT_ORANGE, TFT_BLACK);
tft.setTextSize(2);     // 1~7
tft.println("Hello pixel:bit.");

接著是文字大小，共有 7 種尺寸，填入數字越大，文字尺寸越大。最後則是使用程式「println(“填入要顯示的文字”)」顯示一行文字。

上圖程式是顯示一行字型為 2 大小為 2，顏色為橘色的文字，文字內容是「Hello pixel:bit.」。

2. 上傳程式到 ESP32 的方法

知道程式所要完成的功能後，我們將程式上傳到 Pixel:Bit，看一下螢幕顯示的效果。因為負責處理螢幕顯示的是 ESP32，所以首先將 Pixel:Bit 上面的 UART 切換開關，切至「ESP」模式。

接下來連接 Micro USB 數據線至 Pixel:Bit 與電腦，並於「工具」＞「開發板」的欄位選擇「AI Thinker ESP32-CAM」這塊開發板，並選擇正確的「序列埠」，序列埠的編號會依照您自己的電腦設定而與下圖有所不同。

設定完成後，請按下燒錄按鈕將程式燒錄到 Pixel:Bit。燒錄過程會需要一段時間，完成後會在訊息欄內收到提示。

燒錄完成，即可在 Pixel:Bit 上看到剛剛撰寫的文字。

3. 撰寫 UART 通訊程式

接下來讓我們學習如何在 ESP32 與 ATmega328P 裡，撰寫能相互通訊的程式。

這個功能非常方便，例如我們可以讓 ATmega328P 連接感測器，並讀取環境資料，ESP32 負責顯示資訊與上傳資料到雲端。或是 ESP32 將效能全力用在影像辨識，而控制夾爪的工作就交給 ATmega328P，解決了單一控制器會遇到的多工問題。

我們以 ATmega328P 為發送訊息者，ESP32 為接收者，並負責將收到的訊息顯示在螢幕上。先來看 ESP32 這邊的程式碼，請開啟「02.UART_Read_and_Show_ESP32」。

完整程式碼如下所示：

#include <TFT_eSPI.h>
TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();

String inputString = "";

void setup() {
  // initialize serial:
  Serial.begin(57600);

  // Initialise the TFT
  tft.init();
  tft.setRotation(3);
  tft.fillScreen(TFT_BLACK);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    // get the new byte:
    char inChar = (char)Serial.read();
    // add it to the inputString:
    inputString += inChar;

    if (inChar == '\n') {
      tft.fillScreen(TFT_BLACK);
      tft.setCursor(0, 0, 2);
      tft.setTextColor(TFT_ORANGE, TFT_BLACK);  tft.setTextSize(7);
      tft.println(inputString);
      inputString = "";
    }
  }
}

與上個程式一樣匯入程式庫並賦予物件，在這裡新增一個字串類型的變數「inputString」並賦予值為＂＂，這個變數會用來儲存從 ATmega328P 接收到的訊息。

#include <TFT_eSPI.h>
TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();

String inputString = "";

在 setup 的區塊，我們啟用 UART 功能 Serial，並賦予傳輸速率為「57600」，接著初始化顯示螢幕並顯示黑色。

// initialize serial:
Serial.begin(57600);

// Initialise the TFT
tft.init();
tft.setRotation(3);
tft.fillScreen(TFT_BLACK);

在 loop 的區塊，我們透過「Serial.available()」這個程式檢查 Serial 連線時，是否有訊息傳送過來。並新增一個字元類型的變數「inChar」來接收訊息，再使用變數「inputString」將一個個訊息組合起來。

每次接收一個訊息後都會檢查變數「inChar」，查看接收到的訊息是否等於換行訊息「’\n’」。若是收到換行訊息，表示資料傳輸完成，我們就能透過上個程式學到的顯示文字，將收到的訊息顯示到螢幕上。

if (Serial.available()) {
  // get the new byte:
  char inChar = (char)Serial.read();
  // add it to the inputString:
  inputString += inChar;

  if (inChar == '\n') {
    tft.fillScreen(TFT_BLACK);
    tft.setCursor(0, 0, 2);
    tft.setTextColor(TFT_ORANGE, TFT_BLACK);  tft.setTextSize(7);
    tft.println(inputString);
    inputString = "";
  }
}

ESP32 接收與顯示的程式就如上圖所示，現在將這個程式燒錄到 ESP32 裡。

請接續「ESP32 與 ATmega328P 的 UART 通訊（Part 2）」。

PixelBit 可以這樣玩！系列第 5 篇