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MaixCAM MaixPy UART 串口使用介绍

串口简介

串口是一种通信方式，包含了硬件和通信协议的定义。

  • 硬件包括：
    • 3 个引脚： GND， RX， TX，通信双发交叉连接 RX TX， 即一方 TX 发送到另一方的 RX， 双方 GND 连接到一起。
    • 控制器，一般在芯片内部，也叫 UART 外设，一般一个芯片有一个或者多个 UART 控制器，每个控制器有相对应的引脚。
  • 串口通信协议： 为了让双方能顺利通信，规定了一套协议，即以什么样的时序通信，具体可以自行学习，常见的参数有 波特率 校验位等，波特率是我们用得最多的参数。

通过板子的串口，可以和其它单片机或者 SOC 进行数据通信，比如可以在 MaixCAM 上实现人体检测功能，检测到坐标后通过串口发送给 STM32/Arduino 单片机。

MaixPy 中使用串口

对于 MaixCAM 默认从 USB 口引出了一个串口，可以插上配套的 Type-C 转接小板，就能直接使用上面的串口引脚， 也可以不用转接板，直接使用板子上的 A16(TX) 和 A17(RX)引脚, 和 USB 口引出的是同样的引脚，是等效的，具体看接口图：

maixcam_pro_io

对于 MaixCAM 使用 USB 引出的串口时需要注意，Typc-C 正插和反插，转接小板上的 RX 和 TX会交换(默认 Type-C 母口朝前和丝印符合)，所以当你发现无法通信时，有可能就是 RX TX 反了，可以尝试将 Type-C 翻转一面插再看看通信是否正常。这个算是设计缺陷，不过一般也不会经常拔插所以适应一下也能接受。

将两个通信的板子双方连接好后（通信双发交叉连接 RX TX， 即一方 TX 发送到另一方的 RX， 双方 GND 连接到一起），就可以使用软件了。

通过 MaixPy 使用串口很简单：

from maix import uart

device = "/dev/ttyS0"
# ports = uart.list_devices() # 列出当前可用的串口

serial = uart.UART(device, 115200)
serial.write_str("hello world")
print("received:", serial.read(timeout = 2000))

这里使用了第一个串口/dev/ttyS0，也就是上面说的 Type-C 出 引出的串口。

更多串口的 API 在 UART API 文档。

MaixCAM 串口使用注意点

TX 引脚注意点

MaixCAM 的 TX(UART0) 引脚在开机时不能是被拉低的状态，不然会导致无法开机，是芯片的特性，如果你在做 3.3v 转 5v 的电平转换电路要十分注意不要默认拉低请保持浮空（可以考虑使用电平转换芯片）。

以及如果你发现无法开机，也可以先检查一下 TX 是否被拉低了。

串口连接电脑

有开发者可能会问：为什么插上 USB 电脑没出现串口设备？ 答： 因为设备的 USB 默认是 虚拟 USB 网卡，没有串口功能，如果要访问设备的终端，请使用 ssh 连接。

对于 MaixCAM, 从 Type-C 转接板引出的串口0直连到 A16(TX)和 A17(RX)引脚，可以直接接到其它设备比如单片机的串口引脚； 如果要和电脑通信，需要使用 USB 转串口小板(比如这个)连接到电脑。

开机日志输出

需要注意的是， MaixCAM 的串口0 在开机时会打印一部分开机日志， 启动完毕后会打印serial ready字样，如果和单片机通信需要注意丢弃这部分信息，如果出现系统启动出现问题也可以通过查看串口0的开机打印来诊断问题。

发送数据

主要有两个函数write_str和write函数。

write_str函数来发送字符串，write用来发送字节流，即str和bytes类型，两者可以互相转换，比如:

  • "A" 调用encode()方法变成b"A"，反过来b"A"调用decode()方法变成"A"。
  • str 没法显示一些不可见字符比如 ASCII 码中的值0，在字符串中也是\0一般作为结束符，在bytes类型中就可以用b"\x00"来储存。
  • 对于非 ASCII 编码的字符串更有用，比如UTF-8编码中中文好是由三个字节\xe5\xa5\xbd来表示的，我们可以通过"好".encode("utf-8")得到b"\xe5\xa5\xbd"，也可以通过b'\xe5\xa5\xbd'.decode("utf-8)得到"好"。

所以如果我们需要发送字节数据，则用write()方法发送即可, 比如:

bytes_content = b'\x01\x02\x03'
serial.write(bytes_content)

所以对于 str 类型，也可以不用write_str，而是使用serial.write(str_content.encode()) 来发送。

如果你有其它类型的数据，想将它们变成一个字符串发送，可以使用Python 字符串格式化来创建一个字符串，比如： 想发送I have xxx apple，这里xxx 想用一个整型变量，则：

num = 10
content = "I have {} apple".format(num)
content2 = f"I have {num} apple"
content3 = "I have {:04d} apple".format(num)
content4 = f"I have {num:d} apple"
print(content)
print(content2)
print(content3)
print(content4)
print(type(content))
serial.write_str(content)

另外你也可以把数据编码成二进制流数据发送，比如前 4 个字节是十六进制的 AABBCCDD，中间发送一个 int 类型的数值，最后再加一个0xFF结尾，使用struct.pack来进行编码（看不懂可以看后文的介绍）：

from struct import pack
num = 10
bytes_content = b'\xAA\xBB\xCC\xDD'
bytes_content += pack("<i", num)
bytes_content += b'\xFF'
print(bytes_content, type(bytes_content))
serial.write(bytes_content)

这里 pack("<i", num) 把 num编码为int类型即4字节的有符号数，<符号意思是小端编码，低位在前，这里num = 10，十六进制 4 字节表示就是0x0000000A，小端就是把低字节0x0A放在前面，得到一个b'\x0A\x00\x00\x00'的字节类型数据。

这里只举例使用i编码int类型的数据，还有其它类型比如B表示unsigned char等等，更多的struct.pack格式化用法可以自行搜索python struct pack。

这样最终发送的就是AA BB CC DD 0A 00 00 00 FF二进制数据了。

接收

使用read方法进行读取数据，直接：

while not app.need_exit():
    data = serial.read()
    if data:
        print(data)
    time.sleep_ms(1)

同样，read方法获得的数据也是bytes类型，这里read会读取对方一次性发送的一串数据，如果没有数据就是b''即空字节。 这里用了time.sleep_ms(1)进行睡眠了1ms，用来释放 CPU，不让这个线程占用所有 CPU 资源，而且1ms不影响我们程序的效率，特别是在多线程时有用。

另外read函数有两个参数：

  • len：代表想接收的最大长度，默认-1代表缓冲区有多少就返回多少，传>0的值则代表最多返回这个长度的数据。
  • timeout：
    • 默认 0 代表从缓冲区读取数据立马返回数据，如果len为 -1则返回所有数据，如果指定了len则返回长度不超过len 的数据。
    • <0 代表一直等待直到接收到了数据才返回，如果len为 -1则等待到接收到数据才返回（一串连续接收到的数据，即阻塞式读取所有数据），如果指定了len则等待接收数量达到len才返回。
    • >0 代表无论有没有接收到数据，超过这个时间就会返回。 看起来有点复杂，常见的参数组合：
  • read(): 即read(-1, 0)，从缓冲区读取收到的数据，通常是对方一次性发来的一串数据，等到对方没有发送（一个字符的发送时间内没有再发）就立刻返回。
  • read(len = -1, timeout = -1): 阻塞式读取一串数据，等到对方发送了数据并且一个字符的发送时间内没有再发才返回。
  • read(len = 10, timeout = 1000): 阻塞式读取 10 个字符，读取到 10 个字符或者 超过 1000ms 还没收到就返回已经收到的数据。

设置接收回调函数

在 MCU 开发中，串口收到数据通常会有中断事件发生， MaixPy 已经在底层处理好了中断，开发者无需再处理中断。 如果你想在接收到数据时调用一个回调函数，可以用set_received_callback设置回调函数：

from maix import uart, app, time

def on_received(serial : uart.UART, data : bytes):
    print("received:", data)
    # send back
    serial.write(data)

device = "/dev/ttyS0"

serial = uart.UART(device, 115200)
serial.set_received_callback(on_received)

serial0.write_str("hello\r\n")
print("sent hello")
print("wait data")

while not app.need_exit():
    time.sleep_ms(100) # sleep to make CPU free

在接收到数据后会在另外一个线程里调用设置的回调函数，因为是在另外的线程里调用的，所以不像中断函数要尽快退出函数，你可以在回调函数里处理一些事务再退出也是可以的，注意多线程常见问题。

使用回调函数的方式接收数据请不要再使用read函数读取，否则会读取出错。

使用其它串口

每个引脚可能可以对应不同的外设功能，这也叫引脚复用，如下图，每个引脚对应了不同功能，比如A17引脚(板子的丝引标识)对应了GPIOA17 UART0_RX PWM5 这三种功能，默认是UART0_RX。

maixcam_pro_io

默认我们就能像上面直接使用UART0，对于其它串口的引脚默认都不是串口外设功能，所以要使用其它串口，需要先设置一下映射，使用pinmap.set_pin_function来设置。

这里以使用UART1 为例，先设置引脚映射选择引脚功能为串口，然后设备编号使用/dev/ttyS1，注意uart.list_devices() 默认不会返回需要手动映射的串口，所以直接手动传参就可以了：

from maix import app, uart, pinmap, time

pinmap.set_pin_function("A18", "UART1_RX")
pinmap.set_pin_function("A19", "UART1_TX")

device = "/dev/ttyS1"

serial1 = uart.UART(device, 115200)

应用层通信协议

概念和字符协议

串口只是规定了保证硬件通信的时序，为了让接收方知道发送方发送的字符流的含义，我们一般会规定一个应用通信协议。 比如发送放需要发送一个坐标，包含了x, y两个整型值，为了让接收方能理解我们发送的字节流的含义，我们规定：

  • 帧头：当我开始发送$符号时，就代表我要开始发送有效的数据啦。

内容：设计一个开头符号的原因是串口是流式传输，比如发送两次12345有可能在某个时刻接收到了12345123这样的数据，第二帧的45还没有接收到，我们可以根据起始和结尾符号来判断一个完整的数据帧。

  • x， y 的取值范围是 0~65535， 即两个字节的无符号短整型(unsinged short)，我会先发 x 再发 y，用逗号隔开，比如10,20。
  • 帧尾：最后我会再发一个*标记来代表我这次数据发送完成了。 这样发送一次数据就类似$10,20*这样一个字符串，对方如果用 C 语言接收和解析：
// 1. 接收数据
// 2. 根据帧头帧尾判断是否接收完毕了，并将完整的一帧数据存到 buff 数组里面
// 3. 解析一帧数据
uint16_t x, y;
sscanf(buff, "$%d,%d*", &x, &y);

这样我们就制定了最简单的字符通信协议，具有一定的可靠性。 但是由于我们串口一般用的参数是115200 8 N 1，这里的N就是无奇偶校验，我们可以在自己的协议里面加一个校验值放在末尾，比如：

  • 这里我们规定 x,y 后还有一个校验值，取值范围是 0 到 255，它的值为前面所有字符加起来的和对 255 取余。
  • 这里以 $10,20举例，在Python只需要使用sum函数就可以sum(b'$10,20') % 255 --> 20，最终发送$10,20,20*。
  • 接收放接收到数据后读取到校验值20，然后自己也同样的方式计算一遍$10,20的校验值，如果也是20说明数据传输没有发生错误，如果不相同我们则可以认为数据传输过程中发生了错误，可以丢弃等下一个数据包。

比如在 MaixPy 中，我们需要编码一个字符协议，直接使用 Python 的字符串格式化功能即可：

x = 10
y = 20
content = "${},{}*".format(x, y)
print(content)

二进制通信协议

上面的字符协议有个很明显的特征，我们都是用可见字符的方式在传输数据，传输数据时有点就是简单，人眼能直接看懂； 缺点就是占用字符数量不固定，数据量比较大，比如$10,20*和$1000,2000*，同样的格式，数值不同长度不同，这里1000用了 4 个字符也就是4个字节，我们都知道一个无符号短整型（uint16）类型的数据只需要两个字节就能表示0~65535的取值范围，用这种表示方法可以少传输数据。 我们也知道可见字符可以通过ASCII码表转换成二进制表示形式，比如$1000查找ASCII码表换成二进制表示就是0x24 0x31 0x30 0x30 0x30一共 5 个字节，也就是我们实际传输数据的时候传输的二进制内容，如果现在我们用二进制的方式直接编码1000，即0x03E8，就可以直接发送0x24 0x03 0xE8，最终只需要发送 3 个字节，减少了通信开销。

另外这里0x03E8两个字节低位是0xE8，先发送低位0xE8我们称之为小端编码，反之则是大端编码，两个皆可，双方规定一致即可。

在 MaixPy 中，要将一个数值转换成 bytes 类型也很简单，使用struct.pack函数即可，比如这里的0x03E8也就是十进制的1000，我们用

from struct import pack
b = pack("<H", 1000)
print(b)

这里<H表示小端编码，H表示一个 uint16类型的数据，最终得到b'\xe8\x03'的 bytes 类型数据。

同样的，二进制协议也可以有 帧头，数据内容，校验值，帧尾等，也可以不要帧尾，而是设计一个帧长的字段，看个人喜好即可。

MaixPy MaixPy 内置通信协议

另外 MaixPy 也内置了一个通信协议可以直接使用。

这里的通信协议即：规定通信双方的以什么样的格式来传输内容，方便双方解析识别信息，是一个二进制协议，包括帧头、数据内容、校验等。 完整的协议定义在 Maix 串口通信协议标准。 没有接触过通信协议可能看起来有点困难，结合下面的例子多看几遍就能理解了。

比如我们现在有一个物体检测，我们想检测到物体后通过串口发送给其它设备（比如 STM32 单片机或者 Arduino 单片机），告诉其我们检测到了什么物体，坐标是多少。

完整的例程：MaixPy/examples/protocol/comm_protocol_yolov5.py

首先我们需要检测到物体，参考 yolov5 检测物体的例程即可，这里我们就省略其它细节，来看检测到的结果是什么样

while not app.need_exit():
    img = cam.read()
    objs = detector.detect(img, conf_th = 0.5, iou_th = 0.45)
    for obj in objs:
        img.draw_rect(obj.x, obj.y, obj.w, obj.h, color = image.COLOR_RED)
        msg = f'{detector.labels[obj.class_id]}: {obj.score:.2f}'
        img.draw_string(obj.x, obj.y, msg, color = image.COLOR_RED)
    dis.show(img)

可以看到objs是多个检测结果，这里在屏幕上进行画框了，我们也可以在这里想办法把结果通过串口发送出去。 这里我们不需要手动初始化串口，直接使用内置的maix.comm, maix.protocol模块，调用comm.CommProtoco会自动初始化串口，默认波特率是115200，串口协议的相关可以在设备系统设置->通信协议里面设置。 系统设置里面可能还有其它通信方式比如tcp，默认是uart，你也可以通过maix.app.get_sys_config_kv("comm", "method")来获取到当前设置的是不是uart。

from maix import comm, protocol, app
from maix.err import Err
import struct

def encode_objs(objs):
    '''
        encode objs info to bytes body for protocol
        2B x(LE) + 2B y(LE) + 2B w(LE) + 2B h(LE) + 2B idx ...
    '''
    body = b""
    for obj in objs:
        body += struct.pack("<hhHHH", obj.x, obj.y, obj.w, obj.h, obj.class_id)
    return body

APP_CMD_ECHO = 0x01        # 自定义命令 1, 测试用，这里没用到，保留
APP_CMD_DETECT_RES = 0x02  # 自定义命令 2, 发送检测到的物体信息
                           # 可以根据自己的应用自定义更多的命令

p = comm.CommProtocol(buff_size = 1024)

while not app.need_exit():
    # ...
    objs = detector.detect(img, conf_th = 0.5, iou_th = 0.45)
    if len(objs) > 0:
        body = encode_objs(objs)
        p.report(APP_CMD_DETECT_RES, body)
    # ...

这里通过encode_objs函数将所有检测到的物体信息打包成bytes类型的数据，然后用p.report函数将结果发送出去。

这里我们对body内容进行了一个简单的定义，即2B x(LE) + 2B y(LE) + 2B w(LE) + 2B h(LE) + 2B idx ...， 含义是：

  • 这张图中检测到多个物体，在body中按顺序排列，每个目标占用 2+2+2+2+2 = 10 个字节的长度，一共有body_len / 10个物体。
  • 第1、2个字节代表识别到的物体的左上角的 x 坐标，单位是像素，因为 yolov5 的结果这个坐标值有可能为负数，所以我们用一个short类型的值来表示，这里使用了小端编码（LE）。

这里小端即数值的低字节在前，比如坐标 x 为 100, 十六进制为 0x64，我们用两个字节的short来表示就是0x0064，这里小端编码成 bytes 就是0x64在前， 结果就是b'\x64\x00'。

  • 同理，将后面的数据都依次编码，一个物体得到一个10字节长的bytes类型数据。
  • 循环将所有物体信息编码并拼接成一个bytes。

在调用report函数时，底层会自动按照协议拼接上协议头、校验和等等，这是在另一端就能收到一帧完整的数据了。

在另一端收到信息后也要按照协议进行解码，如果接收端也是用 MaixPy 可以直接：

while not app.need_exit():
    msg = p.get_msg()
    if msg and msg.is_report and msg.cmd == APP_CMD_DETECT_RES:
        print("receive objs:", decode_objs(msg.get_body()))
        p.resp_ok(msg.cmd, b'1')

如果是其它设备比如STM32或者Arduino则可以参考 Maix 串口通信协议标准 附录中的 C 语言函数进行编解码。

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