串口与屏幕与ESP32

前言

本篇内容预计主要围绕着我最近的一个项目，我暂且称为桌面快捷方式。本意是为了更快速地打开各种快捷方式而不需要切入切出。功能不复杂， 硬件上主要就是ESP32-S2(主控)接16位并口驱动屏幕显示，同时由于16位并口占用过多GPIO，采用了一个MCP23017去扩展GPIO，检测屏幕周围按钮的按下。与电脑之间通过USB虚拟串口通讯，电脑端运行上位机控制。虽说东西不多，但是对于我拿Arduino写的过程中，还是踩了一些坑。打算记录一下一些技术细节，以便翻阅。

硬件部分

虽说硬件部分简单，但是还是有一点坑。

MCP23017的连接

MCP23017的16个GPIO被分成了两组，每组8个。芯片主要通过IIC方式和MCU通信，这里面有INTA和INTB，实际使用中可以合为一个，进一步节省GPIO。

这里面的RESET接到了MCU的EN上，但是这里面的问题是，如果通过主控软件进行复位，EN引脚不会产生变化，此时MCU数据复位但是MCP23017的没有，如果复位发生在中断的过程中，很有可能造成后续MCP23017不能正常响应中断，因为之前的中断还没有被处理。通过软件是可以避免这种情况，但是如果在出现bug，溢出等重启时，需要按下EN或者重新插拔电源，造成不便。

与屏幕的连接

这个项目中，屏幕采用的是3.5英寸，16位并口，ILI9488驱动的屏幕。在我最初画的板子中，屏幕的RES与EN也是接在一起的。不知道是手册没提到还是我没看仔细，在RES复位屏幕的时候，D0上会产生一个低电平。而此时我的DB0与GPIO0是接在一起的，这会导致MCU与屏幕同时复位，并下拉GPIO0，导致芯片进入下载模式，再次按下EN，结果是相同的，导致芯片无法运行。之后将RES改为与其他GPIO相连由软件控制复位，解决问题。

按钮的选择

我是希望这个按钮按下去有比较好的反馈，对于某些固定操作，应该是可以不看屏幕完成的。同时我的屏幕是固定在与按钮同一块板子上的，按钮就需要比较薄。所以选用了这款轻触按钮。不过我认为这个按钮设计时并不是打算在上面放键帽之类的东西，所以它的行程比较短，键帽只能夹在前面板与按钮之间，带来了一定的麻烦。不过其他方面倒是相当合适。

硬件上有很多可以改的地方，有些GPIO检查过后实际上是可以取消的，加上空闲的并利用矩阵键盘可以不使用MCP23017完成，按钮型号也可以继续挑选。

下个版本一定

MCU软件部分

这个部分我希望能讲一讲整个代码的实现，虽说结构不一定优秀格式不一定工整，但是至少一些坑是踩过去了。

屏幕相关

首先这个项目最先做的是初始化了屏幕的对象。驱动的库文件在这里选用的是ArduinoGFX，示例中给出了ESP32S2的选项，16个数据位直接接gpio0-15,直接用这个。其他的使用方法可以参考官方GitHub，不过我依旧怀疑自己查找资料的能力，我没有找到这个库关于函数用法的说明，在写这个程序的过程中是翻源代码解决了很大一部分。

Arduino_DataBus *bus = new Arduino_ESP32S2PAR16(DC, CS, WR, RD);
Arduino_GFX *gfx = new Arduino_ILI9488(
  bus, RST, 0 /* rotation */, false /* IPS */);

定义完相关参数以后，进入SETUP函数，根据示例，进行相关初始化操作。这里我们需要显示中文要开启这个UTF8的输出功能，否则无法使用。

gfx->begin();
gfx->fillScreen(BLACK);
gfx->setUTF8Print(true);

在主页面的绘制过程中，我希望能自定义我需要的基准点，不过据我所知这个库文件里并没有提供相关的函数，好在他提供了一个获取边界的函数，所以简单写了以下的的函数。这里面的s是size，仅支持以整数倍缩放。c是color，RGB565的格式。

/*
绘制文字，由于在库文件中并未找到直接绘制的相关内容，在下面函数中首先根据基准点信息计算左下（BL）坐标位置，之后设置游标绘制
T：Top
B：Bottom
C：Center
L： Left
R：Right
各种组合
*/
void drawString(String str,int16_t x, int16_t y,uint8_t s,uint8_t DATUM,uint16_t c,const uint8_t *font){
  gfx->setTextColor(c);
  gfx->setFont(font);
  gfx->setTextSize(s);
  int16_t mx = 0,my = 0;
  uint16_t w = 0,h = 0;
  gfx->getTextBounds(str,x,y,&mx,&my,&w,&h);//获取文字绘制的边界
  int16_t DisplayX = x,DisplayY = y;
  if(DATUM == TL_DATUM){
    DisplayX = x;
    DisplayY = y+h;
  }else if(DATUM == TC_DATUM){
    DisplayX = x-(w/2);
    DisplayY = y+h;
  }else if(DATUM == TR_DATUM){
    DisplayX = x-w;
    DisplayY = y+h;
  }else if(DATUM == CL_DATUM){
    DisplayX = x;
    DisplayY = y+(h/2);
  }else if(DATUM == CC_DATUM){
    DisplayX = x-(w/2);
    DisplayY = y+(h/2);
  }else if(DATUM == CR_DATUM){
    DisplayX = x-w;
    DisplayY = y+(h/2);
  }else if(DATUM == BL_DATUM){
    DisplayX = x;
    DisplayY = y;
  }else if(DATUM == BC_DATUM){
    DisplayX = x-(w/2);
    DisplayY = y;
  }else if(DATUM == BR_DATUM){
    DisplayX = x-w;
    DisplayY = y;
  }
  gfx->setCursor(DisplayX, DisplayY);
  gfx->print(str);
}

这里面设置字体大小主要是需要自定义字体，这里面可以直接使用U8G2的字体文件和自定义办法，我项目里设置的是20px，思源黑的字体。

扩展IO-MCP23017

之后需要初始化MCP23017，这个也有库文件，Adafruit_MCP23X17.h。使用Wire.begin(SDA,SCL)初始化IIC总线，后续参考库文件示例即可。我这边是直接初始化了16个中断，在23017中产生中断之后会输出给一个低电平到中断引脚，触发arduino的中断。MCP23017有两个中断引脚，实际使用中可以合并两个引脚。每次在arduino中触发中断的时候会触发中断函数，中断函数中为了节省时间只是将一个Flag设置为true，在loop函数中检测这个flag如果为true，则将它交给处理按钮按下的函数处理。在处理完中断之后，需要重置Flag以及mcp.clearInterrupts();来重置MCP23017的中断。

pinMode(INT_PIN, INPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT_PIN), ButtonInterrupt, FALLING);
mcp.setupInterrupts(true, false, LOW);

USB串口

ESP32-S2自带了一个USB控制器，支持USBCDC设备，所以相较于之前的设计可以省下一个USB转串口。主要参考的示例就是自带的USB Serial设备示例。首先初始化USB串口与USB控制器，设置事件发生时的中断

  USBSerial.begin();
  USB.begin();
  USBSerial.onEvent(usbEventCallback);

在触发USB事件以后，需要判断触发的是哪个事件。这里因为发生过缓冲区溢出的问题，所以处理了接收数据和接收缓冲区溢出事件。同样，如果在中断里时间过长会导致错误，在此仅存储字符串不作处理。这里的SerialData是一个全局变量。

void usbEventCallback(void* arg, esp_event_base_t event_base, int32_t event_id, void* event_data){
  arduino_usb_cdc_event_data_t * data = (arduino_usb_cdc_event_data_t*)event_data;
  if(event_id == ARDUINO_USB_CDC_RX_EVENT){
    //Serial.printf("CDC RX [%u]:", data->rx.len);
    uint8_t buf[data->rx.len];
    size_t len = USBSerial.read(buf, data->rx.len);
    SerialData += String(buf,len);
  }else if(event_id == ARDUINO_USB_CDC_RX_OVERFLOW_EVENT){
    Serial.printf("CDC RX Overflow of %d bytes", data->rx_overflow.dropped_bytes);
  }
}

在loop函数中会检测变量是否为空，如果是空则使用SerialData.indexOf(str)>=0判断是否存在一个特定的字符串，用来检测命令的类型。该函数在不存在时会返回-1,根据命令类型取出中间数据交给相应函数处理。

最开始是直接采用检测缓冲区字节数，不为0则读取进字符串，之后处理。由于上位机发送的数据比较大，可能直接导致缓冲区溢出，数据丢失。所以采用了事件的方式，目前来看没有再触发缓冲区溢出的情况出现。

数据存储

由于需要保存相关菜单文件，所以需要利用ESP32的文件系统存储数据，这次选用的是FFAT。我这边买的模块是N16R2的，有16M的flash可以用，不过需要重写分区表。参考官方和platformio的文档，添加一行ffat, data, fat,,10M,，将10M换成所需的FFAT分区大小。注意本身可能有SPIFFS或者FFAT的分区，删除即可，我们新建一个就不需要原来的了。记得检查总大小不要超过你的flash大小。同时，我所用的platformio需要手动写一个配置文件，更改该型号的ESP32的flash大小。建议照猫画虎，更改maximum_size即可。

代码部分，首次运行时可能需要format一下文件系统，之后正常初始化即可。读写文件的函数参考官方示例，这块变数不大。

if (FORMAT_FFAT) FFat.format();
if(!FFat.begin()){
    Serial.println("FFat Mount Failed");
    return;
}

运行流程

讲一点前提：我们存储这些菜单是基于一个树形结构存储，除去包含节点所需数据，另外添加id，指向父节点的指针Parent，一个列表去保存子节点children。

首先进入setup函数，完成所有的初始化工作并给屏幕重置，之后从文件系统读取菜单树。这棵树每个节点为一行按照DFS的顺序存储至文件，不需要存储子节点列表。读取时首先按照分隔符读取每个节点，再按照分隔符分成每个参数，每个参数根据位置生成一个节点。每个生成出来的节点会进入一个列表，平行存储了每一个节点。遍历这个列表并按照ID找到它的父节点，把自己的指针加入父节点的子节点列表中，同时自己的parent指向父节点。由于生成平行列表的需要，我们首先需要创建一个根节点，并把它推入列表。这在setup函数读取文件之前及全局变量中实现。

逐行读取完文件后，树应该建立完成，采用一个指向当前所有节点的列表的指针保存当前显示的所有菜单。首先将根节点的子节点的列表的指针存储到之前的变量中，之后交给显示菜单的函数，读取所有菜单并按照位置显示出来。到此，setup函数执行完成。

之后循环执行loop函数，首先判断中断是否被触发，并拿到触发中断的按钮。把这个按钮编号交给相关函数，函数会读取当前层级的菜单列表并根据显示位置找到对应的按钮，读取它的类型，命令，数据，通过串口发送给上位机执行。之后重置状态和芯片。

然后判断串口数据是否为空，如果不空则判断数据是否包含命令字符串，如果匹配上则取出数据，这边主要定义了几个命令，设置菜单，获取设备名称，心跳包。设置菜单直接保存数据至文件系统，之后清空列表和根节点的子节点，并重新从文件系统读取显示。获取设备名称是为了上位机识别设备，返回特定字符串即可。心跳包用于检测上位机是否正常存在，如果是则记录当前时间。如果接收到心跳包且当前正处于息屏状态，则重新显示屏幕内容。

串口数据处理完成后，判断当前时间与上一个心跳包的时间差距，如果超出阈值则息屏并设置相关Flag。到此，loop也执行完成，开始下个循环。

其他

在流程中，由于数据交换均采用字符串，所以为了防止字符串中的内容干扰分隔符，对内容进行了base64处理，采用了Base64.h。对于列表，采用了Vector.h。

上位机部分

上位机部分比较简单，没有应用MVVM之类的模型，直接使用wpf写了应用。UI采用了HandyControl

运行流程

完成相关初始化工作之后，首先弹出选择串口的界面。串口选择沿用了之前写的自动选择串口，打开每个串口发送数据，如果返回值不正确或者超时未收到数据，则关闭检测下一个。需要注意的是，在收到数据以后，我延时了50ms让数据完整。对于这个项目应用的USB虚拟串口，是需要有流控的。方式是DTR/CTS。我简单地直接打开了DTR：DevicePort.DtrEnable = true;如果不这样，你会发现你的串口发送给MCU正常，但是你收不到MCU的数据。（正常来说还是该检测一下CTS的状态，偷懒暂时没啥问题倒是）
找到正确的串口之后，写入文件并返回。如果没有找到，则弹出提示并关闭窗口。

回到主界面，直接读取之前写入的文件并打开串口，同样需要打开DTR。与MCU的运行过程一致，读取菜单文件并生成树。之后将菜单显示到TreeView中。启动发送心跳包的计时器。

编辑菜单就是基本的增查删改，出于偷懒，我选择每次更改发送全量数据。

如果接收到MCU的数据，则判断命令并执行。OpenFile这个命令直接执行了System.Diagnostics.Process.Start(str);可以打开很多类型的东西。

软件会在关闭按下时取消并隐藏到托盘，同样可以通过双击托盘唤出主菜单。

最后

这个项目还有很多改进空间，也欢迎前来交流：QQ312980373。并未公开完整源代码，不过有需要可以找我要，我会开放GitHub。