使用 C++ Constructors 和 ESP32 : 掌握強大 UART 技術

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簡介

這篇部落格將介紹如何在 ESP32 開發框架 (ESP-IDF) 中使用 C++ 建構子 (Constructors) 來初始化和控制 UART 通訊。讀者將從基礎開始，學習如何利用 C++ 建構子的特性優雅地管理 ESP32 上的硬體初始化，特別是 UART 介面。

為什麼選擇 C++ 和建構子 (Constructors)？

C++ 擁有強大的物件導向特性，而建構子（constructors）則是其中的一大亮點。在硬體初始化中，建構子可以在物件創建時自動執行初始化邏輯，不需要額外的設定步驟。這種方式對於 IoT 開發非常便利，可以讓我們在創建 ESP32 上的硬體資源時，像 UART 這樣的通訊介面，也能保持程式碼簡潔、結構清晰。

在 ESP32 上使用 C++ 建構子的基礎

在 ESP32 開發中，C++ 的建構子能幫助我們進行資源的初始化。舉例來說，我們可以定義一個 UART 類別，並在建構子中完成 UART 的設定。這樣的方式比傳統 C 語言在主函數中一行行初始化的方式更為直觀。
ClassName(parameters) : member1(initial_value), member2(initial_value) { 
    // Additional initialization operations
}

開發環境設置

1. 安裝 Visual Studio Code，可從官方網站下載並且安裝。
2. 安裝 ESP-IDF 插件。

創建一個新項目

1. 在 VS Code 中，按下 Ctrl (Cmd) + Shift + P，然後輸入 ESP-IDF: New Project。

2. 選擇一個樣板專案（如 blink example），設定專案名稱（例如 my_project），並選擇存儲路徑。

3. 此時，系統會自動為您生成一個新的 ESP-IDF 項目，其中包含基本的 CMake 文件和一個範例程式碼。

檔案結構

my_project/
├── CMakeLists.txt           # CMake 建構配置檔
├── main/
│   ├── CMakeLists.txt       # 主要元件的 CMake 配置檔
│   └── main.cpp             # 包含 UART 類別和應用邏輯的主源檔
└── sdkconfig                # 由 menuconfig 生成的專案配置檔

使用 C++ 建構子初始化 UART

在 main 目錄中創建一個名為 main.cpp 的檔案，並添加以下程式碼：
#include <iostream>
#include "driver/uart.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "string.h"
#include "esp_log.h"  // Include the ESP-IDF log library

// Define a tag for logging
static const char *TAG = "UART_LOG";  // Tag for identifying log messages

class UART {
private:
    uart_port_t uart_num;

public:
    // Constructor: Initialize UART port
    UART(uart_port_t uart_num, int tx_pin, int rx_pin, int baud_rate) : uart_num(uart_num) {
        uart_config_t uart_config = {
            .baud_rate = baud_rate,
            .data_bits = UART_DATA_8_BITS,
            .parity = UART_PARITY_DISABLE,
            .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,
            .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE
        };

        // Configure UART parameters
        esp_err_t err = uart_param_config(uart_num, &uart_config);
        if (err != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Failed to configure UART parameters: %s", esp_err_to_name(err));
        }
        
        err = uart_set_pin(uart_num, tx_pin, rx_pin, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE);
        if (err != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Failed to set UART pins: %s", esp_err_to_name(err));
        }

        err = uart_driver_install(uart_num, 1024 * 2, 0, 0, NULL, 0);
        if (err != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Failed to install UART driver: %s", esp_err_to_name(err));
        }
    }

    // Method to send data
    void sendData(const char *data) {
        int len = uart_write_bytes(uart_num, data, strlen(data));
        ESP_LOGI(TAG, "Sent %d bytes: %s", len, data);
    }

    // Method to receive data
    void receiveData() {
        uint8_t data[128];
        int length = uart_read_bytes(uart_num, data, sizeof(data) - 1, 100 / portTICK_PERIOD_MS);
        if (length > 0) {
            data[length] = '\0'; // Null-terminate the received data
            ESP_LOGI(TAG, "Received: %s", data);
        }
    }
};

extern "C" void app_main() {
    // Create UART object, configure UART1, and specify TX and RX pins
    UART uart(UART_NUM_1, GPIO_NUM_17, GPIO_NUM_16, 115200);

    // Send data every 2 seconds
    while (true) {
        uart.sendData("Hello, UART!\n");
        uart.receiveData(); // Receive data
        vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}
說明 :
1. UART 類別和建構子：在 main.cpp 中定義 UART 類別，並使用建構子初始化 UART 參數。

2. 參數配置：建構子使用 uart_param_config 設置 UART 參數，並使用 uart_set_pin 指定 TX 和 RX 引腳。

3. 資料傳輸與接收：sendData 方法用於通過 UART 發送字串，receiveData 方法用於接收資料並輸出。
Learn C++ with ESP32 Powerful UART Constructors

編譯與燒錄

在 VSCode 視窗最下方中找到 "ESP32-IDF : Build, Flash and Monitor" ICON 執行和燒錄。

程式運行效果

運行程式後，您將在終端機中看到以下輸出：
I (1234) UART_LOG: Configuring UART parameters...
I (1235) UART_LOG: Setting UART pins...
I (1236) UART_LOG: Installing UART driver...
I (1350) UART_LOG: Sent 14 bytes: Hello, UART!
I (1360) UART_LOG: Received: Some response from the connected device
I (1350) UART_LOG: Sent 14 bytes: Hello, UART!
I (1360) UART_LOG: Received: Another response

結論

在 ESP32 開發中使用 C++ 建構子 (Constructors) 提供了幾個好處：

1. 更清晰的程式碼：將初始化邏輯放在建構子中，使程式碼的結構更清晰和有組織。
2. 資源管理簡化：當物件被創建時，資源的初始化自動發生，減少錯誤的機會。
3. 提高程式碼重用性：將 UART 功能封裝在類別中，使其在不同專案中易於重用。

希望這個指南能幫助您在 ESP32 的物聯網開發之旅中取得成功！未來可以嘗試將這個概念應用到其他硬體資源的管理中。
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