ESP32でUART通信を使いこなす｜ESP-IDFで送受信する方法を実例付きで解説

UARTとは

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）は、ESP32で最も利用頻度の高い通信方式の一つです。

センサーやマイコン、PCとの通信だけでなく、RS-232やRS-485などのシリアル通信にも利用されます。

ESP32ではデバッグログの出力にもUARTが使用されており、開発では欠かせないインターフェースです。

UART通信の仕組み

UARTはクロック信号を使用しない非同期シリアル通信です。

送信側と受信側で同じ通信設定（ボーレートなど）を使用することで通信を行います。

一般的な設定は次の通りです。

ボーレート：115200bps
データ長：8bit
パリティ：なし
ストップビット：1bit

一般には 8N1 と呼ばれる設定です。

ESP32-C5で使用できるUART

ESP32-C5には複数のUARTが搭載されています。

一般的には

UART0
UART1

を使用します。

UART0は書き込みやログ出力にも使用されるため、

アプリケーション通信にはUART1を使用すると設計しやすい場合があります。

ただし、UART0でもGPIOを変更すればユーザー用途として利用可能です。

ESP-IDFで使用するUART API

ESP-IDFでは主に次のAPIを使用します。

API	内容
`uart_driver_install()`	UARTドライバ初期化
`uart_param_config()`	通信条件設定
`uart_set_pin()`	GPIO設定
`uart_write_bytes()`	データ送信
`uart_read_bytes()`	データ受信

この5つを理解すれば、多くのUART通信は実装できます。

UART初期化

UART通信を開始する前に、

ドライバのインストール
通信条件の設定
GPIO設定

を行います。

サンプルコード

#include "driver/uart.h"
#include "esp_err.h"
#include "driver/gpio.h"

#define UART_PORT      UART_NUM_1
#define TX_GPIO        GPIO_NUM_4
#define RX_GPIO        GPIO_NUM_5
#define RX_BUF_SIZE    1024

static void uart_init(void)
{
    const uart_config_t uart_config = {
        .baud_rate = 115200,
        .data_bits = UART_DATA_8_BITS,
        .parity = UART_PARITY_DISABLE,
        .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,
        .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,
        .source_clk = UART_SCLK_DEFAULT
    };

    ESP_ERROR_CHECK(
        uart_driver_install(
            UART_PORT,
            RX_BUF_SIZE,
            0,
            0,
            NULL,
            0));

    ESP_ERROR_CHECK(
        uart_param_config(
            UART_PORT,
            &uart_config));

    ESP_ERROR_CHECK(
        uart_set_pin(
            UART_PORT,
            TX_GPIO,
            RX_GPIO,
            UART_PIN_NO_CHANGE,
            UART_PIN_NO_CHANGE));
}

uart_driver_install()ではUARTドライバを有効化します。

uart_param_config()ではボーレートやデータ長など通信条件を設定します。

uart_set_pin()では送信・受信に使用するGPIOを指定します。

UART送信

UART送信はuart_write_bytes()を呼び出すだけです。

まずは送信部分だけを見てみましょう。

uart_write_bytes(
    UART_PORT,
    message,
    strlen(message));

第1引数にはUART番号、

第2引数には送信データ、

第3引数には送信するバイト数を指定します。

const char *message = "Hello UART!\r\n";

uart_write_bytes(
    UART_PORT,
    message,
    strlen(message));

UART受信

UART受信はuart_read_bytes()を使用します。

受信バッファを用意し、受信待ち時間（タイムアウト）を指定するだけで受信できます。

まずは受信部分だけを見てみましょう。

サンプルコード

uint8_t rx_data[128];

while (1)
{
    int len = uart_read_bytes(
        UART_PORT,
        rx_data,
        sizeof(rx_data),
        pdMS_TO_TICKS(100));

    if (len > 0)
    {
        printf("Receive %d byte(s): ", len);

        for (int i = 0; i < len; i++)
        {
            printf("%02X ", rx_data[i]);
        }

        printf("\n");
    }
}

uart_read_bytes第4引数には受信タイムアウト時間を指定します。

今回は100ms待機しています。

受信データがある場合は、受信バイト数が返ります。

双方向通信

送信と受信は同時に使用できます。

例えば、一定周期でデータを送信しながら、受信データを監視することも可能です。

サンプルコード

const char *tx_message = "UART TEST\r\n";
uint8_t rx_data[128];

while (1)
{
    uart_write_bytes(
        UART_PORT,
        tx_message,
        strlen(tx_message));

    int len = uart_read_bytes(
        UART_PORT,
        rx_data,
        sizeof(rx_data),
        pdMS_TO_TICKS(100));

    if (len > 0)
    {
        printf("Receive %d byte(s)\n", len);
    }

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}

送信と受信は独立して動作するため、同じUARTポートでも問題なく使用できます。

UART通信でよくあるトラブル

ESP32でUART通信ができない場合は、次の項目を確認してみてください。

TX/RXが逆になっていないか
ボーレートが一致しているか
GND同士が接続されているか
GPIO設定が正しいか
UART0をログ出力と共用していないか

UARTのトラブルは、配線ミスや通信設定の不一致が原因となることがほとんどです。

実務で使うポイント

今回のサンプルコードはUART通信の基本動作を理解するためのものです。

実際の製品開発では、さらに次のような処理を追加することが一般的です。

リングバッファによる受信管理
CRCチェック
通信タイムアウト監視
パケット解析
エラーリトライ
FreeRTOSタスク分離

これらを実装することで、より安定したUART通信を実現できます。

まとめ

今回はESP32でUART通信を行う基本的な方法を紹介しました。

UART通信はESP32で最も利用頻度の高いインターフェースの一つです。

ESP-IDFでは

uart_driver_install()
uart_param_config()
uart_set_pin()
uart_write_bytes()
uart_read_bytes()

の5つのAPIを理解すれば、多くのUART通信を実装できます。

UARTを習得すると、RS-485やModbus RTUなどのシリアル通信にも応用できるため、組み込み開発の幅が大きく広がります。