外设接口规范¶
本文档引用的文件 - config.h - ch390.h - esp_eth_mac_ch390.h - esp_eth_phy_ch390.h - esp_eth_mac_ch390.c - esp_eth_phy_ch390.c - CH390H_Wiring.md - eth_manager.c - hci_passthrough.c - hci_uart_tester.py - main.c - ws2812_led.c
目录¶
简介¶
本文件为ESP32-S3 BLE网关的外设接口技术规范，重点覆盖以下内容： - UART通信协议规范：波特率设置（1Mbps）、数据格式、流控制机制、错误处理 - SPI接口规范：CH390以太网控制器的通信协议、时钟频率（20MHz）、数据传输格式、片选时序 - I2C、GPIO和其他外设接口规范 - 电气参数、时序图和协议帧格式 - 接口测试方法和调试工具使用指南
项目结构¶
该项目采用组件化设计，主要涉及以下模块： - UART（BLE控制器通信）：配置为1Mbps，启用硬件流控（RTS/CTS） - SPI（以太网控制器CH390）：20MHz时钟，标准SPI模式，片选低电平有效 - I2C：基于ESP32-S3 SoC能力（具体引脚在配置中预留） - GPIO：LED指示、中断、复位等控制引脚 - 其他外设：WS2812 LED指示灯（RMT驱动）
graph TB
subgraph "主控制器"
ESP32S3[ESP32-S3 MCU]
UART[UART外设<br/>1Mbps, 硬件流控]
SPI[SPI外设<br/>20MHz]
I2C[I2C外设<br/>引脚预留]
GPIO[GPIO外设<br/>LED/INT/RST]
end
subgraph "外部设备"
NRF52833[NRF52833 BLE控制器<br/>Zephyr HCI]
CH390[CH390 以太网控制器<br/>SPI接口]
WS2812[WS2812 LED指示灯<br/>RMT驱动]
end
ESP32S3 --> UART
ESP32S3 --> SPI
ESP32S3 --> I2C
ESP32S3 --> GPIO
UART <- --> NRF52833
SPI <- --> CH390
GPIO --> WS2812图表来源 - main.c - config.h - CH390H_Wiring.md
核心组件¶
- UART（BLE控制器通信）
- 波特率：1Mbps
- 数据格式：8N1（8数据位，无校验，1停止位）
- 流控制：硬件流控（RTS/CTS）
- 引脚：TX=17, RX=18, RTS=15, CTS=16
- SPI（CH390以太网控制器）
- 时钟频率：20MHz
- 模式：SPI模式0（CPOL=0, CPHA=0）
- 片选：低电平有效
- 引脚：MOSI=11, MISO=13, SCK=12, SCS=10
- 中断：INT=14
- 复位：RST=9
- I2C（预留）
- 引脚：在配置中预留，具体引脚由应用决定
- GPIO（其他外设）
- WS2812 LED：RMT驱动，GPIO48
- 中断/复位：INT=14, RST=9
- 其他
- WS2812 LED：RMT编码器，10MHz分辨率，300μs复位时间
章节来源 - config.h - CH390H_Wiring.md - ws2812_led.c
架构总览¶
系统通过UART与NRF52833进行BLE数据交换，通过SPI与CH390以太网控制器通信，同时提供LED状态指示和网络管理。
sequenceDiagram
participant Host as "主机应用"
participant ESP as "ESP32-S3"
participant UART as "UART接口"
participant BLE as "NRF52833"
participant ETH as "CH390以太网"
Host->>ESP : 配置UART(1Mbps, 硬件流控)
ESP->>UART : 初始化TX/RX/RTS/CTS
UART->>BLE : 透明转发HCI数据
Host->>ESP : 配置SPI(20MHz)
ESP->>ETH : SPI写寄存器/内存
ETH-->>ESP : 返回以太网状态
ESP-->>Host : 提供网络状态图表来源 - hci_passthrough.c - eth_manager.c
章节来源 - hci_passthrough.c - eth_manager.c
详细组件分析¶
UART通信协议规范（BLE控制器）¶
- 波特率设置：1Mbps（匹配NRF52833 Zephyr HCI要求）
- 数据格式：8N1（8数据位，无校验，1停止位）
- 流控制机制：硬件流控（RTS/CTS），启用rx_flow_ctrl_thresh=64
- 错误处理：超时重试、缓冲区溢出检测、日志记录
- 引脚映射：TX=17, RX=18, RTS=15, CTS=16
sequenceDiagram
participant ESP as "ESP32-S3"
participant UART as "UART驱动"
participant BLE as "NRF52833"
ESP->>UART : 配置1Mbps, 8N1, 硬件流控
UART->>BLE : TX数据(带RTS/CTS握手)
BLE-->>UART : RX数据(受RTS/CTS控制)
UART-->>ESP : 事件回调/队列通知图表来源 - hci_passthrough.c - config.h
章节来源 - hci_passthrough.c - config.h
SPI接口规范（CH390以太网控制器）¶
- 时钟频率：20MHz（ETH_SPI_CLK_MHZ=20）
- 模式：SPI模式0（CPOL=0, CPHA=0）
- 帧格式：命令位1位，地址位7位
- 片选时序：低电平有效，硬件自动管理
- 寄存器访问：OPC_REG_W（0x80）写，OPC_REG_R（0x00）读
- 内存访问：OPC_MEM_WRITE（0xF8），OPC_MEM_READ（0x72）
- 中断：INT引脚下降沿触发，GPIO ISR服务
- 复位：RST引脚低电平复位，上电自动复位
flowchart TD
Start([SPI初始化]) --> Config["配置SPI主机<br/>20MHz, 模式0"]
Config --> AddDev["添加SPI设备<br/>CS=10, MOSI=11, MISO=13, SCK=12"]
AddDev --> Lock["获取SPI互斥锁"]
Lock --> Cmd["发送命令+地址"]
Cmd --> RW{"读或写?"}
RW --> |写| Write["写数据缓冲"]
RW --> |读| Read["读数据缓冲"]
Write --> Unlock["释放SPI互斥锁"]
Read --> Unlock
Unlock --> End([完成])图表来源 - eth_manager.c - esp_eth_mac_ch390.c
章节来源 - eth_manager.c - esp_eth_mac_ch390.c - ch390.h
CH390寄存器与内存访问¶
- 寄存器访问：通过SPI命令进行寄存器读写
- 内存访问：支持内存读写命令，带地址增量控制
- 中断处理：ISR寄存器状态查询，IMR中断屏蔽寄存器
- 流控配置：FCR（0x0A）启用流控，FCTR高低水位阈值
- 物理层：PHY寄存器BMCR/BMSR等，支持自协商和环回
classDiagram
class CH390寄存器 {
+NCR : 网络控制
+NSR : 网络状态
+TCR : 发送控制
+RCR : 接收控制
+FCR : 流控
+IMR : 中断屏蔽
+ISR : 中断状态
}
class CH390内存 {
+TXPLL/TXPLH : 发送长度
+MRCMD/MWCMD : 内存读写
+MRRL/MWRH : 地址寄存器
}
class CH390PHY {
+BMCR : 控制寄存器
+BMSR : 状态寄存器
+ANAR/ANLPAR : 自协商
}
CH390寄存器 <.. CH390内存 : "通过SPI访问"
CH390寄存器 <.. CH390PHY : "MII管理接口"图表来源 - ch390.h - esp_eth_mac_ch390.c
章节来源 - ch390.h - esp_eth_mac_ch390.c
I2C接口规范（预留）¶
- 引脚预留：I2C引脚在配置中预留，具体引脚由应用决定
- 时序：标准I2C时序（SDA/SCL），支持主从模式
- 用途：可扩展传感器、EEPROM等外设
章节来源 - config.h
GPIO接口规范¶
- LED指示：WS2812，GPIO48，RMT编码器驱动
- 中断：INT=14，下降沿触发，GPIO ISR服务
- 复位：RST=9，低电平有效
- 其他：NRF复位引脚=4
章节来源 - config.h - ws2812_led.c
电气参数与时序¶
- UART电气参数
- 波特率：1Mbps
- 数据格式：8N1
- 流控：RTS/CTS
- SPI电气参数
- 时钟频率：20MHz
- 模式：SPI模式0
- 片选：低电平有效
- WS2812电气参数
- 逻辑0：T0H=400ns, T0L=850ns
- 逻辑1：T1H=800ns, T1L=450ns
- 复位时间：300μs
- 分辨率：10MHz（1tick=100ns）
章节来源 - ws2812_led.c
依赖关系分析¶
- UART依赖于ESP32-S3的UART外设和GPIO配置
- SPI依赖于ESP32-S3的SPI主机和GPIO配置
- CH390驱动依赖ESP-IDF的以太网框架和SPI驱动
- WS2812依赖RMT外设和DMA传输
graph TB
UART[UART驱动] --> ESP32S3[ESP32-S3 UART外设]
SPI[SPI驱动] --> ESP32S3[ESP32-S3 SPI外设]
CH390[CH390驱动] --> SPI
CH390 --> ETH[以太网栈]
WS2812[RMT驱动] --> ESP32S3[RMT外设]图表来源 - eth_manager.c - ws2812_led.c
章节来源 - eth_manager.c - ws2812_led.c
性能考虑¶
- UART吞吐量：1Mbps全双工，硬件流控避免数据丢失
- SPI吞吐量：20MHz时钟，建议批量传输减少SPI事务开销
- 中断优先级：CH390中断使用GPIO ISR，注意与WiFi/蓝牙中断优先级协调
- 内存管理：UART/ETH缓冲区大小合理配置，避免溢出
- LED刷新：RMT DMA传输，避免阻塞任务调度
故障排除指南¶
- UART问题
- 症状：数据丢失或超时
- 排查：检查RTS/CTS连接，确认波特率一致，查看日志
- SPI问题
- 症状：CH390初始化失败或寄存器读写错误
- 排查：检查片选时序，确认SPI模式和时钟频率，验证引脚连接
- 中断问题
- 症状：ETH中断不触发
- 排查：确认INT引脚配置为下降沿触发，检查GPIO ISR安装
- LED问题
- 症状：LED不亮或显示异常
- 排查：确认RMT通道配置，检查WS2812引脚和供电
章节来源 - hci_passthrough.c - eth_manager.c - ws2812_led.c
结论¶
本规范明确了ESP32-S3 BLE网关的外设接口要求，包括UART（1Mbps, 硬件流控）和SPI（20MHz, CH390）的具体配置与协议细节。通过合理的电气参数、时序设计和错误处理机制，确保系统稳定运行。建议在实际部署中严格遵循本规范，并结合提供的测试工具进行验证。
附录¶
接口测试方法¶
- UART测试
- 使用上位机工具（如hci_uart_tester.py）进行双向通信测试
- 验证1Mbps波特率下的数据完整性
- 测试RTS/CTS流控功能
- SPI测试
- 使用逻辑分析仪捕获SPI时序
- 验证寄存器读写和内存访问
- 测试CH390中断和复位功能
- LED测试
- 验证RMT编码正确性
- 测试多LED串联和亮度调节
章节来源 - hci_uart_tester.py - CH390H_Wiring.md