ESP32 微控制器系列指南

2024-05-29 Don Wilcher

[微控制器]

ESP32 微控制器已成為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和嵌入式控制器領(lǐng)域的核心部分。 ESP32 生態(tài)系統(tǒng)的制造商 Espressif Systems 創(chuàng)建了功能強(qiáng)大且價(jià)格實(shí)惠的片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備，將 Wi-Fi、藍(lán)牙和中央處理單元 (CPU) 集成到一個(gè)微控制器封裝中，使這些 SoC 成為理想的選擇適用于嵌入式控制器和物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。

對(duì)于工程師或制造商來(lái)說(shuō)，熟悉各種 ESP32 硬件平臺(tái)和軟件包可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。本指南將提供與 ESP32 微控制器生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)規(guī)格、開發(fā)套件和軟件設(shè)計(jì)套件 (SDK) 的信息。有了這樣的指南，您將能夠根據(jù)您的特定項(xiàng)目要求選擇合適的 ESP32 微控制器設(shè)備。

*典型的 ESP32 微控制器。圖片由[維基百科提供]

ESP32 概述

憑借較低的制造開發(fā)成本和高效的處理器，您可以將 ESP32 部署到各種物聯(lián)網(wǎng)和控制器項(xiàng)目中。 ESP32 微控制器的一些主要功能包括 Wi-Fi、藍(lán)牙和小外形尺寸?？偟膩?lái)說(shuō)，這里是 ESP32 微控制器的簡(jiǎn)要概述。

堅(jiān)固的設(shè)計(jì)

ESP32 微控制器具有動(dòng)態(tài)移除外部電路接口的能力。即使在工業(yè)環(huán)境中，此功能也可確保其可靠運(yùn)行。 ESP32 的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。該微控制器可由+3.3V的電源電壓供電，這使得開發(fā)無(wú)線遙感和控制器應(yīng)用成為可能。

超低功耗

ESP32 專為便攜式設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品、智能控制器和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。使用各種專有軟件包，ESP32 微控制器實(shí)現(xiàn)了超低功耗。此外，ESP32 芯片還具有多種功耗模式、動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整和時(shí)鐘門控功能。

高集成度

高水平的 SoC 集成允許 ESP32 中包含各種電子電路。 SoC高級(jí)集成包括以下板載電子電路。

• 內(nèi)置天線開關(guān)
• 射頻巴倫
• 功率放大器
• 低噪聲接收放大器
• 過濾器，以及
• 電源管理模塊

憑借這些特性、功能和多功能性，ESP32 微控制器生態(tài)系統(tǒng)可以為嵌入式應(yīng)用提供最小的印刷電路板 (PCB) 空間要求。

ESP32 功能框圖。圖片由[Brian Krent（談話·貢獻(xiàn)）提供，CC0，來(lái)自 Wikimedia Commons]

混合 Wi-Fi、藍(lán)牙和硬連線通信接口

您可以設(shè)置可由主機(jī)控制器使用 Wi-Fi 和藍(lán)牙控制的無(wú)線系統(tǒng)或設(shè)備。這有助于降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜性和主控制器CPU的開銷。

ESP32 微控制器具有不同的通信接口，如 SPI、SDIO 和 I2C/UART。這些專用的硬連線接口為主機(jī)控制器提供其他通信方案來(lái)控制設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)。

ESP32 架構(gòu)

ESP32 架構(gòu)基于 Xtensa LXn CPU 內(nèi)核。 Xtensa CPU 內(nèi)核采用模塊化、靈活的 32 位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC) 架構(gòu)。 RISC 設(shè)備是一種微處理器架構(gòu)，使用一組有效的編程指令。這一小組編程指令有助于 RISC 架構(gòu) Xtensa 處理器從小型無(wú)緩存控制器擴(kuò)展到高性能數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)。

典型的RISC架構(gòu)。圖片由[javatpoint]提供。

Xtensa LXn CPU

如前所述，Xtensa LXn 具有各種 CPU 處理能力。以下是一些可用于 ESP32 微控制器的 Xtensa LXn CPU 的列表：

• LX6 – Xtensa LX6 CPU 用于原始 ESP32 和 ESP32-S 微控制器系列的各個(gè)版本。 Xtensa LX6 是一款 32 位低功耗微處理器，具有雙核和單核配置。 Xtensa LX6 CPU 為 ESP32 和 ESP32-S 微控制器變體提供性能和能效。
• LX7 – LX7 處理器是 Xtensa LX6 CPU 的增強(qiáng)版本。 LX7 設(shè)備采用高效的 32 位處理器架構(gòu)?？膳渲玫?RISC、數(shù)據(jù)緩存和本地存儲(chǔ)器都集成到 LX7 的芯片中。 ESP32-S2 和 ESP32-S3 微控制器使用 LX7 功能，這是對(duì) LX6 架構(gòu)的增強(qiáng)。

LX7處理器架構(gòu)。圖片由[Cadence]提供。

• RISC-V 內(nèi)核 – ESP32-C3 和 ESP32-C6 微控制器使用單核 32 位 RISC-V 處理器。免版稅的開源指令集架構(gòu) (ISA) 消除了 ESP32-C3 和 ESP-C6 芯片制造的費(fèi)用成本。 RISC 架構(gòu)使用 5 個(gè)核心模塊：硬連線控制單元 (HCU)、指令緩存、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)路徑和內(nèi)存。這 5 個(gè)核心塊使用寄存器，從而為指定的微控制器提供合理的運(yùn)行速度。

ESP32 子系列

如果您正在從事物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備或嵌入式控制器項(xiàng)目，有大量 ESP32 微控制器可供選擇。下面，您將找到不同 ESP32 微控制器子系列的列表，及其功能以及可以使用它們創(chuàng)建的一些項(xiàng)目示例。

ESP32（原始變體）

• 核心架構(gòu)：Xtensa LX6（單核或雙核）
• 技術(shù)規(guī)格：

1. 時(shí)鐘速度：范圍（例如，80 MHz - 240 MHz）。
2. 內(nèi)存：RAM 和 ROM 容量范圍（例如，高達(dá) 520 KiB RAM、4 MB 閃存）。
3. 具有 34 個(gè)可編程 GPIO、SPI、I2C、I2S、UART、ADC、電機(jī) PWM、LED PWM
   一個(gè)。無(wú)線連接：Wi-Fi 和 BLE

b.電源管理：具有多種睡眠模式的低功耗操作

c.安全功能：基于硬件的安全性（例如安全啟動(dòng)、加密）

d.項(xiàng)目示例：智能家居氣象站（利用雙核進(jìn)行高效處理）。

ESP32 開發(fā)套件M-1

ESP32-S 系列（后續(xù)產(chǎn)品）

• 核心架構(gòu)：Xtensa LX7（雙核）- 改進(jìn)的性能和安全性。
• 變種：

1. ESP32-S2：僅 Wi-Fi（無(wú)藍(lán)牙）
2. ESP32-S3：Wi-Fi 和 BLE
   一個(gè)。技術(shù)規(guī)格（一般 - S2 和 S3 之間可能略有不同）

我。與原始 ESP32 相比，時(shí)鐘速度有所提高。

b. USB 支持。

c.內(nèi)存：320KB SRAM、128K ROM

d.具有 43 個(gè)可編程 GPIO、SPI、I2C、I2S、UART、ADC、LED PWM

項(xiàng)目實(shí)例：

• ESP32-S2：Wi-Fi 智能插頭（單 LX7 核就足夠了）。
• ESP32-S3：可穿戴健身追蹤器（雙 LX7 內(nèi)核用于實(shí)時(shí)處理）。

ESP32-S3 DevKitM-1

ESP32-C 系列（RISC-V 內(nèi)核）

• 核心架構(gòu)：?jiǎn)魏?32 位 RISC-V（成本可能更低）
• 變種：

1. ESP32-C3：Wi-Fi 和 BLE
2. ESP32-C6（即將推出）：詳細(xì)信息尚未完全確認(rèn)。
   一個(gè)。技術(shù)規(guī)格（一般 - C3 和 C6 之間可能有所不同）
3. 時(shí)鐘速度：可能與其他 ESP32 的范圍相似（80 MHz - 240 MHz - C6 需要確認(rèn)）。
4. 內(nèi)存：可能與 ESP32-C3 相似或容量有所增加（例如 ESP32-C3：高達(dá) 4MB 閃存、400 KiB RAM）
5. 有 14 個(gè)可編程 GPIO、SPI、I2C、UART、LED PWM、ADC、

• 無(wú)線連接 (C3)：Wi-Fi 和 BLE（C6 需要確認(rèn)）

項(xiàng)目示例 (ESP32-C3)：無(wú)線土壤濕度傳感器（成本敏感型應(yīng)用）。

ESP32-C6 DevKitM-1

ESP32-H2（集成了 IEEE 802.15.4 連接和藍(lán)牙 5 低功耗 (LE)。

• 核心架構(gòu)：?jiǎn)魏恕?2 位 RISC-V 微控制器。
• 變體：截至目前沒有變體
• 技術(shù)規(guī)格（一般）

1. 時(shí)鐘速度 -96 MHz
2. 內(nèi)存：320 KB SRAM，16 KB 高速緩存，128 KB ROM，4 MB 閃存
3. 具有 19 個(gè)可編程 GPIO，支持 ADC
4. SPI、UART、I2C、I2S、GDMA 和 LED PWM

• 無(wú)線連接：IEEE 802.15.4（網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）和藍(lán)牙 5 (LE)

項(xiàng)目示例（ESP32-H）：智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（可以監(jiān)控土壤、溫度和光照水平等環(huán)境條件）。

ESP32-H2 開發(fā)套件M-1

ESP32-P4（雙核RISCV CPU）

• 具有 AI 指令擴(kuò)展。
• 高級(jí)內(nèi)存子系統(tǒng)和集成高速外設(shè)
• 面向即將到來(lái)的嵌入式應(yīng)用時(shí)代
• 具體應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 人機(jī)界面 (HMI)
2. 邊緣計(jì)算
3. IO 連接需求增加

• ESP32-P4 開發(fā)套件即將推出

ESP32 軟件開發(fā)套件 (SDK)

通過各種 ESP32 開發(fā)套件，樂鑫提供了豐富的編程工具資源?？蓮拈_源 GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)下載適用于本指南中介紹的 ESP32 微控制器的 SDK。提供文檔和示例代碼，以確保可以輕松探索每個(gè) ESP32 微控制器的主要功能。以下是 ESP32 微控制器生態(tài)系統(tǒng)可用 SDK 的簡(jiǎn)短列表。

• ESP-IDF – 適用于 ESP32、ESP32-S、ESP32-C 和 ESP32-H 系列 SoC 的官方物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)框架。 SDK 允許在這些微控制器平臺(tái)上構(gòu)建典型或通用應(yīng)用程序。 C 和 C++ 等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用于使用 SDK 開發(fā)微控制器應(yīng)用程序。
• ESP-Matter – Matter 協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)軟件保障 (CSA) 和公司成員的共同努力。這個(gè)由公司成員和 CSA 組成的聯(lián)盟允許在 Android 和 iOS 控制器上實(shí)施設(shè)備。 ESP 微控制器在開源 Matter SDK 開發(fā)中發(fā)揮著不可或缺的作用。
• Arduino-ESP SDK – 該 SDK 也稱為 Arduino 核心，是 ESP32 的軟件開發(fā)套件，允許開發(fā)人員對(duì)該微控制器生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行編程。該核心包含在 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 中。最后，Arduino IDE 是軟件庫(kù)以及 ESP32 開發(fā)套件和板的示例代碼的集合。

結(jié)論

ESP32 微控制器為工業(yè)和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供多功能且強(qiáng)大的解決方案。 ESP32 生態(tài)系統(tǒng)集成了強(qiáng)大的處理能力、可靠的連接和先進(jìn)的安全功能。無(wú)論是部署在節(jié)能傳感器還是堅(jiān)固耐用的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，ESP32 微控制器都能提供推動(dòng)創(chuàng)新和應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域各種挑戰(zhàn)所需的靈活性和性能。本指南概述了 ESP32 微控制器，包括其可編程平臺(tái)、功能和特性，以幫助您為您的創(chuàng)新項(xiàng)目選擇合適的設(shè)備。

審核編輯 黃宇