WiFi 和蓝牙一体的 ESP32 芯片及乐鑫官方的 Arduino 开发工具包

时间：2024-03-11 10:08:21

ESP32 芯片是由乐鑫开发的芯片。下图是基于 ESP32 芯片的开发板：

图 1：ESP32 DevKitC V4 开发板

ESP32 的多种应用开发方式

至少有四种方式可以选择：

  • 乐鑫官方的 ESP-IDF[1]
  • 乐鑫官方的 Arduino 开发工具包[2]
  • MicroPython[3]
  • TinyGo[4]
    TinyGo 目前（2021-03-14）还未支持 ESP32 的 WiFi 和蓝牙

为了方便开发，通常选择 Arduino 开发工具包和 MicroPython。下文选择介绍前者。

Arduino core for the ESP32

官方提供 Arduino 开发工具包是为了使用 Arduino IDE 和 Arduino 的生态，并不是要求一定要再买一块 Arduino 板来连接。

其工具包在 GitHub 上：

https://github.com/espressif/arduino-esp32

要使用这个工具包进行开发，需要做好两个准备：

  1. 下载和安装 Arduino IDE
  2. 把 ESP32 开发工具包导入到 Arduino IDE

第一步简单，到官方网站下载即可。以下简要说明第二步。

安装和配置 Arduino IDE 的 ESP32 开发环境

导入方式有三种，根据情况选择。资料比较全，这里简单列举出来，不再过多重复。

  1. 最简单的配置和安装方式是使用 Arduino IDE 的开发板管理器：

    https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/docs/arduino-ide/boards_manager.md (Installation instructions using Arduino IDE Boards Manager)

    前提是能访问 raw.githubusercontent.com 这个域名（被墙了）。

  2. 如果没法访问，那就自己用 Git 去 Clone GitHub 仓库：

    https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/docs/arduino-ide/windows.md (Steps to install Arduino ESP32 support on Windows)

    不过这种方式比较慢，因为要 Clone 整个仓库，比较大。

  3. 下载仓库的压缩文件：

    https://www.cnblogs.com/codeit/p/14323836.html (Arduino配置ESP32开发环境)

    不过由于不能执行 Git 方式的自动 Clone，需要自行下载 Git 子模块。即文章里已经有提到的 ESP32_AzureIoT_Arduino。这个是开发包的官方依赖，不用担心存在什么大问题，使用其他方式也得这样安装。

如果 GitHub 下载慢，试试 GitLab：

选择哪块板

在 Arduino IDE 的 [ 工具 | 开发板 | ESP32 Arduino ] 菜单里面能够看到有多个选项，不同的选项对应着不同的配置。为了不影响后续开发，需要选择合适的板。

如果上面有和手头上相同名称的板，那么直接选择就可以了。如果没有相同名称或者不太确定，那么就需要根据一些内容来判断。

从已有信息中找到目标。

菜单的第一个选项是 ESP32 Dev Module。根据这个名称到工具包代码里搜索，找到 boards.txt 这个文件。里面就是各种板的配置。

大致对比了一下不同板的配置，基本都一样。部分区别列举如下：

  • build.variant 选项
    这个是跟引脚相关的配置。主要关注这个配置。
  • build.flash_freq 选项
    这个是 Flash 存储器的频率。默认的值有的是 40m 有的是 80m。
  • menu.PSRAM.* 选项
    有些板带了 PSRAM，就会多出这部分配置

其他选项在目前阶段看起来不太重要，因此这里主要关注 variant （变体）选项，确保选择的板的引脚对应正确。

以 build.variant=esp32 为例。在 variants 文件夹里面找到 esp32 文件夹，打开里面的 pins_arduino.h。再结合仓库里的 README.md 底下的 PINMAP，就能知道 pins_arduino.h 里面配置的含义了。

图 2：引脚配置文件里的数字与开发板引脚的对应关系

从上图看出，数字不是乱选的。这些数字分别对应了通用输入/输出引脚（GPIO，General Purpose Input Output），其中有一部分引脚只能作为通用输入（GPI）。

不同的开发板可能会在设计的时候就占用了不同的 GPIO 引脚，因此需要在开发板剩余的 GPIO 中选择合适的引脚配置到 pins_arduino.h 里面。

在配置的时候，需要参考开发板的引脚文档。如果缺少文档，可以直接看板上的引脚数字。这些引脚表示对应数字的 GPIO 引脚。具体的 GPIO 引脚都可以用作哪些功能，可以参考芯片的数据手册[5]。

在选择开发板选项的时候，着重注意一下引脚文件的配置就行了。不要选择那种配置了已被开发板元器件占用的引脚。

引脚配置文件里面还有开头的几个宏定义，这些是固定的。例如：

#define NUM_DIGITAL_PINS        40

表示芯片共有 40 个数字管脚。ESP 32 共有 49 个管脚，其中 9 个引脚的类型为 P，即 Power。剩下的要么是通用 I/O ，要么是独用的 I 或者 O。

SPI 通信

变体引脚配置文件里面跟 SPI 相关的引脚使用的是：

  • SS = GPIO5
  • MOSI = GPIO23
  • MISO = GPIO19
  • SCK = GPIO18

查询芯片的数据手册可以看到这些引脚的功能。

图 3：ESP32 数据手册里的管脚描述[5]

一个引脚有多个功能，但在使用的时候只选择一种。

ESP32 共有 3 组 SPI（SPI、HSPI、VSPI），这里是用到其中的 VSPI，没啥特别。

拿个例子过一遍开发和上传的流程

在官方的 Arduino 开发工具包里面找到 libraries/ESP32/examples，里面有例子。

在将开发板连接到电脑之后，挑选一个例子的代码复制到 Arduino IDE 的编辑器里面，编译并上传。

例如选择 examples/ChipID/GetChipID/GetChipID.ino 文件里的代码：

uint32_t chipId = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  for(int i=0; i<17; i=i+8) {
    chipId |= ((ESP.getEfuseMac() >> (40 - i)) & 0xff) << i;
  }

  Serial.printf("ESP32 Chip model = %s Rev %d\n", ESP.getChipModel(), ESP.getChipRevision());
  Serial.printf("This chip has %d cores\n", ESP.getChipCores());
  Serial.print("Chip ID: "); Serial.println(chipId);
  
  delay(3000);

}

然后编译，这个选项在 [ 项目 | 验证/编译 ]，或者用快捷键 Ctrl+R。

编译通过后上传，这个选项在 [ 项目 | 上传 ]，或者用快捷键 Ctrl+U。

以下是上传的日志：

esptool.py v3.0-dev
Serial port COM7
Connecting.....
Chip is ESP32-D0WDQ6 (revision 1)
Features: WiFi, BT, Dual Core, 240MHz, VRef calibration in efuse, Coding Scheme None
Crystal is 40MHz
MAC: xx:xx:xx:xx:xx:xx
Uploading stub...
Running stub...
Stub running...
Changing baud rate to 921600
Changed.
Configuring flash size...
Auto-detected Flash size: 4MB
Compressed 8192 bytes to 47...
Writing at 0x0000e000... (100 %)
Wrote 8192 bytes (47 compressed) at 0x0000e000 in 0.0 seconds (effective 16383.2 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 18656 bytes to 12053...
Writing at 0x00001000... (100 %)
Wrote 18656 bytes (12053 compressed) at 0x00001000 in 0.2 seconds (effective 938.7 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 207008 bytes to 108334...
Writing at 0x00010000... (14 %)
Writing at 0x00014000... (28 %)
Writing at 0x00018000... (42 %)
Writing at 0x0001c000... (57 %)
Writing at 0x00020000... (71 %)
Writing at 0x00024000... (85 %)
Writing at 0x00028000... (100 %)
Wrote 207008 bytes (108334 compressed) at 0x00010000 in 2.2 seconds (effective 767.1 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 3072 bytes to 128...
Writing at 0x00008000... (100 %)
Wrote 3072 bytes (128 compressed) at 0x00008000 in 0.0 seconds (effective 4915.3 kbit/s)...
Hash of data verified.

Leaving...
Hard resetting via RTS pin...

这样就上传成功了。

接着验证结果。在 [ 工具 | 串口监视器 ] 里面，把波特率设置为 115200，就可以看到输出。例如：

ESP32 Chip model = ESP32-D0WDQ6 Rev 1
This chip has 2 cores
Chip ID: 5940616

接下来就可以发挥创造力了~

参考

[1]: https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/stable/esp32/ (ESP-IDF 编程指南)
[2]: https://github.com/espressif/arduino-esp32 (Arduino core for the ESP32)
[3]: http://docs.micropython.org/en/latest/esp32/quickref.html (Quick reference for the ESP32)
[4]: https://tinygo.org/microcontrollers/esp32-coreboard-v2/ (ESP32 - CORE BOARD)
[5]: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_cn.pdf (ESP32系列芯片——技术规格书)

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