Einführung in ESP32-S3
ESP32-S3 ist eine von Espressif herausgebrachte System-on-Chip (SoC)-MCU, die 2,4-GHz-WLAN- und Bluetooth 5 (LE)-Funktionen integriert, einschließlich Long Range-Unterstützung. Sie ist mit einem leistungsstarken Xtensa® 32-Bit-LX7-Dual-Core-Prozessor mit einer Taktfrequenz von bis zu 240 MHz ausgestattet und verfügt über 512 KB integrierten SRAM (TCM). Darüber hinaus bietet der Chip 45 programmierbare GPIO-Pins und eine Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen. ESP32-S3 unterstützt auch einen größeren Hochgeschwindigkeits-Octal-SPI-Flash-Speicher und externen RAM, sodass Benutzer Daten- und Befehlscaching für eine verbesserte Leistung konfigurieren können.
ESP32-S3-DevKitC-1 Pinbelegung
Das ESP32-S3-DevKitC ist ein Entwicklungsboard, das auf dem Modul ESP32-S3-WROOM-1 basiert. Es wurde entwickelt, um Entwicklern beim Prototyping und Testen ihrer Projekte mit dem Mikrocontroller der ESP32-S3-Serie zu helfen. Das Board bietet eine Vielzahl von Hardware-Funktionen und Pins, die zum Anschluss von Peripheriegeräten und Sensoren verwendet werden können. Nachfolgend finden Sie eine Einführung in die Pinbelegung des ESP32-S3-DevKitC:
Pinbelegung Beschreibung
| Pin | Description |
|---|---|
| ESP32-S3-WROOM-1 Module | Main module with microcontroller, Wi-Fi, and Bluetooth. |
| USB-UART Bridge | Allows USB communication with ESP32-S3 module. |
| USB Port | Power and serial connection through USB. |
| BOOT Button | Puts ESP32-S3 into bootloader mode for firmware upload. |
| EN Button | Resets the ESP32-S3 module. |
| User Buttons | Two buttons for user-defined purposes. |
| User LEDs | LEDs controlled by the ESP32-S3 for visual feedback. |
| GPIO Pins | General Purpose Input/Output pins for various functions. |
| Analog Input Pins | Pins to read analog signals from sensors. |
| I2C Pins | Pins for I2C communication with sensors. |
| SPI Pins | Pins for high-speed communication with devices. |
| UART Pins | Pins for serial communication with other devices. |
| SD Card Slot | Slot for interfacing with SD cards. |
| JTAG Header | Header for advanced debugging and programming. |
| Power Supply Pins | Pins for 3.3V and GND connections. |
32-Bit-Xtensa-LX7-Prozessor
In Bezug auf diesen Chip haben Sie möglicherweise Fragen zu seinem integrierten Xtensa 32-Bit-LX7-Dual-Core-Prozessor, da die meisten Embedded-Chips, die wir üblicherweise sehen, meist auf ARM basieren. Xtensa unterscheidet sich von ARM-Kernen; die Prozessoren der Xtensa LX-Serie bieten eine starke Rekonfigurierbarkeit und Skalierbarkeit, was sie zu einer idealen Wahl für komplexe und intensive digitale Signalverarbeitungsanwendungen macht. Mit der Xtensa-Technologie können Systemdesigningenieure die gewünschte Einheitsarchitektur auswählen und neue Befehle und Hardware-Ausführungseinheiten erstellen, um Prozessorkerne zu entwerfen, die deutlich leistungsfähiger sind als solche, die auf traditionellen Methoden basieren. Der Xtensa-Generator kann effizient eine Reihe umfassender Software-Tools erstellen, darunter ein Betriebssystem, das auf die spezifische Kombination jedes Prozessors zugeschnitten ist. Die Anpassungsfähigkeit der Xtensa-Prozessoren ermöglicht eine große Flexibilität beim Design und eine hohe Effizienz, wodurch sie die optimale Wahl für alle hochgradig synthetisierten Einchip-Systeme sind. Durch die Kombination von Hardware-Rekonfigurierbarkeit und Software-Programmierung verbessern Xtensa-Prozessoren nicht nur die Rechenleistung, sondern bieten auch eine einfache Implementierung für Steuerungszwecke.
Anwendungen von ESP32-S3
Der energiesparende Chip ESP32-S3 wurde speziell für Geräte im Internet der Dinge (IoT) entwickelt und bietet ein breites Anwendungsspektrum. Man kann mit Sicherheit sagen, dass fast alle derzeit auf dem Markt erhältlichen Unterhaltungselektronikprodukte damit ausgestattet werden können. So können beispielsweise Haushaltsgeräte wie Klimaanlagen oder Reiskocher damit ausgestattet werden, um Fernsteuerung und Konnektivität zu ermöglichen. Zu den spezifischen Anwendungsbereichen gehören:
- Intelligente Haushaltsgeräte
- Universeller energiesparender IoT-Sensor-Hub
- Automatisierte Industrie
- Universeller energiesparender IoT-Datenlogger
- Krankenversicherung
- Kamera-Videostreaming
- Unterhaltungselektronik
- USB-Gerät
- Intelligente Landwirtschaft
- Spracherkennung
- POS-Gerät
- Bildidentifizierung
- Serviceroboter
- Wi-Fi + Bluetooth-Netzwerkkarte
- Audiogeräte
- Berührungs- und Näherungssensorik
ESP32-S3 vs. STM32
Der ESP32-S3 stellt im Vergleich zur STM32-Serie eine Weiterentwicklung im Chipdesign dar. Während die STM32-Chips einen guten Ruf genießen und in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet sind, hat sich die ESP32-Serie strategisch an die Spitze gesetzt. Durch die direkte Integration von WiFi- und Bluetooth-Funktionen in das System-on-Chip (SoC) erfüllt der ESP32-S3 die wachsende Nachfrage nach intelligenten und vernetzten Geräten im Zeitalter des IoT.
Die STM32-Chips sind zwar leistungsstarke und vielseitige Mikrocontroller, benötigen jedoch möglicherweise zusätzliche Komponenten oder Module, um WiFi- und Bluetooth-Konnektivität zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu bietet der ESP32-S3 den Komfort einer integrierten drahtlosen Kommunikation, wodurch der Bedarf an externen Komponenten reduziert und der Designprozess für IoT-Anwendungen vereinfacht wird. Ein Vergleich der Funktionsdiagramme des ESP32-S3 und des STM32F103XX würde diesen Fortschritt verdeutlichen.
Die Entscheidung von Espressif, den ESP32 von Anfang an mit WiFi- und Bluetooth-Funktionen auszustatten, hat es dem Unternehmen ermöglicht, neue Trends zu nutzen und auf die sich wandelnden Anforderungen der Elektronikindustrie einzugehen. Angesichts der zunehmenden Bedeutung von Internetkonnektivität und drahtloser Kommunikation entsprechen die integrierten Funktionen des ESP32-S3 perfekt den Anforderungen moderner Elektronikprodukte.
Darüber hinaus bietet die ESP32-S3-Serie nicht nur WLAN und Bluetooth, sondern auch Verbesserungen in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz und Benutzerfreundlichkeit. Obwohl die STM32-Serie in Bezug auf reine Leistung und Stabilität möglicherweise noch gewisse Vorteile hat, holt der ESP32-S3 schnell auf und hat bereits in verschiedenen IoT- und vernetzten Geräteanwendungen an Beliebtheit gewonnen.
Herstellung einer Mikrocontroller-Platine mit ESP32-S3
Um den ESP32-S3-Chip in praktischen Produkten einzusetzen, muss er mit Peripherieschaltungen und Kommunikations-IO-Ports für die Kommunikation mit externen Geräten ausgestattet werden. Um beispielsweise ein Gesichtserkennungs-Zugangskontrollgerät zu erstellen, sind eine Kameraschnittstelle zum Anschluss einer externen Kamera für die Bildaufnahme und -verarbeitung, eine Antennenschaltung für die WiFi- oder Bluetooth-Konnektivität und ein SPI-Flash-Speicher für die Speicherung großer Datenmengen erforderlich. Die folgende Abbildung zeigt das offizielle Schaltbild der Schaltung, die im Allgemeinen etwa 20 Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, einen passiven Quarzoszillator und einen SPI-Flash enthält.
Wenn Sie die Entwicklung dieser Schaltungen als Herausforderung empfinden, können Sie sich für vorgefertigte und verpackte ESP32-S3-Module entscheiden. Die Verwendung von Modulen kann unseren Entwicklungszyklus verkürzen, ist jedoch möglicherweise mit höheren Kosten verbunden. Alternativ können wir Module gemäß dem offiziellen Schaltplan von Espressif entwickeln. Die von Espressif offiziell veröffentlichten Module sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die von Espressif veröffentlichten Module werden verschiedene Modelle haben. Tatsächlich ist der Kernchip derselbe wie beim ESP32-S3. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Modellen liegt in der Größe des Off-Chip-Flash-Speichers und des PSRAM. Das Modell mit der höchsten offiziell veröffentlichten Konfiguration ist ESP32-S3-WROOM-1-N16R8. Es verfügt über 16 MB Flash und 8 MB PSRAM. Ich denke, diese Konfiguration ist für unsere Entwicklung ausreichend:
| Model | Flash2 | PSRAM | Ambient temperature (℃) | Module size (mm) |
|---|---|---|---|---|
| ESP32-S3-WROOM-1-N4 | 4 MB (Quad SPI) | - | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N8 | 8 MB (Quad SPI) | - | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N16 | 16 MB (Quad SPI) | - | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-H4 | 4 MB (Quad SPI) | - | -40~105 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N4R2 | 4 MB (Quad SPI) | 2 MB (Quad SPI) | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N8R2 | 8 MB (Quad SPI) | 2 MB (Quad SPI) | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N16R2 | 16 MB (Quad SPI) | 2 MB (Quad SPI) | -40~85 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N4R8 | 4 MB (Quad SPI) | 8 MB (Octal SPI) | -40~65 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N8R8 | 8 MB (Quad SPI) | 8 MB (Octal SPI) | -40~65 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
| ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 | 16 MB (Quad SPI) | 8 MB (Octal SPI) | -40~65 | 18.0 * 25.5 * 3.1 |
Mit diesen vorgefertigten Modulen können wir eine Ein-Chip-Mikrocomputerplatine mit spezifischen Funktionen entwerfen. Wenn Sie eine Entwicklungsplatine mit allgemeinen Funktionen erstellen möchten, ist es üblich, alle E/A-Anschlüsse des Moduls herauszuführen, damit Benutzer es entsprechend ihren Anforderungen nutzen können. Sie können externe Geräte selbst anschließen. Ich habe eine universelle ESP32-S3-Mini-Entwicklungsplatine entworfen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Entwicklungsplatine mit ESP32-S3
Nicht alle Entwicklungsplatinen erfordern die Entwicklung von Erweiterungsplatinen. Bei der Entwicklung der Entwicklungsplatine müssen lediglich die entsprechenden externen Schnittstellen direkt entworfen werden. Dies führt jedoch zu einem Problem. Wenn wir andere Produkte herstellen möchten, muss die gesamte Entwicklungsplatine neu entworfen werden, was zu einem gewissen Zeitaufwand und Hardwarekosten führt. Meine Idee ist, dass unser Kernentwicklungsboard unverändert bleibt und wir einige Erweiterungsboards mit entsprechenden Schnittstellen entsprechend den Produktanforderungen entwerfen können, sodass unsere Entwicklungszeit viel kürzer wird, da es sehr einfach ist, externe Schnittstellenboards zu entwerfen. Ein weiterer Grund ist, dass wir, wenn einige Funktionen auf unserem Kernboard ausfallen und nicht repariert werden können, nur ein besseres Kernboard benötigen und keine Änderungen an den mit externen Geräten verbundenen Erweiterungsboards vornehmen müssen.
Um das Erlernen und die Entwicklung von ESP32-S3 zu erleichtern, werden wir hier verschiedene Funktionen verwenden. Es ist unmöglich, alle diese Funktionen auf einem einzigen Entwicklungsboard unterzubringen, da dies zu hohe Kosten verursachen würde. Es ist viel praktischer, wenn wir je nach den unterschiedlichen Lernanforderungen kostengünstigere Erweiterungsboards mit nur bestimmten Funktionen auswählen. Das erleichtert uns den Einstieg. Ich habe zunächst ein Erweiterungsboard entworfen, das verschiedene Sensoren verbindet, wie in der Abbildung unten gezeigt:
