Введение в ESP32-S3
ESP32-S3 — это микроконтроллер System-on-Chip (SoC), выпущенный компанией Espressif, который объединяет в себе функции Wi-Fi 2,4 ГГц и Bluetooth 5 (LE), включая поддержку Long Range. Он оснащен мощным 32-разрядным двухъядерным процессором Xtensa® LX7 с тактовой частотой до 240 МГц и имеет 512 КБ встроенной SRAM (TCM). Кроме того, чип предлагает 45 программируемых выводов GPIO и широкий спектр интерфейсов связи. ESP32-S3 также поддерживает более емкую высокоскоростную восьмиразрядную SPI-флеш-память и внешнюю RAM, что позволяет пользователям настраивать кэширование данных и инструкций для повышения производительности.
Распиновка ESP32-S3-DevKitC-1
ESP32-S3-DevKitC — это плата для разработки, основанная на модуле ESP32-S3-WROOM-1. Она предназначена для помощи разработчикам в создании прототипов и тестировании их проектов с микроконтроллером серии ESP32-S3. Плата предлагает множество аппаратных функций и выводов, которые можно использовать для подключения периферийных устройств и датчиков. Ниже приводится введение в распиновку ESP32-S3-DevKitC:
Описание распиновки
| 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-разрядный процессор Xtensa LX7
Что касается этого чипа, у вас могут возникнуть вопросы о его встроенном 32-разрядном двухъядерном процессоре Xtensa LX7, поскольку большинство встраиваемых чипов, которые мы обычно видим, в основном основаны на архитектуре ARM. Xtensa отличается от ядер ARM; процессоры серии Xtensa LX обладают высокой перенастраиваемостью и масштабируемостью, что делает их идеальным выбором для сложных и интенсивных приложений цифровой обработки сигналов. Благодаря технологии Xtensa инженеры-проектировщики систем могут выбирать желаемую архитектуру блоков и создавать новые инструкции и аппаратные блоки выполнения для проектирования процессорных ядер, которые значительно мощнее, чем те, которые основаны на традиционных методах. Генератор Xtensa может эффективно создавать набор комплексных программных инструментов, включая операционную систему, адаптированных к конкретной комбинации каждого процессора. Настраиваемый характер процессоров Xtensa обеспечивает большую гибкость в проектировании и высокую эффективность, что делает их оптимальным выбором для всех высокосинтезированных одночиповых систем. Благодаря сочетанию аппаратной перенастраиваемости и программирования, процессоры Xtensa не только повышают вычислительную производительность, но и обеспечивают простоту реализации для целей управления.
Применение ESP32-S3
Чип ESP32-S3 с низким энергопотреблением специально разработан для устройств Интернета вещей (IoT) и имеет широкий спектр применения. Можно с уверенностью сказать, что почти все бытовые электронные продукты, представленные сегодня на рынке, могут его использовать. Например, бытовая техника, такая как кондиционеры или рисоварки, может быть оснащена этим чипом для обеспечения дистанционного управления и подключения. Некоторые конкретные области применения включают:
- Умная бытовая техника
- Универсальный датчик IoT с низким энергопотреблением
- Автоматизированная промышленность
- Универсальный регистратор данных IoT с низким энергопотреблением
- Медицинское страхование
- Видеопоток с камеры
- Потребительская электроника
- USB-устройство
- Умное сельское хозяйство
- Распознавание речи
- POS-терминал
- Идентификация изображений
- Сервисный робот
- Сетевая карта Wi-Fi + Bluetooth
- Аудиооборудование
- Сенсорное и бесконтактное зондирование
ESP32-S3 против STM32
ESP32-S3 представляет собой эволюцию в дизайне микросхем по сравнению с серией STM32. В то время как микросхемы STM32 имеют устоявшуюся репутацию и широко используются в различных приложениях, серия ESP32 стратегически позиционирует себя впереди всех. Благодаря интеграции функций WiFi и Bluetooth непосредственно в систему на кристалле (SoC), ESP32-S3 удовлетворяет растущий спрос на интеллектуальные и подключенные устройства в эпоху IoT.
Чипы STM32 являются мощными и универсальными микроконтроллерами, но для обеспечения подключения по WiFi и Bluetooth могут потребоваться дополнительные компоненты или модули. В отличие от них, ESP32-S3 предлагает удобство встроенной беспроводной связи, что снижает потребность во внешних компонентах и упрощает процесс проектирования приложений IoT. Сравнение функциональных схем ESP32-S3 и STM32F103XX показывает это преимущество.
Решение Espressif с самого начала оснастить ESP32 функциями WiFi и Bluetooth позволило компании воспользоваться новыми тенденциями и удовлетворить меняющиеся потребности электронной промышленности. С ростом важности интернет-связи и беспроводной коммуникации встроенные функции ESP32-S3 идеально соответствуют требованиям современных электронных продуктов.
Кроме того, серия ESP32-S3 не только предлагает WiFi и Bluetooth, но и может похвастаться улучшенной производительностью, энергоэффективностью и простотой использования. Хотя серия STM32 по-прежнему может иметь определенные преимущества с точки зрения производительности и стабильности, ESP32-S3 быстро набирает популярность и уже завоевала популярность в различных приложениях IoT и подключенных устройств.
Изготовление платы микроконтроллера с ESP32-S3
Чтобы применить чип ESP32-S3 в практических продуктах, его необходимо упаковать и дополнить периферийными схемами и портами ввода-вывода для связи с внешними устройствами. Например, для создания устройства контроля доступа с функцией распознавания лиц требуется интерфейс камеры для подключения внешней камеры для сбора и обработки изображений, антенная схема для подключения по WiFi или Bluetooth, а также флэш-память SPI для хранения больших объемов данных. На следующем рисунке представлена официальная схема схемы, которая обычно включает около 20 резисторов, конденсаторов, индукторов, пассивный кварцевый генератор и SPI-флеш.
Если проектирование этих схем представляется вам сложной задачей, вы можете выбрать готовые модули ESP32-S3. Использование модулей может сократить цикл разработки, но может повлечь за собой более высокие затраты. В качестве альтернативы мы можем разработать модули в соответствии с официальной схемой, предоставленной Espressif. Модули, официально выпущенные Espressif, показаны на следующем изображении.
Модули, выпущенные Espressif, будут иметь разные модели. Фактически, основной чип такой же, как у ESP32-S3. Разница между разными моделями заключается в размере внечиповой флэш-памяти и PSRAM. Модель с самой высокой конфигурацией, официально выпущенная на рынок, — ESP32-S3-WROOM-1-N16R8, она имеет 16 МБ Flash и 8 МБ PSRAM. Я считаю, что этой конфигурации достаточно для нашей разработки:
| 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 |
Мы можем использовать эти готовые модули для разработки одночиповой микрокомпьютерной платы с определенными функциями. Если вы хотите создать плату разработки с общими функциями, обычно выводятся все входы-выходы модуля, чтобы пользователи могли использовать их в соответствии со своими потребностями. Вы можете самостоятельно подключать внешние устройства. Я разработал универсальную мини-плату разработки ESP32-S3, как показано на рисунке ниже:
Плата расширения дизайна с ESP32-S3
Не все платы разработки требуют проектирования плат расширения, при проектировании платы разработки необходимо только непосредственно спроектировать соответствующие внешние интерфейсы. Но это вызовет проблему. Если нам понадобится изготовить другие продукты, потребуется перепроектировать всю плату разработки, что приведет к некоторой потере времени и затратам на аппаратное обеспечение. Моя идея заключается в том, что наша основная плата разработчика остается неизменной, и мы можем разработать несколько плат расширения с соответствующими интерфейсами в соответствии с потребностями продукта, так что время разработки будет намного короче, потому что разработать платы внешних интерфейсов очень просто. Еще одна причина заключается в том, что если некоторые функции нашей основной платы выходят из строя и не подлежат ремонту, нам нужна только более качественная основная плата, и нам не нужно вносить какие-либо изменения в платы расширения, подключенные к внешним устройствам.
Здесь, чтобы облегчить изучение и разработку ESP32-S3, мы будем использовать различные функции. Невозможно разместить все эти функции на одной плате разработчика, так как это приведет к слишком высоким затратам. Будет гораздо удобнее, если мы выберем платы расширения с более низкой стоимостью и только определенными функциями в соответствии с различными потребностями обучения. Это удобно для нас, чтобы начать работу. Сначала я разработал плату расширения, которая подключает различные датчики, как показано на рисунке ниже:
