2021年7月21日 星期三

ESP32 的第一課

ESP32 晶片內部有兩個處理器：「32 位元雙核心處理器」和「8 位元低功耗處理器（簡稱：ULP）」。其中 ESP32 主處理器的兩個核心分別叫做 PRO_CPU 和 APP_CPU：

  • PRO_CPU：代表 Protocol CPU，負責處理和操控 WiFi、藍芽和其他介面（I2C、SPI...等）。
  • APP_CPU：代表 Application CPU，執行主程式碼。

規格比較

型號ESP32ESP8266
處理器Xtensa 雙核心或單核心 32 位元 LX6Xtensa 單核心 32 位元 L106
工作時脈160/240 MHz80 MHz
協同處理器ULP無
SRAM 主記憶體520 KB120 KB
外部 Flash 快閃記憶體最高支援 16MB最高支援 16 MB
RTC（即時鐘）記憶體16 KB無
WiFi2.4 GHz 頻段的 802.11 b/g/n2.4 GHz 頻段的 802.11 b/g/n
藍芽4.2 版 BR/EDR/BLE無
乙太網路10/100 Mbps無
CAN 介面 ①2.0無
GPIO3416
UART 序列埠31.5（其中一組僅有傳送腳）
I2C 介面21
I2S 介面22
SPI 介面42
ADC（類比轉數位）18 個（12 位元），最大輸入電壓 3.6V1 個（10 位元），最大輸入電壓 1.1V
DAC（數位轉類比）2個（8 位元）2個（8 位元）
PWM 輸出168
觸控介面10無
溫度感測器有，用於測量晶片溫度無
霍爾感測器有，用於檢測磁力變化無
安全性安全啟動 Flash 加密 1024 OTP無
加密（crypto）AES、SHA-2、RSA、ECC、ENG無
功耗深度睡眠 10 uA深度睡眠 2 uA
註①：CAN 是 Controller Area Network（控制器區域網路）通訊協定的簡稱，基本用於工廠、汽車、雜
　　　訊較多的場所。

ESP32 圖例

NodeMCU-32S

NodeMCU-32S Pins MAP

ESP32的功能接腳與限制

  • Serial：
    硬體接腳 UART 0：TX(GPIO1)、RX(GPIO3)
    硬體接腳 UART 1：TX(GPIO9)、RX(GPIO10) ②
    硬體接腳 UART 2：TX(GPIO17)、RX(GPIO16)
    軟體模擬接腳：事實上，ESP32 軟體模擬序列埠，可以使用在任意接腳，其宣告語法為「Seria2.begin(9600,SERIAL_8N1,18,19)」，其中：
    　　　Serial2：類別變數名
    　　　9600：鮑率
    　　　SERIAL_8N1：代表沒有同位檢查
    　　　18：GPIO18 為 RX
    　　　19：GPIO19 為 TX

  • I2C：
    SDA：GPIO22
    SCL：GPIO21

  • SPI：
    CLK：GPIO14
    MISO：GPIO12
    MOSI：GPIO13
    SS：GPIO15

  • VSPI：
    SCK：GPIO18
    MISO：GPIO19
    MOSI：GPIO23
    SS：GPIO5

  • 接腳的限制：
    （1）接腳的最大輸入電壓為 3.6V
    （2）不支援上拉電阻（INPUT_PULLUP）的接腳：32、35、34、39、36
    （3）不支援下拉電阻（INPUT_PULLDOWN）的接腳：0、1、2、3
    （4）接腳 34、35、36、39 只支援輸入
    （5）接腳 0、5、14、15 不建議設為 INPUT
    （6）接腳 1、3、12 不建議設為 OUTPUT
    （7）接腳 CLK、SD0、SD1、SD3、CMD 用於上傳程式至晶片，不能使用
    （8）接腳定額的電流為 6mA，最大電流為 12mA
註②：ESP32 的 GPIO 接腳 6、7、8、9、10、11 都連接到快閃記憶體，所以 Serial1 的
　　　RX（GPIO9）、TX（GPIO10）無法使用程式控制，是專門用來與記憶體溝通的接腳

ESP32 的 printf() 格式化輸出

雖然 Arduino 不支援 printf()，但基於 ESP-IDF 工具的 ESP32 跟 C 語言一樣，可以支援這個萬用的格式化輸出工具。

符號說明
%c單一字元（char）
%s字串（string）
%u無正負號（unsigned）整數
%d整數（integer）
%lu無正負長整數（unsigned long）
%ld長整數（long）
%x16 進位（hexadecimal）整數
%f浮點數（float），輸出全部整數部分，6 位小數部分，超過 6 位則四捨五入
%.nf輸出小數點後 n 位數字的浮點數，請留意 n 前面有個點「.」。例如：3.14159 用 %.3f 輸出為 3.142
%%顯示 %

數位輸出/輸入

接觸新的開發板時，最先要留意的是它的工作電壓規格。

  • ESP32 開發版的工作電壓（VDD）是 3.3V。
  • 數位及類比腳的最大容許輸入電壓是 VDD+0.3V，也就是 3.6V。

    • pinMode(pin,mode);

    mode 可能的值：

    • INPUT：當接腳設成「數位輸入」時，部分接腳會因以下的事件而不建議使用。
      (1) TX（GPIO1）連接 USB 埠，開機時會輸出除錯訊息。
      (3) RX（GPIO1）連接 USB 埠，開機時會處於高電位狀態。
      (12) GPIO1 開機時須維持在低電為，否則不能開機。

    • OUTPUT：當接腳設成「數位輸出」時，部分接腳會因以下的事件而不建議使用。
      (1) GPIO0、GPIO5、GPIO14、GPIO15 開機時會輸出短暫 PWM 訊號，不建議使用。
      (1) GPIO1、GPIO3 連接 USB 埠。
      (1) GPIO34、GPIO35、GPIO36、GPIO39 僅具備數位輸入功能。

    • INPUT_PULLUP：GPIO32～GPIO39 不具備上拉電阻之功能。

    • INPUT_PULLDOWN：GPIO0～GPIO3 不具備下拉電阻之功能。

    讀取電容觸控接腳

    ESP32 有 10 個接腳具備電容觸控感應功能，可以當除觸控開關，觸控腳的感測值是類比值，會因接線形式（觸控面積大小）、距離等因素而不同。讀取觸控感測值的語法為：

    int touchValue(pin);

    可使用的觸控接腳如下表：
    T0（GPIO4）T1（GPIO0）T2（GPIO2）T3（GPIO5）T4（GPIO13）
    T5（GPIO12）T6（GPIO14）T7（GPIO27）T8（GPIO33）T9（GPIO32）

    範例：底下程式將在使用者碰接腳 T3（GPIO15）時，會點亮開發版內建的 LED。

    #include LED LED_BUILTIN
const byte touchPin = 15;
const int thresHold = 20;
int touchValue ;
void setup()
{
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop()
{
    touchValue = touchRead(touchPin);

    if(touchValue < thresHold)
    {
        digitalWrite(LED, LOW);
    }
    else
    {
        digitalWrite(LED, HIGH);
    }
    delay(1000);
}

    程式的執行效果：

    ESP32 的類比輸入

    ESP32 類比輸入電壓的上限是 3.6V，正常最高值為 3.3V，讀取類比輸入值的指令同樣是 analogRead()，接腳可用 A0(GPIO36)、A3(GPIO39)、A4(GPIO32)、A5(GPIO33)、A6(GPIO34)、A7(GPIO35) 等編號。

    Arduino UNO 的類比數位轉換器（ADC）採 10 位元取藥，所以量化值介於 0～1023，ESP32 的 ADC 預設採 12 位元取樣，量化值介於 0～4095。

    設定 ESP32 的 ADC 類比輸入電壓範圍與取樣位元的方法：

    • analogSetAttenuation(衰減值)：其中衰減值可能為
    • ADC_0db：0db 衰減，電壓輸入上限為 1.00V。
    • ADC_2_5db：2.5db 衰減，電壓輸入上限為 1.34V。
    • ADC_6db：6db 衰減，電壓輸入上限為 2.00V。
    • ADC_11db：11db 衰減，電壓輸入上限為 3.6V。
    • analogSetWidth(寬度)：設定 ADC 的取樣位元
    • analogSetWidth(9)：取樣寬度為 0～511。
    • analogSetWidth(10)：取樣寬度為 0～1023。
    • analogSetWidth(12)：取樣寬度為 0～4095。
    • analogRead(pin)：：可用的類比輸入接腳為
    • A0：GPIO36，只有輸入功能。
    • A3：GPIO39，只有輸入功能。
    • A6：GPIO34，只有輸入功能。
    • A7：GPIO35，只有輸入功能。
    • A4：GPIO32。
    • A5：GPIO33。

    由於 ESP32 類比輸入的最高電壓是 3.6V，但如果類比感測器的輸出電壓是 5V，直接將感測器 5V 的輸出接到 ESP32 的類比輸入接腳，很可能會造成 ESP32 的損壞，所以我們需要將 5V 轉為 3V3。

    透過右圖的接線方式，我們可以順利達成這個目標。

    ESP32 內建的霍爾感應器

    ESP32 晶片內建一個可以偵測磁場變化的「霍爾效應③」感測器，霍爾感測器的輸出電壓和磁場的強度與距離成正比。

    霍爾感測器普遍應用在檢測物體移動、馬達轉速、開闔等。例如：無刷馬達的轉子包覆著磁石，在馬達內部裝設霍爾感測器，透過偵測磁石南北極的變化便可以測量馬達的轉速。在手機、平板電腦內部裝設霍爾感測器，同時在保護蓋說這一個磁石，便可以達成偵測保護蓋開闔的動作。

    註③：霍爾效應（Hall effect）是指當固體導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子
    　　　會因受力而偏向一邊，繼而產生電壓。

    讀取霍爾感測值的函式叫做 hallRead()，它將傳回帶正負號的整數值。

    ESP32 的類比輸出

    ESP32 的 PWM 解析度不是固定值，而是跟頻率設定息息相關，根據樂鑫公司的 ESP32 官方技術文件（http://bit.ly/39wGPa5）指出：PWM 解析度隨著頻率提高而降低，解析度範圍介於 1～16 位元，頻率上限為 40MHz，解析度的計算公式請參考下圖。

    設定 ESP32 的 PWM 輸出指令

    設置 ESP32 的 PWM 輸出、頻率，須透過兩個函式來達成，韓式名字開頭的 ledc 代表 LED Control（LED 控制，簡稱 LEDC）。

    • ledcSetup(通道,頻率,解析度)：設置 PWM 產生器
    • ledcAttachPin(接腳編號,通道)
      通道相當於 PWM 產生器，ESP32 內部共有 16 個 PWM 通道（0～15），每個通道的輸出都可設定給任一個數位輸出接腳。所以 ESP32 最多同時擁有 16 個 PWM 輸出腳。PWM 設定完畢，就可以執行 ledcWrite() 輸出 PWM 訊號。
    • ledcWrite(通道,PWM 輸出)：參閱以下範例
      ledcSetup(0,5000,10); //--- 為通道 0 設定一個 5KHz、10 位元取樣頻率的 PWM 產生器
ledcAttachPin(5,10); //--- 把 GPIO5 指定給通道 0 使用
ledcWrite(0,614); //--- 在通道 0 輸出 614 的 PWM 訊號

    利用 PWM 輸出完成調光器

    實驗電路：利用一個 10K 的便電阻連接在 A4 接腳，接線示範圖如下

    程式碼如下：

    #define BITS 10

void setup()
{
    pinMode(LED_BUILTIN,OUTPUT);
    analogSetAttenuation(ADC_11db);
    analogSetWidth(BITS);

    ledcSetup(0,5000,BITS);
    ledcAttachPin(LED_BUILTIN,0);
}

void loop()
{
    int val=1023-analogRead(A4);
    ledcWrite(0,val);
}

    調控 PWM 訊號的頻率發出聲音

    ESP32 不支援 Arduino 的 tone() 函式，但 Arduino 的 tone() 本質上是用 PWM 來調控輸出波形（聲音）的頻率，所以 ESP32 也同樣可以用 PWM 訊號來驅動發音元件。透過改變訊號的「工作週期」來調整輸出電壓，以達成在揚聲器上發出不同音高的聲音。

    在 ESP32 上改變 PWM 頻率的函式語法：

    • ledcWriteTone(通道,頻率);
    • ledcWriteNote(通道,音名常數,音階編號);

    音名、音階編號與頻率的對應表：

    音名音名常數音階編號
    012345678
    CNOTE_C163365131262523104620934186
    C#NOTE_Cs173569139277554110922174435
    DNOTE_D183773147294587117523494699
    D#NOTE_Eb193978156311622124524894978
    ENOTE_E214182165330659131926375274
    FNOTE_F224487175349698139727945588
    F#NOTE_Fs234693185370740148029605920
    GNOTE_G254998196392784156831366272
    G#NOTE_Gs2652104208415831166133226645
    ANOTE_A2855110220440880176035207040
    A#NOTE_Bb2958117233466932186437297459
    BNOTE_Bb3162123247493988197639517902

    下面的兩行程式碼都可以在通道 0 產生中央 C 音：

    ledcWriteTone(0,262); //--- 在通道 0 產生 262Hz 的頻率
ledcWriteNote(0,NOTE_C,4)

    另，Arduino 有個停止音頻輸出的 noTone(); 函式，在 ESP32 中可用底下這行敘述達成：

    ledcWriteTone(0,0); //--- 把通道 0 的頻率設為 0

    其他 LEDC 控制函式：

    • ledcRead(通道)：傳回指定通道的工作週期（佔空比）值。
    • ledcReadFreq(通道)：傳回指定通道的頻率值（若佔空比為 0 則傳回 0）。
    • ledcDetachPin(接腳)：解除指定接腳的 LEDC 功能，即取消 PWM 輸出。

    最後，我們用一段程式來展示控制 ESP32 讓蜂鳴器發出聲音救護車警示音，接線法請參閱下圖。

    #define BITS 10
#define BUZZER 22 //--- 蜂鳴器接腳

void setup()
{
    ledcSetup(0,2000,BITS); //--- PWM 設定為：通道 0、頻率 20KHz、解析度 10 位元
    ledcAttachPin(BUZZER,0);
}

void loop()
{
    ledcWriteNote(0,NOTE_E,5);
    delay(500);
    ledcWriteNote(0,NOTE_A,4);
    delay(500);
}
    at
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