2024-05-29 Don Wilcher

[微控制器]

ESP32 微控制器已成為物聯網 (IoT) 和嵌入式控制器領域的核心部分。 ESP32 生態系統的制造商 Espressif Systems 創建了功能強大且價格實惠的片上系統 (SoC) 設備，將 Wi-Fi、藍牙和中央處理單元 (CPU) 集成到一個微控制器封裝中，使這些 SoC 成為理想的選擇適用于嵌入式控制器和物聯網項目。

對于工程師或制造商來說，熟悉各種 ESP32 硬件平臺和軟件包可能是一項艱巨的任務。本指南將提供與 ESP32 微控制器生態系統相關的技術規格、開發套件和軟件設計套件 (SDK) 的信息。有了這樣的指南，您將能夠根據您的特定項目要求選擇合適的 ESP32 微控制器設備。

*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成本和高效的處理器，您可以將 ESP32 部署到各種物聯網和控制器項目中。 ESP32 微控制器的一些主要功能包括 Wi-Fi、藍牙和小外形尺寸。總的來說，這里是 ESP32 微控制器的簡要概述。

堅固的設計

ESP32 微控制器具有動態移除外部電路接口的能力。即使在工業環境中，此功能也可確保其可靠運行。 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，這使得開發無線遙感和控制器應用成為可能。

超低功耗

ESP32 專為便攜式設備、可穿戴電子產品、智能控制器和物聯網應用而設計。使用各種專有軟件包，ESP32 微控制器實現了超低功耗。此外，ESP32 芯片還具有多種功耗模式、動態功耗調整和時鐘門控功能。

高集成度

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

• 內置天線開關
• 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 微控制器生態系統可以為嵌入式應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）提供，CC0，來自 Wikimedia Commons]

混合 Wi-Fi、藍牙和硬連線通信接口

您可以設置可由主機控制器使用 Wi-Fi 和藍牙控制的無線系統或設備。這有助于降低通信系統的復雜性和主控制器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控制器提供其他通信方案來控制設備系統架構。

ESP32 架構

ESP32 架構基于 Xtensa LXn CPU 內核。 Xtensa CPU 內核采用模塊化、靈活的 32 位精簡指令集計算機 (RISC) 架構。 RISC 設備是一種微處理器架構，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 Xtensa 處理器從小型無緩存控制器擴展到高性能數字信號處理器 (DSP)。

典型的RISC架構。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 的增強版本。 LX7 設備采用高效的 32 位處理器架構。可配置的 RISC、數據緩存和本地存儲器都集成到 LX7 的芯片中。 ESP32-S2 和 ESP32-S3 微控制器使用 LX7 功能，這是對 LX6 架構的增強。

LX7處理器架構。圖片由[Cadence]提供。

• RISC-V 內核 – 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 (ISA) 消除了 ESP32-C3 和 ESP-C6 芯片制造的費用成本。 RISC 架構使用 5 個核心模塊：硬連線控制單元 (HCU)、指令緩存、數據緩存、數據路徑和內存。這 5 個核心塊使用寄存器，從而為指定的微控制器提供合理的運行速度。

ESP32 子系列

如果您正在從事物聯網、可穿戴設備或嵌入式控制器項目，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建的一些項目示例。

ESP32（原始變體）

• 核心架構：Xtensa LX6（單核或雙核）
• 技術規格：

1. 時鐘速度：范圍（例如，80 MHz - 240 MHz）。
2. 內存：RAM 和 ROM 容量范圍（例如，高達 520 KiB RAM、4 MB 閃存）。
3. 具有 34 個可編程 GPIO、SPI、I2C、I2S、UART、ADC、電機 PWM、LED PWM
   一個。無線連接：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、加密）

d.項目示例：智能家居氣象站（利用雙核進行高效處理）。

ESP32 開發套件M-1

ESP32-S 系列（后續產品）

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

1. ESP32-S2：僅 Wi-Fi（無藍牙）
2. ESP32-S3：Wi-Fi 和 BLE
   一個。技術規格（一般 - S2 和 S3 之間可能略有不同）

我。與原始 ESP32 相比，時鐘速度有所提高。

b. USB 支持。

c.內存：320KB SRAM、128K ROM

d.具有 43 個可編程 GPIO、SPI、I2C、I2S、UART、ADC、LED PWM

項目實例：

• 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 內核用于實時處理）。

ESP32-S3 DevKitM-1

ESP32-C 系列（RISC-V 內核）

• 核心架構：單核 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）：詳細信息尚未完全確認。
   一個。技術規格（一般 - C3 和 C6 之間可能有所不同）
3. 時鐘速度：可能與其他 ESP32 的范圍相似（80 MHz - 240 MHz - C6 需要確認）。
4. 內存：可能與 ESP32-C3 相似或容量有所增加（例如 ESP32-C3：高達 4MB 閃存、400 KiB RAM）
5. 有 14 個可編程 GPIO、SPI、I2C、UART、LED PWM、ADC、

• 無線連接 (C3)：Wi-Fi 和 BLE（C6 需要確認）

項目示例 (ESP32-C3)：無線土壤濕度傳感器（成本敏感型應用）。

ESP32-C6 DevKitM-1

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

• 核心架構：單核、32 位 RISC-V 微控制器。
• 變體：截至目前沒有變體
• 技術規格（一般）

1. 時鐘速度 -96 MHz
2. 內存：320 KB SRAM，16 KB 高速緩存，128 KB ROM，4 MB 閃存
3. 具有 19 個可編程 GPIO，支持 ADC
4. SPI、UART、I2C、I2S、GDMA 和 LED PWM

• 無線連接：IEEE 802.15.4（網狀網絡）和藍牙 5 (LE)

項目示例（ESP32-H）：智能農業系統（可以監控土壤、溫度和光照水平等環境條件）。

ESP32-H2 開發套件M-1

ESP32-P4（雙核RISCV CPU）

• 具有 AI 指令擴展。
• 高級內存子系統和集成高速外設
• 面向即將到來的嵌入式應用時代
• 具體應用領域：

1. 人機界面 (HMI)
2. 邊緣計算
3. IO 連接需求增加

• ESP32-P4 開發套件即將推出

ESP32 軟件開發套件 (SDK)

通過各種 ESP32 開發套件，樂鑫提供了豐富的編程工具資源。可從開源 GitHub 存儲庫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 ESP32 微控制器的主要功能。以下是 ESP32 微控制器生態系統可用 SDK 的簡短列表。

• ESP-IDF – 適用于 ESP32、ESP32-S、ESP32-C 和 ESP32-H 系列 SoC 的官方物聯網開發框架。 SDK 允許在這些微控制器平臺上構建典型或通用應用程序。 C 和 C++ 等傳統編程語言用于使用 SDK 開發微控制器應用程序。
• ESP-Matter – Matter 協議的軟件實現是計算機軟件保障 (CSA) 和公司成員的共同努力。這個由公司成員和 CSA 組成的聯盟允許在 Android 和 iOS 控制器上實施設備。 ESP 微控制器在開源 Matter SDK 開發中發揮著不可或缺的作用。
• Arduino-ESP SDK – 該 SDK 也稱為 Arduino 核心，是 ESP32 的軟件開發套件，允許開發人員對該微控制器生態系統進行編程。該核心包含在 Arduino 集成開發環境 (IDE) 中。最后，Arduino IDE 是軟件庫以及 ESP32 開發套件和板的示例代碼的集合。

結論

ESP32 微控制器為工業和商業物聯網應用提供多功能且強大的解決方案。 ESP32 生態系統集成了強大的處理能力、可靠的連接和先進的安全功能。無論是部署在節能傳感器還是堅固耐用的工業監控系統中，ESP32 微控制器都能提供推動創新和應對物聯網領域各種挑戰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、功能和特性，以幫助您為您的創新項目選擇合適的設備。

審核編輯 黃宇