ESP32-DevKitC V4: распиновка и устройство платы

Распиновка

Плата нарисована сверху, антенной вверх, разъёмом USB вниз. Слева — разъём J2, его первый контакт (3V3) у антенны; справа — J3, первый контакт (GND) тоже у антенны. Номера контактов в каждом разъёме идут от антенны к USB. Рядом с контактом — подпись с платы и функции ESP32, которые выведены на него напрямую: канал АЦП, сенсорный вход, ЦАП, сигналы JTAG, SPI и UART, подключаемые через IO MUX. Кнопки над рисунком подсвечивают группу выводов — например, все каналы АЦП1 или все выводы обвязки загрузки.

Контакты и функции

Цифровую периферию ESP32 — UART, I²C, ШИМ (контроллер LED PWM), I²S, счётчики импульсов — можно вывести на любой GPIO через матрицу GPIO: таблица ниже не ограничивает, где будет, скажем, шина I²C. Через IO MUX, минуя матрицу, к фиксированным выводам подключаются только быстрые сигналы — SPI, JTAG, UART, SDIO и Ethernet; так их работа на высоких частотах надёжнее. Аналоговые функции — АЦП, ЦАП, сенсорные входы — жёстко привязаны к своим выводам.

Номера выводов в Arduino-ESP32 совпадают с номерами GPIO: контакт IO25 — это вывод 25, VP — 36, TX — 1. По умолчанию Arduino-ESP32 подключает Serial к GPIO1 и GPIO3 (они же идут на мост USB-UART), шину Wire (I²C) — к GPIO21 (SDA) и GPIO22 (SCL), а SPI — к GPIO18 (SCK), GPIO19 (MISO), GPIO23 (MOSI) и GPIO5 (SS) — это выводы VSPI в IO MUX. Подтягивающие резисторы шины I²C на плате не установлены; номинал считает калькулятор подтяжки I²C.

Выводы, с которыми осторожно

Флеш-память: GPIO6–GPIO11 (контакты CLK, D0, D1, D2, D3, CMD рядом с USB). По ним модуль обменивается с флеш-памятью и памятью PSRAM. Если их занять, программа перестанет читаться из флеш-памяти — эти контакты не используют.

Только входы: GPIO34–GPIO39 (IO34, IO35, VP, VN). У них нет выходного каскада и внутренних подтягивающих резисторов: светодиод от них не зажечь, а кнопку подключают с внешней подтяжкой. Зато это каналы АЦП1, удобные для измерений.

Обвязка загрузки: GPIO0, 2, 5, 12, 15. Уровни на них ESP32 считывает при сбросе, после чего выводы работают как обычные. Значения по умолчанию задают внутренние подтяжки (табл. 3-1 даташита):

Самая частая ловушка — GPIO12: внешняя подтяжка вверх или датчик, выдающий высокий уровень при включении, переключают питание флеш-памяти на 1,8 В, и модуль с флеш-памятью на 3,3 В не запускается. GPIO0 на плате подключён к кнопке Boot и к схеме автозагрузки, поэтому нагрузку на него вешают с оглядкой.

АЦП2 и Wi-Fi. Каналы АЦП2 (GPIO0, 2, 4, 12–15, 25–27) использует драйвер Wi-Fi: пока он работает, мерить ими внешние напряжения нельзя. При включённом Wi-Fi для измерений остаются каналы АЦП1 — GPIO32–39.

GPIO16 и GPIO17 свободны на платах с модулями ESP32-WROOM и ESP32-SOLO-1, а у модулей ESP32-WROVER заняты памятью PSRAM.

TX и RX (GPIO1, GPIO3) подключены к мосту CP2102N через резисторы 0 Ом: через них идёт загрузка прошивки и вывод Serial. Внешнее устройство на этих линиях может мешать загрузке.

Питание

Плату питают одним из трёх способов, и только одним — руководство Espressif прямо предупреждает, что одновременное подключение нескольких источников может повредить плату или источник:

• через micro-USB (обычный способ): 5 В с USB проходят через диод Шоттки BAT760 на цепь 5 В платы;
• через контакт 5V (J2-19) — та же цепь 5 В;
• через контакт 3V3 (J2-1) — напрямую на питание модуля, минуя стабилизатор.

Из цепи 5 В линейный стабилизатор AMS1117-3.3 делает 3,3 В для модуля; в цепи 5 В стоит красный светодиод питания. Модуль ESP32-WROOM-32E рассчитан на 3,0–3,6 В, а предельное напряжение питания ESP32 по табл. 5-1 даташита — 3,6 В, поэтому на контакт 3V3 подают только стабилизированные 3,3 В. Чем меньше разница входного и выходного напряжения линейного стабилизатора, тем меньше он греется; как рассчитать рассеиваемую мощность — в статье о линейных стабилизаторах.

Ограничения входов и выходов

Уровни логики ESP32 по табл. 5-3 даташита (питание выводов 3,3 В, 25 °C):

Сила выхода настраивается: около 5, 10, 20 или 40 мА, по умолчанию — около 20 мА. Когда несколько выводов одного домена питания отдают ток одновременно, допустимый ток на вывод снижается примерно с 40 до 29 мА. Сигналы 5-вольтовой логики подключают через делитель или преобразователь уровней, а нагрузку больше нескольких миллиампер — через транзисторный ключ.

Загрузка прошивки

Прошивка загружается по USB через мост CP2102N и UART0 ESP32. На плате есть схема автозагрузки: линии DTR и RTS моста через два транзистора SS8050 управляют выводами EN и GPIO0. Программа загрузки (esptool, Arduino IDE, ESP-IDF) сама переводит ESP32 в режим загрузки и перезапускает его после записи:

Если автозагрузка не срабатывает, режим включают кнопками: зажать Boot (GPIO0 на землю), нажать и отпустить EN (сброс), отпустить Boot. Вывод EN подтянут к 3,3 В резистором 10 кОм и зашунтирован конденсатором 0,1 мкФ — это задержка сброса при включении.

На ранних платах V4 конденсатор C15 на GPIO0 мог приводить к тому, что плата запускалась в режиме загрузки, и искажал тактовый сигнал, если его выводить на GPIO0; Espressif в таком случае советует C15 удалить. На актуальной схеме он помечен как неустанавливаемый.

Программы для ESP32 пишут в ESP-IDF — фреймворке Espressif — или в Arduino IDE с ядром Arduino-ESP32; среды и инструменты сравниваются в разделе программ. Параметры UART для обмена с компьютером — скорость, формат кадра — помогает подобрать калькулятор скорости UART.