NodeMCU DevKit V1.0 на ESP8266: распиновка и устройство

Распиновка

Плата нарисована сверху, антенной модуля вверх, разъёмом USB вниз; размеры и места контактов взяты из Gerber-файлов платы. Слева — разъём J1 (A0 у антенны), справа — J2 (D0 у антенны). Подпись на плате — это номер в Arduino (D0–D8) или название сигнала, а рядом с ней указан GPIO ESP8266 и его аппаратные функции: выводы HSPI и UART.

Контакты и функции

У ESP8266 аппаратных интерфейсов немного: SPI и HSPI, два UART (у UART1 только передатчик), I²S. Шина I²C и ШИМ сделаны программно: даташит указывает для I²C частоту до 100 кГц, а библиотеки Arduino позволяют назначить SDA, SCL и ШИМ на любой GPIO, кроме GPIO16. По умолчанию библиотека Wire использует GPIO4 (D2) как SDA и GPIO5 (D1) как SCL; подтягивающие резисторы шины на плате не установлены — их номинал считает калькулятор подтяжки I²C.

Номера D0–D10 существуют только в ядре Arduino для ESP8266: digitalWrite(D1, HIGH) и digitalWrite(5, HIGH) — одно и то же. Светодиод LED_BUILTIN в этом ядре — GPIO2 (D4), а синий светодиод самой платы NodeMCU подключён к GPIO16 (D0) через резистор 470 Ом от 3,3 В и горит при низком уровне — в ядре это LED_BUILTIN_AUX.

Выводы, с которыми осторожно

Обвязка загрузки: D3, D4, D8. Схема NodeMCU прямо предупреждает: при каждом включении, сбросе и пробуждении GPIO15 (D8) должен быть в низком уровне, GPIO2 (D4) — в высоком; GPIO0 (D3) в высоком уровне запускает программу, в низком — загрузку прошивки. На плате GPIO0 и GPIO2 подтянуты к 3,3 В, а GPIO15 — к земле резисторами 12 кОм. Кнопка или датчик, которые перетягивают эти выводы при включении, не дадут плате запуститься.

Флеш-память: SD0–SD3, CMD, CLK (GPIO6–11). По этим линиям модуль читает программу из флеш-памяти; занимать их нельзя. Выводы SD2 и SD3 (GPIO9, GPIO10) на схеме обозначены и как GPIO, но по табл. 2-1 даташита эти выводы ESP8266 соединяются с линиями SD_D2 и SD_D3 флеш-памяти, поэтому использовать их как обычные входы и выходы рискованно.

D0 (GPIO16) находится в домене RTC: внутренняя подтяжка у него только к земле, а для выхода из глубокого сна его соединяют с RST — тогда по таймеру GPIO16 выдаёт низкий уровень и сбрасывает ESP8266. На плате для этого предусмотрен перемычечный резистор R10 0 Ом, который по умолчанию не установлен. Карта выводов NodeMCU предупреждает, что D0 годится только для чтения и записи уровня — без прерываний, ШИМ и I²C.

TX и RX (GPIO1, GPIO3) подключены к мосту USB-UART: через них идёт загрузка прошивки и обмен с компьютером. При включении загрузчик ESP8266 выводит в UART0 служебные сообщения; их скорость зависит от кварца модуля — 115 200 бит/с при 40 МГц и 74 880 бит/с при 26 МГц. Если это мешает подключённому устройству, UART0 можно перевести на GPIO15 (TX) и GPIO13 (RX) — в ядре Arduino это Serial.swap().

Питание

Питание собрано на схеме листа POWER:

• USB даёт 5 В, которые через диод Шоттки (1N5819, SS14 или S4) попадают в цепь 5 В платы — это контакт VIN;
• VIN можно использовать и как вход внешнего питания 5 В: диод не пускает его обратно в USB;
• из цепи 5 В стабилизатор NCP1117ST33T3G делает 3,3 В для модуля, они выведены на три контакта 3V3.

Примечание на схеме даёт параметры стабилизатора: рабочий выходной ток 800 мА, ограничение тока 1000 мА, максимальное входное напряжение 20 В и падение напряжения 1,2 В при 800 мА. Значит, для полного тока на VIN нужно не меньше 4,5 В, а при высоком входном напряжении мощность P = (U_вх − 3,3) · I превращается в тепло — как её оценить, разобрано в статье о линейных стабилизаторах. Подавать питание сразу на 3V3 можно только стабилизированными 3,3 В: допустимое напряжение питания ESP8266EX — от 2,5 до 3,6 В.

Вход A0 и АЦП

АЦП ESP8266 — 10-битный, вход один (TOUT), и сам по себе он измеряет 0–1,0 В. На NodeMCU контакт A0 подключён к нему через делитель: 220 кОм от A0 к входу АЦП и 100 кОм от входа на землю. Отсюда шкала A0:

$U_{A0} = \frac{N}{1023} \cdot 1{,}0 \cdot \frac{220 + 100}{100} \approx N \cdot 3{,}13\ \text{мВ},\quad U_{\max} = 3{,}2\ \text{В},$

где N — показание analogRead(A0) (0–1023). Сопротивление делителя — 320 кОм, поэтому источник с большим собственным сопротивлением будет давать заниженные показания. Чтобы мерить напряжения выше 3,2 В, перед A0 ставят ещё один делитель — его рассчитает калькулятор делителя напряжения. По схеме контакт J1-2 (подписан RSV) соединён с входом АЦП напрямую, без делителя; на карте выводов NodeMCU он отмечен как зарезервированный.

Ограничения входов и выходов

По табл. 5-1 даташита ESP8266EX при питании выводов VIO = 3,3 В:

Внутренние подтягивающие резисторы у выводов ESP8266 есть только к питанию (у GPIO16 — только к земле). Нагрузку больше 12 мА — реле, двигатели, ленты светодиодов — подключают через транзисторный ключ, а 5-вольтовую логику — через преобразователь уровней.

Загрузка прошивки

Прошивка загружается по USB через мост CP2102 и UART0. Схема автозагрузки на двух транзисторах S8050 управляет выводами RST и GPIO0 от линий DTR и RTS моста, поэтому esptool, Arduino IDE и другие программы сами переводят ESP8266 в режим загрузки:

Вручную режим загрузки включают кнопками: зажать FLASH (GPIO0 через резистор 470 Ом на землю), нажать и отпустить RST, отпустить FLASH. Вход RST подтянут к 3,3 В резистором 12 кОм и зашунтирован конденсатором 100 нФ, вход EN подтянут резистором 12 кОм.

Минимальный объём флеш-памяти, нужный ESP8266, по даташиту — 512 КБ без обновления по воздуху и 1 МБ с ним; 4 МБ модуля ESP-12E хватает с запасом, а часть памяти можно отдать под файловую систему. Программы пишут в Arduino IDE с ядром ESP8266, в ESP8266_RTOS_SDK или на MicroPython; сравнение сред — в разделе программ.