ESP-01 и ESP-01S — Wi-Fi-модули Ai-Thinker на ESP8266EX

Распиновка ESP-01

Нумерация у модуля не такая, как у микросхем в корпусе DIP или у разъёмов IDC. Выводы 1–4 идут слева направо во внутреннем ряду, ближе к середине платы, а 5–8 — тоже слева направо в ряду у края: под выводом 1 стоит вывод 5. Вывод 1 на чертеже Ai-Thinker отмечен точкой, а квадратная площадка нарисована у вывода 4 (RXD), так что по форме площадки первый вывод искать нельзя. На шелкографии ESP-01S, которую спецификация показывает со стороны штырей, подписи короче — 3V3, RX, TX, — а порядок выводов в рядах зеркальный по отношению к чертежу.

В спецификациях у модуля два порта ввода-вывода — на разъёме это IO0 и IO2. Выводы RXD и TXD по таблице выводов ESP-01S тоже работают как GPIO3 и GPIO1, но тогда UART для связи и прошивки недоступен.

Чего на разъёме нет:

• GPIO15 — третьего вывода, который участвует в выборе режима загрузки. На схеме ESP-01S он подключён к земле через резистор.
• GPIO16 (XPD_DCDC, вывод 8 чипа). Чтобы чип сам проснулся из Deep-sleep по таймеру, даташит ESP8266EX требует соединить его с выводом сброса EXT_RSTB (вывод 32), а описание NONOS AT к команде AT+GSLP уточняет — перемычкой 0 Ом. На разъём GPIO16 не выведен, на схеме ESP-01S такой перемычки нет, а схема ESP-01 не опубликована. Без доработки платы — перемычки между этими выводами чипа — пробуждение по таймеру не работает: вывести модуль из глубокого сна можно сбросом по RST, сигналом на EN или повторной подачей питания.
• TOUT — вход 10-разрядного АЦП. Хотя АЦП в списке возможностей ESP-01S указан, на разъём этот вход не выведен.
• Остальные GPIO чипа и выводы управления потоком UART0 (MTCK и MTDO).

Схемы ESP-01 в его спецификации нет, поэтому как на нём разведены GPIO15, подтяжки и прочие цепи, по документам Ai-Thinker не проверить. Чертёж и назначение выводов у ESP-01 и ESP-01S совпадают.

Параметры ESP-01 и ESP-01S

Значения — из таблиц Product Specifications спецификации ESP-01 V1.2 и Main Parameters, Electrical Characteristics и Power Consumption спецификации ESP-01S V1.1.

Токи ESP-01 Ai-Thinker даёт как типовые и округлённые, без условий измерения. Значения ESP-01S при передаче и приёме совпадают по числам с таблицей 5-3 даташита ESP8266EX, но условия у документов разные: Espressif мерила при питании 3,0 В и 25 °C, передачу — с заполнением 50 %, а Ai-Thinker — при 3,3 В и 25 °C, передачу — с заполнением 90 %. Ток Deep-sleep 20 мкА, как уточняет спецификация ESP-01S, измерен при питании 2,5 В.

ESP-01 и ESP-01S: что различается

В документации на docs.ai-thinker.com отдельного сравнения ESP-01 и ESP-01S нет, поэтому различия ниже — только то, что следует из двух спецификаций:

• Ток источника. Для ESP-01 — больше 300 мА, для ESP-01S — больше 500 мА; в рекомендациях по питанию ESP-01S те же 500 мА названы минимальным пиковым током.
• Температура. Рабочая — −20…85 °C у ESP-01 и −20…70 °C у ESP-01S, хранения — −40…90 °C и −40…125 °C.
• Диапазон частот. В таблице ESP-01 — 2412–2484 МГц, ESP-01S — 2400–2483,5 МГц.
• Размеры по таблице. 24,7 × 14,4 × 11,0 мм у ESP-01 и 24,6 × 14,4 × 11,2 мм у ESP-01S, где 11,2 мм — высота штырей; на чертеже ESP-01S длина та же, 24,7 мм.
• Нижняя граница скорости UART. 300 бит/с у ESP-01 и 110 бит/с у ESP-01S; верхняя у обоих — 4 608 000 бит/с.
• Схема. Только у ESP-01S опубликована схема модуля. По ней RST подтянут к 3,3 В резистором и зашунтирован конденсатором на землю, EN и IO0 тоже подтянуты к 3,3 В, GPIO15 через резистор соединён с землёй, а между 3,3 В и IO2 включён синий светодиод с резистором — он светится, когда на GPIO2 ноль. Кварц на схеме — 26 МГц. Номиналы резисторов на схеме не указаны.

Выводы, их нумерация и назначение, чертёж и флеш-память 8 Мбит в двух спецификациях одинаковы.

Питание

Обе спецификации требуют 3,0–3,6 В. Сам ESP8266EX по даташиту работает от 2,5 В, но для модуля действуют границы Ai-Thinker. Подавать 5 В нельзя ни на VCC, ни на сигнальные выводы.

Главное в питании ESP-01 — не среднее потребление, а пики. При непрерывной передаче модуль берёт около 71 мА в среднем и до 300 мА в пике, поэтому Ai-Thinker требует источник на ток больше 300 мА для ESP-01 и от 500 мА для ESP-01S. Если источник не держит пики, напряжение на модуле во время передачи может просесть ниже нижней границы 3,0 В. Отсюда рекомендации раздела 6 спецификации ESP-01S:

• питание 3,3 В от линейного стабилизатора (LDO); при импульсном стабилизаторе (DC-DC) пульсации на выходе — не больше 30 мВ, и на плате оставляют место под дополнительный конденсатор на случай резких скачков нагрузки;
• у вывода VCC — конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ на землю, как в типовой схеме Ai-Thinker;
• выход 3,3 В USB-UART-адаптера или отладочной платы годится, только если по его документации он отдаёт нужный ток; иначе модуль питают от отдельного стабилизатора с общей землёй.

Как выбрать линейный стабилизатор и оценить его нагрев, разобрано в статье о LDO-стабилизаторах.

Режимы загрузки: GPIO0, GPIO2 и GPIO15

При включении и после сброса ESP8266EX смотрит на уровни трёх выводов — GPIO0, GPIO2 и GPIO15 (MTDO) — и по ним решает, запускать программу из флеш или ждать новую прошивку по UART. Таблица режимов из спецификации ESP-01S:

Режимы различаются только уровнем GPIO0. Остальные условия одинаковы и обязательны:

• GPIO15 — ноль. На ESP-01S его держит резистор на землю на самой плате, на разъём он не выведен.
• GPIO2 — единица или свободен. По документации esptool в режиме прошивки загрузчик выдаёт на GPIO2 сигнал UART TX, поэтому прямо на питание его не подключают, а подтягивают резистором или оставляют свободным.
• TXD0 — единица. Даташит запрещает тянуть U0TXD к нулю при включении.
• EN и RST — единица. На ESP-01S оба подтянуты к 3,3 В на плате.

Практическое следствие: всё, что подключено к IO0 и IO2, не должно тянуть их к земле в момент включения. Светодиод на землю или датчик с подтяжкой вниз на этих выводах могут помешать запуску. Подробнее о таких выводах у ESP8266 и ESP32 — в статье о strapping-выводах.

Журнал загрузки на 74 880 бит/с

После сброса загрузчик ПЗУ печатает в UART0 несколько строк. Их скорость, по даташиту ESP8266EX, зависит от кварца: при 40 МГц — 115 200 бит/с, при 26 МГц — 74 880 бит/с. На схеме ESP-01S стоит кварц 26 МГц, поэтому монитор порта на 115 200 бит/с показывает вместо журнала «мусор». Настроенный на 74 880 бит/с, он покажет строку вида:

ets Jan 8 2014,rst cause 1, boot mode:(3,7)

По документации esptool rst cause 1 — включение питания, 2 — внешний сброс, 4 — аппаратный сторожевой таймер. Первое число в boot mode показывает режим: 1 — загрузка прошивки по UART, 3 — запуск из флеш. Если в журнале совпадают значения chksum и csum, флеш прочитана без ошибок. После журнала программа работает на своей скорости — AT-прошивка по умолчанию на 115 200 бит/с. Почему при несовпадении скоростей вместо текста приходят случайные символы, объясняет статья «Интерфейс UART».

Подключение к USB-UART-адаптеру и Arduino

Порядок подключения:

1. Питание. VCC — к источнику 3,3 В на нужный ток, GND — к общей земле с адаптером. У VCC — конденсаторы 10 и 0,1 мкФ.
2. UART — накрест. Выход TXD адаптера идёт на RXD модуля (вывод 4), выход TXD модуля (вывод 5) — на RXD адаптера. Так соединения показаны и в руководстве ESP-AT: RX модуля — к TX компьютера и наоборот.
3. EN — к 3,3 В через 10 кОм и конденсатор 0,1 мкФ на землю, как в типовой схеме Ai-Thinker. Модуль с EN в нуле выключен и не отвечает. RC-цепочка задерживает нарастание EN после включения питания: постоянная времени τ = 10 кОм · 0,1 мкФ = 1 мс. Таблица 5-2 даташита ESP8266EX требует, чтобы EXT_RSTB поднимался не раньше чем через 0,1 мс после питания (t3), а EN — не раньше чем через 0,1 мс после EXT_RSTB (t5).
4. RST — единица в работе. У ESP-01S подтяжка RST есть на плате; схема ESP-01 не опубликована, поэтому на рисунке подтяжка R2 показана снаружи — её номинал в документах Ai-Thinker не указан. Кнопка на землю перезапускает модуль.
5. IO0 — на землю кнопкой или перемычкой только для прошивки; в работе свободен.
6. IO2 — свободен или подтянут к 3,3 В через резистор, но не напрямую.

Уровни. Ai-Thinker прямо пишет, что выводы модуля работают на 3,3 В и при другом уровне у управляющего микроконтроллера нужен преобразователь уровней. По таблице 5-1 даташита ESP8266EX высокий уровень на входе — от 0,75 VIO до 3,6 В (VIH max), на выходе — от 0,8 VIO: при питании 3,3 В это от 0,75 · 3,3 ≈ 2,48 В на входе и от 0,8 · 3,3 ≈ 2,64 В на выходе. Поэтому:

• плату Arduino или другой микроконтроллер с логикой 3,3 В соединяют с модулем напрямую;
• от 5-вольтовой платы к модулю (её TX → RXD модуля) ставят делитель или микросхему-транслятор уровней. Делитель из 10 кОм сверху и 20 кОм снизу даёт 5 · 20/(10 + 20) ≈ 3,33 В — выше 2,48 В и ниже 3,6 В. Как делитель затягивает фронты и когда нужен транслятор, разобрано в статье «Согласование уровней 3,3 и 5 В»;
• от модуля к 5-вольтовой плате (TXD модуля → её RX) высокий уровень — от 2,64 В до напряжения питания модуля. Примет ли его 5-вольтовый вход, решает порог высокого уровня по даташиту той микросхемы. Если не примет, подходит каскад из спецификации ESP-01S (Q1 на стр. 16): NPN-транзистор 8050, база через 2 кОм подтянута к 3,3 В, эмиттер подключён к TXD модуля, коллектор через 4,7 кОм подтянут к 5 В и идёт на вход RX платы. Сигнал он не инвертирует.

Ещё две рекомендации из раздела 6 спецификации ESP-01S: последовательный резистор 10–100 Ом в каждой сигнальной линии гасит выбросы на фронтах и помогает защите от помех и статики, а модуль ставят у края основной платы так, чтобы зона антенны выходила за край или под ней был вырез в плате, без металла рядом.

Прошивка ESP-01

Записывают образ утилитой esptool или программой Flash Download Tool от Espressif через UART. Как работает esptool и как разбирать его ошибки, рассказано в статье «Прошивка ESP32»; адреса из неё к ESP8266 не подходят — у него образ начинается с адреса 0x0. Особенности модуля:

• Вход в загрузчик вручную. Модуль подключают к адаптеру проводами, и режим задают сами: IO0 замыкают на землю, кратко замыкают RST на землю или передёргивают питание и запускают программу записи.
• Автосброс. Если у адаптера выведены DTR и RTS, esptool может делать это сам: по его документации DTR подключают к GPIO0, RTS — к EN. Для надёжного сброса между EN и землёй рекомендуют конденсатор от 1 мкФ.
• Размер флеш — 8 Мбит (1 МБ). Даташит ESP8266EX требует не меньше 512 КБ флеш-памяти без обновления по сети и не меньше 1 МБ с ним, так что у ESP-01 OTA помещается впритык. Размер в программе записи указывают 8 Мбит — так требует описание NONOS AT (разд. 1.2.4). Режим SPI тоже должен быть верным: иначе, предупреждает даташит ESP8266EX, записанная программа может не заработать.

Раскладка AT-прошивки на ESP8266_NONOS_SDK для флеш 8 Мбит — по разделу 1.2.4 описания NONOS AT v3.0.5:

Оговорка из того же документа: начиная с ESP8266_NONOS_SDK 3.0.0 и AT 1.7 образ AT вырос, и по умолчанию поддерживается только раскладка 1024 + 1024 КБ — она описана для флеш 16 и 32 Мбит. Так что готовые сборки AT 1.7 и новее для флеш 8 Мбит по умолчанию не подходят, а таблица выше относится к более ранним.

AT-команды

В спецификации ESP-01 Ai-Thinker называет среди возможностей модуля стандартные AT-команды и даёт скорость UART по умолчанию 115 200 бит/с. У Espressif для ESP8266 есть два семейства AT-прошивок, и для ESP-01 разница между ними существенна:

• AT на ESP8266_NONOS_SDK, описание — ESP8266 Non-OS AT Instruction Set v3.0.5. Документ помечен NRND, а сам NONOS SDK больше не обновляется. Скорость по умолчанию — 115 200 бит/с. На флеш 8 Мбит по умолчанию рассчитаны только сборки до AT 1.7 — см. раздел «Прошивка». Аппаратное управление потоком использует MTCK и MTDO, которых на разъёме ESP-01 нет, — его не включают.
• ESP-AT 2.x, руководство ESP-AT User Guide v2.2.0.0. Готовые образы для ESP8266 собраны для модуля ESP-WROOM-02, и ESP-01 им не подходит по двум причинам. Первая — размер: в журнале запуска ESP8266 из руководства размер флеш 2 МБ, раздел ota_1 начинается с 0x110000, nvs — с 0x1F0000, то есть таблица разделов рассчитана на 2 МБ и в 1 МБ не помещается. Вторая — выводы: команды идут через UART0 на GPIO13 и GPIO15, которых на разъёме ESP-01 нет, а GPIO1 и GPIO3 нужны для прошивки и служат линиями RTS и CTS порта команд. Для своей сборки в проекте esp-at есть конфигурация ESP8266_1MB, а порт команд руководство разрешает перенести на GPIO1 и GPIO3 в файле factory_param_data.csv.

Перед записью готового AT-образа проверьте по его описанию, на какой размер флеш он собран и на какие выводы выводит порт команд. Основные команды из описания NONOS AT — пишутся заглавными буквами и заканчиваются переводом строки CR LF:

Если модуль на AT не отвечает, сначала проверьте скорость и окончание строки в терминале, затем перекрёстное подключение TX и RX и уровень EN.

Типичные ошибки

• Нестабильная работа во время передачи. Если источник не держит пиков тока до 300 мА, напряжение на модуле может уходить ниже 3,0 В — за пределы спецификации. Нужен стабилизатор на ток больше 300 мА для ESP-01 и от 500 мА для ESP-01S и конденсаторы у VCC.
• «Мусор» в мониторе порта при включении. Это журнал загрузчика на 74 880 бит/с, а не неисправность.
• Модуль не запускает программу. IO0 остался на земле, или нагрузка на IO0 и IO2 тянет их к нулю при включении, или EN не подтянут к 3,3 В.
• 5 В на VCC или RXD. Питание модуля по спецификации — до 3,6 В, и высокий уровень на входе ESP8266EX не должен превышать 3,6 В (VIH max в таблице 5-1). 5-вольтовую плату подключают через стабилизатор 3,3 В и делитель или транслятор уровней.
• Готовый образ ESP-AT 2.x не работает с ESP-01. Он собран для ESP-WROOM-02: на флеш 2 МБ и с портом команд на GPIO13 и GPIO15, которых на разъёме нет.
• Глубокий сон не заканчивается сам. Без перемычки между GPIO16 и RST модуль по таймеру не просыпается — только по сбросу, сигналу на EN или повторной подаче питания.