第1章 在我们开始ESP32之前

ESP32是一款出色的设备。它价格低廉，足以用于那些对微控制器而言勉强可行的任务，同时性能又足够强大，能够处理直到最近对于这种低成本设备来说仍难以胜任的任务。它拥有两个内核、WiFi、蓝牙和低功耗模式，再加上一个运行速度快且内存足以完成大多数工作的处理器。它还配备了众多内置外设和接口，如PWM、I2C、SPI、UART和ADC。此外，它还有一些新颖的外设，例如电机控制器PWM器件、远程控制子系统、触摸输入、正弦波生成DAC以及一个超低功耗处理器，该处理器可以在主处理器处于睡眠模式时运行。

所有这些特性使得ESP32适用于非常简单的任务，例如门或窗的开启传感器，也适用于更为复杂的任务，比如电机控制器。

ESP32家族

ESP32由中国公司乐鑫信息科技（Espressif Systems）设计。该公司凭借其首款处理器ESP8266赢得了声誉，ESP8266在一个体积小巧、成本低廉的封装中集成了WiFi子系统。ESP8266赢得了众多爱好者的青睐，但在早期，由于缺乏英文文档，人们很难了解这款设备。随着ESP32系列的推出，这些问题已成为过去。如今，不仅有大量优质的文档，还有官方的软件开发工具包——乐鑫物联网开发框架（ESP-IDF），它可在Windows、Linux和macOS系统上运行，支持C语言和C++。该框架专为构建物联网（IoT）应用而设计，提供了Wi-Fi、蓝牙、电源管理及其他系统功能。

ESP确实存在一个问题，即没有单一的参考实现。对于像Arduino系列以及树莓派（Raspberry Pi）的设备，产品和信息都来自单一源头，这让事情变得更简单。不过，目前市面上大多数ESP32设备的差异都很小，而且它们之间的兼容性非常高。

首先需要明确的是，ESP32系列并非基于非常常见的ARM处理器。目前，ESP32设备要么使用Xtensa LX6或LX7处理器，要么（不太常见的情况）使用开源的RISC-V处理器。由于ESP-IDF支持所有这些处理器，因此使用它们中的任何一种都没有问题。不过，大多数ESP32开发设备使用的是LX6。

在撰写本文时，常见的ESP32设备有五种，基于LX6/7处理器的S系列，以及采用RISC-V处理器的C系列：

S系列：

  • ESP32（2014年）：搭载LX6双核处理器，支持WiFi 4和蓝牙
  • ESP32-S2（2019年）：搭载LX7单核处理器，仅支持WiFi 4
  • ESP32-S3（2020年）：搭载LX7双核处理器，支持WiFi 4和蓝牙 C系列：
  • ESP32-C3（2020年）：采用RISC-V处理器，支持WiFi 4
  • ESP32-C6（2021年）：采用RISC-V处理器，支持WiFi 6

这些设备在内存配置、GPIO引脚及其他功能方面也存在差异。较新型号的设备似乎更倾向于使用RISC处理器，而非LX6/7处理器。在撰写本文时，ESP32是价格最低且最常见的型号。不过，性能显著提升的ESP32-S3也很容易买到。本书中会同时以ESP32和ESP32-S3作为示例。

开发板

大多数情况下，你可能会使用的开发板是由包含基本器件的表面贴装模块构成的。这些模块表现为安装在开发板上的小型银色盒子。

正是这个“银色盒子”决定了一个开发系统的特性。制造商们会选择一个模块，再添加一些组件，从而制作出开发板。值得一提的是，你也可以购买未安装在印刷电路板（PCB）上的模块，将其设计到自己的电子设备中，打造一个100%定制化的ESP32。

开发板的主要任务是将TTL串口转换为USB接口，该接口为开发机器提供电源和串口连接。您可以在下方看到一个典型的电路图：

这是乐鑫公司生产的ESP32 DevKitC开发板，它被用作大多数其他开发板的设计起点。此外，还有一款基于S3的DevKitC开发板。

关键在于，开发板通常对所使用的ESP32模块几乎没有额外添加什么。也就是说，开发板的主要特性由所使用的ESP32模块决定，但在引出到外部引脚的GPIO线路以及提供的额外硬件方面仍可能存在差异——有些开发板会配备一个连接到GPIO 2的LED。

购买开发板时，首先要考虑的是它使用的是哪种模块。在撰写本文时，主要有两个模块系列——WROOM和WROVER。这两个系列的主要区别在于，WROVER系列配备了支持视频设备所需的串行RAM器件。

除此之外，这两个系列完全相同。几乎所有的开发板都采用WROOM或WROOM S3模块，这些模块有多个型号，差异大多较小。最常见的型号如下：

Name Flash Memory
ESP-WROOM-32 4 MB
ESP32-S3-WROOM-1 8 MB
ESP-WROOM-32-8M 8 MB
ESP-WROOM-32-16M 16 MB

ESP32采用LX6双核处理器，而S3则使用LX7处理器。还有一些其他配置的型号，针对特定使用场景提供相应功能。32U系列（如ESP-WROOM-32U等）配备了用于连接外部天线的U.FL（IPEX）接口，而非内置PCB天线；HT系列则能够承受更高的温度。一些非常小巧的开发板还采用了ESP-Pico模块，该模块有多种闪存容量可供选择。

开发板的不同之处还体现在引出到外部连接器的GPIO线路上。

下面展示了一个典型的ESP32：

S3通常有两个接口，一个UART接口和一个USB接口，并且通常有一个可寻址的RGB LED连接到GPIO38引脚上：

小型开发板通常引出到外部的GPIO引脚数量较少。例如：

通常有两个开关，分别是引导加载程序（boot loader）开关和复位（reset）开关，还有一个电源LED灯——这个灯很讨厌，不使用电烙铁的话无法将其关闭。开发板通常还内置一个串口转USB芯片，常见的是CP2120或CH340。有些用户称其中一种芯片更好，但实际上两者都能正常工作。大多数开发板采用与乐鑫设计的开发板相同的引脚分布，但也会遇到一些细微差异，以及更小尺寸的版型——这类版型引出到外部的GPIO引脚数量更少。

如前所述，你也能找到没有USB接口的开发板。这类开发板通常通过电源引脚直接供电，并且在没有USB转换功能辅助的情况下，通过UART串行接口进行编程。使用这类开发板会稍微麻烦一些，因为你得想办法连接到UART，但一旦解决了供电和串行连接的问题，其工作原理就和其他开发板完全一样了。

这一切意味着，尽管ESP32开发板的种类多到可能让人眼花缭乱，但它们都具有高度的兼容性，并且编程方式相同。除了可能存在的内存大小和速度差异问题外，为一款开发板编写的程序应该也能在另一款上运行。这条规则唯一的例外是，如果某款开发板没有将GPIO引脚引出供外部使用，但所有标准尺寸的开发板都拥有相同的外部连接接口。

在开发板中，你最可能接触到的ESP32/S3硬件的核心要点如下：

  • 双核LX6/LX7处理器，灵活时钟频率最高可达240 MHz
  • 520KB静态随机存取存储器（SRAM），以及4/8MB板载闪存
  • 支持设备和主机模式的USB 1.1接口
  • 低功耗睡眠和休眠模式
  • 34/48个多功能通用输入输出（GPIO）引脚，10/14个触摸（电容式）传感器
  • 4个串行外设接口（SPI）、2个集成电路总线（I2C）、3个通用异步收发传输器（UART）、2个集成电路内置音频总线（I2S）、控制器局域网总线（CAN bus）、1/2个12位模数转换器（ADC）、2个8位数模转换器（DAC，仅ESP32具备）以及16路脉冲宽度调制（PWM）输出
  • 片上加速加密硬件
  • 独立的低功耗处理器

虽然现在深入探讨细节还为时过早，但一张ESP32的引脚分布图能让你清楚了解这款设备的多功能性：

注意，带有向内箭头的线路仅用于输入，带有波浪线的线路兼容PWM。另外请注意，GPIO6至GPIO11旁标有感叹号，这表明这些引脚不可使用，因为它们构成了与闪存的接口。

ESP32 S3的引脚排列与之类似但有所不同，且没有仅用于输入的引脚：

还有DevKitM变体，其在一些引脚位置上有所不同。本书中的所有图表均使用ESP32和ESP32 S3 C开发板，因此请确保你所使用的开发板具有相同的引脚排列。

复位和启动

几乎所有开发板都配备的这两个按钮，了解它们的实际功能以及为什么通常不需要用到它们是很有必要的。顾名思义，复位/使能按钮用于重置系统并重新启动。单独按下启动按钮不会有任何反应，只有在按下启动按钮的同时按下复位/使能按钮，系统才会进入“固件下载模式”，并运行加载程序，以便通过串口下载新代码。

进入下载模式后，你需要使用esptool之类的工具来下载代码，不过像VS Code这样的集成开发环境（IDE）也能完成这项工作，具体可参见下一章。相关的实际通信协议有文档说明，但通常你无需关注这些细节。

复位使能按钮连接到模块上的EN线，而启动按钮连接到GPIO0。这意味着你不能将GPIO0用于其他用途：

实际上，你很少需要使用启动按钮来下载代码，因为大多数开发板采用标准配置，将串口的DTR和RTS控制线分别连接到EN引脚和GPIO0引脚。

你可以发现，通过切换串口控制线，能够实现系统复位或进入固件上传模式。这意味着，你通常无需手动按按钮，因为用于上传或运行代码的软件会自动完成这项工作。了解这一点很重要，因为如果你将串口用于其他用途，就需要留意RTS和DTR线的使用方式，更多内容参见第15章关于串口的介绍。

期待内容

本书中没有完整的项目——尽管有些示例已经非常接近完整项目，而且显然其中一些示例可以组合起来构建出成品项目。之所以这样安排，是因为本书的重点在于学习事物的工作原理，以便你能够进一步去做一些非标准化的事情。

重要的是，你能够推理出处理器在做什么，以及它如何与现实世界进行实时交互。这是桌面编程和嵌入式编程之间的重大区别。在桌面编程领域，你其实不太在乎某件事何时发生，但当你为物理系统编程时，你会非常在意这一点。

这是一本关于理解通用原理并使事物在尽可能底层运行的书籍。当你直接与硬件打交道时，了解正在发生的情况至关重要。

所有示例都尽可能基础，代码设计也力求通俗易懂。在大多数情况下，这意味着要避免使用那些看似凭空出现的常量，以及会掩盖基本步骤、让人难以理解的函数。此外，错误处理也精简到了最低限度——如果添加错误处理代码，简单的程序会显得复杂。当然，完全可以将这些示例重构为更接近生产级别的代码，而且做这项工作所花费的精力，远比让这些基础程序首先能正常运行要少得多。

本书没有介绍多种可能的开发环境配置，而是采用了VS Code，并搭配使用ESP-IDF所需的附加组件。你也可以选择其他方法，但VS Code能让入门过程变得非常简单快捷。

你需要准备些什么？

嗯——至少需要一块ESP32或ESP32 S3！实际上，建议你多买几块，以防出现意外情况。ESP32开发板的价格会根据你购买的数量而有所不同。如果是单块购买，最便宜的货源来自中国，一块ESP32开发板大约3美元，ESP32 S3大约5美元，当然，还要加上邮费。

你还需要一台机器来运行编写程序所需的软件，编写好的程序可以下载到ESP32中——这台机器就是开发机。好消息是，你几乎可以使用任何台式机——个人电脑（PC）、苹果电脑（Mac）或Linux系统的电脑都行。

至于除ESP32之外的其他硬件，你需要一块免焊原型板和一些连接线（也称为杜邦线）。你还需要一些LED灯、若干电阻、一些2N2222或其他通用晶体管，以及后续章节中会用到的各种传感器。有关链接，请参见I/O Press网站上本书的资源页面。

ESP32开发板在原型制作时存在一个特殊问题，它的宽度太大，无法适配标准的原型板。有一些“超薄”开发板，其优势在于能够适配标准原型板，但还有一个简单的解决办法：使用两块原型板，将开发板的一侧插在一块原型板上，另一侧插在另一块原型板上。

从原型板上插拔ESP32这类较大的器件也有技巧可言。诀窍是使用塑料撬棒，缓慢且均匀地将器件的两端从板上撬起。

虽然你不需要会焊接，但你需要能够在原型板上连接电路。万用表（不到10美元）很有用，但如果你认真对待电子项目，投资购买一台逻辑分析仪（不到100美元）会很快物有所值。你可以买到小型的逻辑分析仪，通过USB端口连接，再配合应用程序就能显示电路中发生的情况。只有借助多通道逻辑分析仪，你才有希望弄明白电路中发生了什么。如果没有它，也没有掌握使用它的基本技巧，你基本上就如同盲目摸索，只能猜测可能出了什么问题。

最后，如果你对此更为认真，那么投资一台小型示波器也是值得的，它可以用来检查微控制器输出的那些本应是数字信号的模拟特性。不过，如果你必须在这两种仪器之间做出选择，逻辑分析仪应该是你的首选。

值得注意的是，ESP32生成的信号可能过快，以至于低成本示波器和逻辑分析仪无法可靠检测——这类仪器的工作频率通常在1MHz到25MHz之间。这意味着，处理远快于1微秒的脉冲会很困难，因为你无法依赖这些仪器。市面上有价格适中的200MHz和500MHz逻辑分析仪，如果你认真对待硬件工作，购置一台无疑是值得的。需要知道的是，如果你试图处理超出它们工作范围的信号，这两种仪器都可能给出误导性的结果。

本书还假定你具备类C语言的编程能力——Java、C#、Python都与C语言相似，当然，C++也是如此。本书没有篇幅教授C语言编程，但书中的程序足够简单易懂，任何不常见的代码都会有相应解释。如果你想详细学习C语言，可参阅《Fundamental C: Getting Closer To The Machine》，ISBN：9781871962604。

社区

由于有众多公司生产ESP32开发板，因此不像 Arduino 或树莓派那样有一个统一的ESP32社区。乐鑫（Espressif）运营着一个活跃的论坛，网址是：https://www.esp32.com/index.php 这是一个提问以及查看是否已有相关答案的好地方。当然，还有 Stack Overflow 这个平台。

在任何论坛上，答案的质量参差不齐，既有误导性的，也有非常出色的。一定要结合自己的认知来评估所得到的建议。对于那些给出的答案明显误解了你的问题的人，要友善并给予理解。

你还需要记住，这些建议通常也是带有偏见的。有C++经验的程序员往往会告诉你一种做法，但其复杂程度不如直接用C语言解决来得简单。电子学新手会给你推荐基于“现成模块”的解决方案，而实际上用几个便宜的元件就能实现更简单的替代方案。另一方面，电子学专家则常常建议开发定制硬件，而这种硬件可能需要数月时间才能调试好，其实现成的解决方案既便宜又好用。即便你得到的建议100%正确，它也未必适合你。

通常来说，绝不要听从任何你不理解的建议。

总结

  • 中国制造商乐鑫（Espressif）推出的ESP32，鉴于其低廉的成本，是一款功能极为强大的设备，非常适合用于制作原型机、一次性产品以及量产设备。
  • 使用C语言为ESP32编程是个绝佳选择，因为它既简洁又高效。
  • ESP-IDF（乐鑫物联网开发框架）支持C语言，其专为构建物联网（IoT）应用而设计，提供了Wi-Fi、蓝牙、电源管理及其他系统功能。
  • 市面上的ESP32开发板种类繁多，让人很难知道从何入手。不过，用于制作这些开发板的ESP32模块数量并不多，而且它们之间的差异也很小。
  • 原版ESP32仍然有售，且价格低于其替代产品ESP32 S3。
  • 从带有全套外露引脚的WROOM-32 ESP32或ESP32 S3开发板入手。
  • 你需要一对原型板和一些原型线。
  • 你还需要一个万用表，最好再配备一台逻辑分析仪。有了这些基本仪器后，你可以根据经济能力添置其他设备。
  • 如果说有一件实验室设备是你确实应该购置的，那就是逻辑分析仪。没有它，你对电路中发生的情况就只能靠猜测。
  • 乐鑫运营着一个活跃的ESP32社区论坛，如果你遇到难题，这里是寻求建议的好地方。不过，对于任何提供的建议，一定要进行评估，通常情况下，除非你理解了，否则不要轻易接受。