ESP32 pinout: ещё раз о GPIO & pаспределяем выводы с помощью excel

Добрый день, уважаемый читатель!

Я уже кратко писал о модулях ESP32, платах на их основе, и о том какие выводы можно либо нельзя использовать и почему. Сегодня я хочу немного продолжить данную тему, а конкретно – ещё раз пройтись по теме допустимых к использованию выводов GPIO. Речь в данной статье будет идти про распиновку популярной платы ESP32 DevKitC V4 для модификаций WROOM или WROVER, с печатной антенной или с внешней. Но вы можете использовать эту статью и для других плат / модификаций, так как подход везде один и тот же, разве что некоторые GPIO могут быть уже использованы для каких-то встроенных целей.

А заодно хочу предложить вам очень удобный способ распределения выводов ESP32 при старте очередного проекта с помощью Excel.

Я давно уже использовал подобный файл, но сегодня решил его “довести до ума”. Скачать его можно будет по ссылке в конце статьи. Для начала напомню, какие выводы можно использовать в своих проектах.

---

Выводы питания

VIN — контакт для подключения внешнего источника питания 5V. На плате установлен типовой стабилизатор AMS1117-3.3, который позволяет подавать на плату питание в широком диапазоне от 5 до 10 V, но без дополнительного охлаждения возможен его перегрев, так что не увлекайтесь.

3.3V – контакт, на который подается выходное напряжение внутрисхемного стабилизатора. Его можно использовать для питания подключаемых к плате датчиков, но сильно мощную нагрузку лучше запитать от отдельного стабилизатора.

---

GPIO

GPIO (General Purpose Input & Output) — контакты ввода/вывода общего назначения. Могут быть сконфигурированы как входы или выходы и программно назначены на различные функции. Максимальный ток, который вы можете пропустить через GPIO, составляет 40 мА при высоком уровне (и 28 мА при низком уровне), но при сбросе контроллера по умолчанию настроено ограничение на более низкий ток.

Чисто теоретически, все выводы (кроме земли, питания и сброса, разумеется), могут быть сконфигурированы как GPIO через IO_MUX (например режим 2 в таблице ниже).

Но на плате ESP32 DevKit часть выводов модуля уже занята под служебные надобности.

Выводы, которые нельзя использовать в проектах

• GPIO 1 и GPIO 3 заняты основным ( programable ) портом UART0
• GPIO 6-11 (D0, D1, D2, D3, SCK, CMD) заняты внешней FLASH-памятью, подключенной внутри модуля к чипу
• Примечание: GPIO 16 и GPIO 17 на модулях WROVER заняты под интерфейс внешней QSPI оперативной памяти. Но на платах с WROOM вы можете использовать их совершенно свободно.

Использование UART0 возможно только в тех случаях, когда на плате нет встроенного преобразователя интерфейса TTL <-> USB. Выводы GPIO6-11 нельзя использовать вообще.

Выводы, которые следует использовать с особой осторожностью

Некоторые выводы используются как так называемые “Пины обвязки” или Stapping pins. Что это означает. При сбросе микроконтроллера процессор считывает логические уровни на этих выводах и по ним определяет некоторые режимы работы.

Поэтому физическая подтяжка этих выводов к земле или питанию (в том числе и через переходы транзисторов и оптронов управления нагрузкой) настоятельно не рекомендуется. Хотя после выхода “в режим” вы можете использовать их как вам заблагорассудится. В частности поэтому иногда платы “не прошиваются” автоматически и требуется удерживать кнопку прошивки на плате.

Давайте ещё раз перечислим эти выводы:

• GPIO 0 – при низком уровне на этом выводе при старте MCU процессор “понимает”, что нужно ждать на UART0 поток двоичных данных для записи прошивки на FLASH. То есть низкий уровень переводит плату в режим прошивки через UART0. При высоком уровне (по умолчанию) плата стартует как обычно. Поэтому отсюда вывод, как перевести любую плату в режим прошивки (даже без автоматической схемы с DTR) – зажимаете одновременно RESET (EN) и PROG, а затем отпускаете вначале RESET и только после этого PROG. Если вы подтяните этот вывод к “земле” резистором или оптроном, то ваш контроллер просто не сможет нормально запуститься, не делайте этого.
• GPIO 2 – для входа в режим прошивки, кроме низкого уровня на GPIO0, необходимо обеспечить низкий уровень и на GPIO2. По умолчанию на нем и так уже низкий уровень, так что просто не подтягивайте его к питанию.
• GPIO 5 используется для управления внешней flash-памятью, подключенной внутри модуля к чипу – “Timing of SDIO Slave”. По умолчанию на нем высокий уровень. Изменение уровня при старте системы может нарушить работу flash-памяти.
• GPIO 12 управляет напряжением питания внешней flash-памяти. Если при сбросе MCU на нём установлен высокий уровень, напряжение флэш-памяти (VDD_SDIO) составляет 1,8 В вместо 3,3 В по умолчанию. Это может препятствовать прошивке и загрузке, если в модуле используется флэш-память 3,3 В, а этот контакт вытянут на высокий уровень, что приводит к физическому отключению флэш-памяти по питанию. И наоборот, при использовании низковольтной памяти можно её сжечь установкой неправильного уровня при старте. На ESP32 DevKit v4 имеет внутреннюю слабую подтяжку к земле, то есть делаем вывод что используется память с напряжением питания 3,3В.
• GPIO 15 управляет отладочными сообщениями при запуске микроконтроллера. Если задано значение “0“, отключаются загрузочные сообщения, распечатываемые загрузчиком. Имеет внутреннюю слабую подтяжку к питанию, поэтому по умолчанию на данном выводе будет высокий уровень. Не сильно критично для запуска, так что этот вывод вполне можно использовать в своих целях, но нужно учитывать, что “по умолчанию” он подтянут к питанию с помощью внутренней слабой подтяжки (~50kOm).

В связи с этим может возникнуть вопрос: можно ли использовать перечисленные выше GPIO в своих проектах? Ответ: можно, если осторожно, пример разумного использования данных GPIO можно найти в этом проекте.

Выводы, которые могут изменять уровень при загрузке

Некоторые GPIO изменяют свое состояние или выводят ШИМ-сигналы при загрузке или сбросе:

• GPIO 1
• GPIO 3
• GPIO 5
• GPIO 14
• GPIO 15

Это означает, что если у вас есть выходы, подключенные к этим GPIO, вы можете получить неожиданные включения / отключения нагрузки при перезагрузке или загрузке ESP32.

Выводы только для работы на вход

GPIO 34-39 являются GPI – “только вход”. Эти контакты не имеют внутренних подтягивающих резисторов, а также не могут быть использованы как выходы.

Прерывания

Все выводы GPIO могут быть настроены для генерации прерываний. Об этом я уже писал на данном сайте: Обработка прерываний GPIO на ESP32

---

ADC / Аналого-цифровой преобразователь

ESP32 имеет на борту 2 входных канала АЦП 12 бит. GPIO, которые можно использовать в качестве АЦП:

• ADC1_CH0 (GPIO 36)
• ADC1_CH1 (GPIO 37, на плате не выведен)
• ADC1_CH2 (GPIO 38, на плате не выведен)
• ADC1_CH3 (GPIO 39)
• ADC1_CH4 (GPIO 32)
• ADC1_CH5 (GPIO 33)
• ADC1_CH6 (GPIO 34)
• ADC1_CH7 (GPIO 35)
• ADC2_CH0 (GPIO 4)
• ADC2_CH1 (GPIO 0)
• ADC2_CH2 (GPIO 2)
• ADC2_CH3 (GPIO 15)
• ADC2_CH4 (GPIO 13)
• ADC2_CH5 (GPIO 12)
• ADC2_CH6 (GPIO 14)
• ADC2_CH7 (GPIO 27)
• ADC2_CH8 (GPIO 25)
• ADC2_CH9 (GPIO 26)

Вроде бы входов ADC и много, но тут есть довольно большая засада: канал ADC2 нельзя использовать при использовании Wi-Fi. А поскольку WiFi – это то, из-за чего этот чип, собственно, обычно и покупается, то канала ADC2 мы лишены “по умолчанию”.

Входные каналы АЦП имеют разрешение 12 бит. Это означает, что вы можете преобразовать аналоговое напряжение в цифровое в диапазоне от 0 до 4095, в которых 0 соответствует 0 В, а 4095 – максимальному напряжению, определяемому аттенюатором, который имеет 4 значения:

• ADC_ATTEN_DB_0 – входное ослабление отсутствует, АЦП может измерять приблизительно до 800 мВ
• ADC_ATTEN_DB_2_5 – входное напряжение АЦП будет ослаблено на 2,5 дБ, диапазон измерения примерно до 1,33 В
• ADC_ATTEN_DB_6 – входное напряжение АЦП будет ослаблено на 6 дБ, диапазон измерения примерно до 2 В
• ADC_ATTEN_DB_11 – входное напряжение АЦП будет ослаблено на 11 дБ, диапазон измерения примерно до 3,55 В

К сожалению АЦП ESP32 работают довольно не линейно, особенно на краях диапазона, и это следует учитывать. По сети “гуляет” примерный график получаемых значений в зависимости от напряжения:

 

Так что если вам требуется большая точность и линейность – используйте внешние I2C преобразователи.

---

DAC / Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

На ESP32 также имеются два 8-битных канала ЦАП для преобразования цифровых сигналов в аналоговые выходные сигналы напряжения:

• DAC1 (GPIO25)
• DAC2 (GPIO26)

Я до сих пор не удосужился ими воспользоваться.

---

PWM / ШИМ модулятор

ШИМ-модулятор ESP32 имеет 16 независимых каналов, которые можно настроить для генерации ШИМ-сигналов с различными свойствами. Все выводы, которые могут выступать в качестве выходов, могут использоваться в качестве выводов PWM (то есть GPIO с 34 по 39 не могут генерировать ШИМ). Например с помощью PWM можно легко заставить звучать обычный пассивный зуммер или динамик. Для генерации ШИМ-сигнала необходимо в программе задать частоту сигнала, скважность, выбрать ШИМ-канал, а также GPIO, на котором вы хотите вывести сигнал.

---

RTC / Ядро низкого энергопотребления

ESP32 имеет сопроцессор с ультранизким энергопотреблением (Ultra Low Power — ULP). Выводы RTC GPIO, перенаправленные в подсистему с низким энергопотреблением, могут использоваться для выхода ESP32 из глубокого сна при работе сопроцессора (ULP). В качестве RTC могут быть использованы большинство GPIO общего назначения после соответствующей программной настройки.

---

TOUCH / Сенсорные кнопки

Некоторые GPIO можно использовать как контакты ёмкостных сенсорных датчиков. Реагируют не изменение ёмкости в электрической цепи вывода, вызванное прикосновением пальца к соответствующему контакту. Эти контакты могут заменять механические кнопки. TOUCH-контакты также могут служить источником пробуждения ESP32 из энергосберегающих режимов.

---

Шины обмена данными

ESP32 поддерживает несколько типов шин для “физического” обмена данными между цифровыми устройствами:

• UART / RS232 / RS485 – до трех экземпляров одновременно
• I2C – до двух экземпляров одновременно на любых выводах GPIO
• SPI – до четырех экземпляров одновременно на любых выводах GPIO

Следует только учитывать, что всё это богатство возможностей имеется только при программировании из-под legacy фреймворка ESP-IDF, а под Arduino количество доступных шин ограничено средой разработки и выводы могут быть фиксированными.

---

Встроенный датчик Холла

ESP32 также имеет встроенный датчик Холла, который обнаруживает изменения магнитного поля в окружающей среде. Чтобы его задействовать, используются GPI SENSOR_VN (39) и SENSOR_VP (36).

---

EXCEL файл для подготовки проекта

Теперь мы с вами подошли к самой главной цели статьи. Когда периферии (входов, реле, датчиков) к микроконтроллеру подключается много – запутаться очень легко, особенно поначалу. Конечно, есть множество картинок pinout-ов, но постоянно переключаться между Sprint Layout и рисунком – то ещё удовольствие.

 

Дабы не держать в голове все эти детали и номера выводов, я уже давно сделал себе простенький excel-файлик, в котором отразил все самые существенные моменты. Используя этот файл, легко и непринужденно можно учесть все “тонкие моменты.

Однако в последнее время я усовершенствовал этот файл, добавил “учёт” strapping pins и он стал ещё удобнее:

Скачать его вы можете с моего GitHub. Он рассчитан под плату ESP32 DevKitC V4 ( NodeMCU ), так как чаще всего я использую именно их, но вы можете переделать его под свои нужды.

Как этим файлом пользоваться?

• Столбец “№ вывода” (ближайший к рисунку платы) обозначает номер вывода модуля, а не номер GPIO. Это удобно, если в дальнейшем вы будете использовать “чистый” модуль
• Столбец “Обозначение” – это и есть собственно обозначение вывода на плате. Ничего особенного.
• Столбец “ADC” сообщает, можно ли использовать этот вывод для измерения аналогового напряжения и номер канала ADC.
• Столбец “Pull EXT” содержит информацию о том, можно ли подтягивать вывод к питанию или земле внешними резисторами или другими деталями (не забывайте о том, что светодиод, оптрон и переход биполярного транзистора для MCU по сути та же самая подтяжка). Если стоит “+”, то можно. Если стоит “x”, то нельзя. Если указано “D” – можно подтянуть к земле, но не к питанию.
• Столбец “Pull INТ” обозначает, можно ли настроить внутреннюю слабую подтяжку ESP32. Если вместо “+” – то можно, и по умолчанию подтяжки нет. Если указано “х” – то нельзя (для выводов GIO 34-39). В случае, если указана буква, то это означает, что по умолчанию подтяжка уже включена – “D” (Weak Pull Down) или “U” (Weak Pull Up).
• Столбец “Выход” содержит информацию о том, можно ли использовать этот вывод “на выход”, то есть для управления устройствами. В случае зеленого “+” вы можете делать это произвольным образом (с учетом тока до 40мА). В случае “х” вывод на выход использовать никак невозможно. Если в данной ячейке стоит “!”, то в принципе можно, но только если осторожно. То есть нельзя изменять нагрузкой логический уровень на выводе в момент его сброса. В случае красного “+” следует учитывать, что в момент сброса состояние выхода может измениться, и нагрузка будет переключена.
• Столбец “Вход” – то же самое, но для считывания логических уровней со входа. То есть для кнопок и различных датчиков. Принципы обозначения те же самые, что и в предыдущем случае.
• В столбце “Функция” указана типовая функция вывода в Arduino.
• Столбец “Назначение в проекте” вы можете использовать для обозначения того, что будет подключено к плате или модулю в вашем проекте.

---

На этом пока всё, до встречи на сайте и на telegram-канале! 

💠 Полный архив статей вы найдете здесь