ESP8266. Начало работы, особенности

В этом уроке поговорим о микроконтроллере ESP8266 и платах на его основе. Как с ними работать и чем они отличаются от Arduino на базе МК AVR. ESP8266 – китайский микроконтроллер за 2 доллара с большим объемом памяти и WiFi связью на борту. Официальная документация:

Купить на Aliexpress


Дёшево купить Wemos Mini можно тут: ссылка, ссылка, ссылка. Рекомендуется брать версию как слева на картинке выше, на базе полного чипа ESP-12.

Уроки по работе с esp8266


Конкретные уроки по работе с платой и WiFi библиотеками публикуются на сайте набора GyverKIT, так как уроки на этом сайте являются общими по программированию Arduino, без углубления в сторонние библиотеки.

Характеристики


  • Напряжение питания: 3.3V (2.5-3.6V)
  • Ток потребления: 300 мА при запуске и передаче данных, 35 мА во время работы, 80 мА в режиме точки доступа
  • Максимальный ток пина – 12 мА.
  • Flash память (память программы): 1 МБ
  • Flash память (файловое хранилище): 1-16 МБ в зависимости от модификации
  • EEPROM память: до 4 кБ
  • SRAM память: 82 кБ
  • Частота ядра: 80/160 МГц
  • GPIO: 11 пинов
  • ШИМ: 10 пинов
  • Прерывания: 10 пинов
  • АЦП: 1 пин
  • I2C: 1 штука (программный, пины можно назначить любые)
  • I2S: 1 штука
  • SPI: 1 штука
  • UART: 1.5 штуки
  • WiFi связь

Начало работы


Для работы с платами на основе esp8266 нужно установить ядро и драйвер.

  • Идём в Файл/Настройки/Дополнительные ссылки для менеджера плат. Вставляем ссылку https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json.
  • Инструменты/Плата/Менеджер плат…, ищем в поиске esp8266 и устанавливаем. В списке плат появится семейство плат на базе esp8266.
  • На большинстве плат стоит USB конвертер CH340, как на всех китайских Ардуинах. Если вы ещё не устанавливали драйвер – читать здесь.

Настройки платы


Для работы с любой платой (даже самодельной) можно выбрать пункт Generic esp8266, будет доступен полный набор настроек. Для работы с Wemos Mini выбираем LOLIN Wemos D1 R2 mini. Настроек станет меньше, а к пинам платы можно будет обращаться в программе по их подписям на плате (Dn). Основные настройки:

  • Upload speed: скорость загрузки прошивки. Можно смело поднимать до 921600.
  • CPU Frequency: частота тактирования процессора. Для большинства задач хватит стандартных 80 МГц. На 160 МГц будет работать шустрее, но могут быть сбои.
  • Flash Size: распределение памяти, настройка имеет вид xMB (FS:xMB OTA:~xKB). Размер памяти под программу не меняется – это всегда 1 МБ.
    • Первое число: полный объём микросхемы памяти (в основном 4MB, на Wemos и NodeMCU стоят такие).
    • Второе число: объём под файловое хранилище.
    • Третье число: объём под OTA (обновление по воздуху) – всегда меньше 1 МБ.
    • Что выбрать? У Wemos самый ходовой – первый вариант: 4MB (FS:2MB OTA:~1019KB).
  • Flash mode: режим загрузки во Flash память.
    • DOUT: медленный, но совместим со всеми модификациями esp8266.
    • QIO: более быстрый, но будет работать не на всех чипах.
  • Erase Flash: режим очистки памяти.
    • Only Sketch: стереть только программу.
    • Sketch + WiFi Settings: стереть программу и настройки WiFi (логин-пароль последнего подключения и т.д.).
    • All Flash Contents: полностью очистить память.
  • Порт: к какому порту подключена плата.

Нумерация пинов


У самого чипа esp8266 все выводы пронумерованы цифрами. На распиновке они подписаны как GPIOn, где n – номер. На плате (NodeMCU, Wemos Mini) пины подписаны как Dn и эти номера не совпадают с номерами GPIO! При работе например с Wemos можно использовать как нумерацию выводов GPIO (digitalWrite(5, LOW)), так и D-нумерацию пинов на плате (digitalWrite(D1, LOW)) – если выбрана плата Wemos. Новички очень часто в этом путаются, будьте внимательны. Также GPIO1 и GPIO3 подписаны на плате как TX и RX, по этим названиям к ним тоже можно обращаться (digitalWrite(TX, LOW)).

Особенности пинов


У esp8266 много системных пинов, с которыми нужно быть очень внимательным.

  • К целому ряду пинов подключена внешняя Flash память, в общем случае их использовать нельзя (если очень нужно – ищите информацию). На плате NodeMCU визуально гораздо больше пинов, чем на Wemos Mini, но по факту “безопасных” для использования пинов там ровно столько же.
  • С оставшимися пинами тоже не всё гладко: некоторые из них требуют наличия определенного логического уровня на момент включения микроконтроллера (подача питания, перезагрузка), иначе esp не запустится. Вот распиновка с этими пинами и нужным уровнем сигнала при запуске:
  • На плате (NodeMCU, Wemos и других) эти пины уже подтянуты резисторами к нужному напряжению, поэтому нужно несколько раз подумать, что вы к ним подключаете и как оно повлияет на напряжение на пине. Например, можно подключить энкодер, он прижмёт системный пин к GND и esp не запустится.
  • На GPIO16/D0 нельзя подключать прерывания (attachInterrupt()) и включать ШИМ сигнал (analogWrite()).
  • Максимальный ток с GPIO – 12 мА.
  • Светодиод LED_BUILTIN находится на пине GPIO2 и его поведение инвертировано: при подаче LOW он включается и наоборот.
  • При старте контроллера почти все пины делают скачок до высокого уровня, подробнее – в этой статье. Единственными “спокойными” пинами являются D1 (GPIO5) и D2 (GPIO4). Если контроллер управляет напрямую какими-то железками (реле, транзистор, или является “кнопкой” для другого устройства), то лучше использовать именно эти пины!
    • На этих же пинах сидит I2C, но шину можно переназначить на любые другие пины через Wire.begin(sda, scl).

Особенности работы WiFi


WiFi реализован синхронно, его обработчик должен постоянно вызываться во время работы программы не реже, чем каждые 20 мс (если WiFi используется в программе). Обработка WiFi происходит в следующих местах:

  • Автоматически в конце каждой итерации loop()
  • Внутри любого delay()
  • Внутри функции yield()

Если у вас есть участки программы, которые долго выполняются, то нужно разместить вызовы yield() до и после тяжёлых блоков кода. Также в чужих скетчах можно встретить delay(0), по сути это и есть yield().

По тем же причинам не рекомендуется использовать задержку delayMicroseconds() более чем на 20’000 мкс.

Отличия от AVR Arduino

min() и max()


В ядре esp8266 функции min() и max() реализованы как функции, а не как макросы, поэтому должны использоваться с данными одного типа. Использование переменных разного типа приведёт к ошибке компиляции.

map()


В функции map(val, min, max, to min, to max) нет защиты от деления на 0, поэтому если min равен max – микроконтроллер зависнет и перезагрузится. Если min и max задаются какими-то внешними условиями – проверяйте их равенство вручную и исключайте вызов map() с такими аргументами.

Типы данных


  • Тип int является синонимом long (int32_t) и занимает 4 байта. В AVR int это int16_t, то есть 2 байта.
  • Тип double имеет полную двойную точность – 8 байт. В AVR это 4 байта.
  • Указатель занимает 4 байта, так как область памяти тут 32-битная. В AVR – 2 байта.

Функция analogRead()


ESP8266 имеет крайне убогий одноканальный АЦП.

  • Сам АЦП в esp8266 может измерять напряжение в диапазоне 0.. 1.0V. На платах (NodeMCU, Wemos Mini) стоит делитель напряжения, который расширяет диапазон до более удобных 3.3V.
  • Частый вызов analogRead() замедляет работу WiFi. При вызовах чаще нескольких миллисекунд WiFi полностью перестаёт работать.
  • Результат analogRead() имеет кеширование до 5 мс, то есть полученные данные могут запаздывать на это время.
  • АЦП может использоваться для измерения напряжения питания МК: для этого нужно вызвать ADC_MODE(ADC_VCC); до void setup(), а само напряжение питания можно получить из ESP.getVcc().

Функция analogWrite()


  • Работает на всех пинах, кроме GPIO16.
  • Разрядность ШИМ по умолчанию 8 бит (0.. 255) на версиях ядра 3.x. На ранних версиях – 10 бит (0.. 1023). Скажем спасибо индусам за совместимость.
    • Разрядность можно настроить в analogWriteResolution(4...16 бит).
  • Частота ШИМ по умолчанию 1 кГц.
    • Частоту можно настроить в analogWriteFreq(100.. 40000 Гц).
  • ШИМ реализован программно, поэтому на повышенной частоте и разрядности будет тормозить выполнение программы!

Аппаратные прерывания


  • Настраиваются точно так же, через attachInterrupt().
  • Работают на всех пинах, кроме GPIO16.
  • Функция-обработчик должна быть объявлена с атрибутом IRAM_ATTR:
    void setup() {
      attachInterrupt(1, myIsr, RISING);
    }
    
    IRAM_ATTR void myIsr() {
    }

    Либо с ICACHE_RAM_ATTR (на старых версиях ядра), вот так:

    void ICACHE_RAM_ATTR myIsr() {
    }
    
    void setup() {
      attachInterrupt(1, myIsr, RISING);
    }
  • В обработчике нельзя использовать динамическое выделение и перераспределение памяти (new, malloc, realloc), соответственно менять String-строки тоже нельзя.
  • В прерывании нельзя использовать задержки.

Функция yield()


В реализации esp8266 функция yield() выполняет другую задачу и использовать её как на AVR не получится. Скажем спасибо индусам за совместимость

EEPROM


EEPROM в esp8266 является эмуляцией из Flash памяти, поэтому мы можем выбрать нужный размер.

  • Перед началом работы нужно вызвать EEPROM.begin(4.. 4096) с указанием размера области памяти в байтах.
  • Для применения изменений в памяти нужно вызвать EEPROM.commit().

В остальном работа с библиотекой EEPROM.h ничем не отличается.

Serial (UART)


  • В отличие от реализации для AVR, можно изменить размер буфера на приём: Serial.setRxBufferSize(размер) в байтах. Вызывать перед Serial.begin(), по умолчанию 256 байт.
  • Можно настроить работу только на приём или только на отправку для освобождения пина: Serial.begin(скорость, SERIAL_8N1, режим), где режим:
    • SERIAL_TX_ONLY – только отправка
    • SERIAL_RX_ONLY – только приём
    • SERIAL_FULL – приём и отправка (по умолчанию)
  • Можно перенести Serial на другие пины при помощи Serial.swap(), вызывать после Serial.begin(). Пины переместятся на GPIO15/D8 (TX) и GPIO13/D7 (RX). Если вызвать ещё раз – переместятся обратно на GPIO1 (TX) и GPIO3 (RX). И так по кругу.
  • У esp8266 есть второй аппаратный UART, но его приёмная нога (RX) занята одним из пинов для работы с памятью и не выведена на плате Wemos Mini. Нога TX находится на GPIO2/D4, то есть можно работать только на отправку, но на практике и это может пригодиться. В программе просто работаем с объектом Serial1, настроив его только на отправку.

Полезные страницы


  • Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макросы, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
  • Поддержать автора за работу над уроками
  • Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту (alex@alexgyver.ru)
5/5 - (35 голосов)
Вперёд Digispark. Начало работы, особенности
Подписаться
Уведомить о
guest
26 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии