Обзор платы NodeMCU ESP8266 и ее использование в Arduino IDE

Интернет вещей (IoT) является одной из самых популярных областей в мире технологий. Физические объекты и цифровой мир связаны сейчас как никогда. Помня об этом, компания Espressif Systems (шанхайская компания по производству полупроводниковых устройств) выпустила крутой микроконтроллер с поддержкой Wi-Fi, ESP8266, по невероятной цене! С помощью него менее чем за 3 доллара можно контролировать и управлять устройством из любой точки мира – идеально подходит практически для любого проекта IoT.

Модуль ESP-12E

Отладочная плата оснащена модулем ESP-12E, содержащим микросхему ESP8266 с RISC микропроцессором Tensilica Xtensa® 32-bit LX106, который работает с регулируемой тактовой частотой от 80 до 160 МГц и поддерживает RTOS.

Характеристики ESP-12E

• 32-разрядный LX106 от Tensilica Xtensa®
• Тактовая частота от 80 до 160 МГц
• 128 КБ встроенной оперативной памяти
• 4 МБ внешней внешней флеш-памяти
• Приемопередатчик Wi-Fi 802.11b/g/n

Также данный модуль имеет 128 КБ ОЗУ и 4 МБ флеш-памяти (для хранения программ и данных), достаточных, чтобы справиться с большими строками, которые составляют веб-страницы, данными в JSON/XML и всем, что мы сегодня добавляем на устройства IoT.

ESP8266 содержит встроенный приемопередатчик Wi-Fi 802.11b/g/n HT40, поэтому он может не только подключаться к сети Wi-Fi и взаимодействовать с интернетом, но и устанавливать собственную сеть, позволяя другим устройствам подключаться напрямую к нему. Это делает ESP8266 NodeMCU еще более универсальным.

Требования к питанию

Поскольку диапазон рабочего напряжения ESP8266 составляет от 3 В до 3,6 В, данная плата для поддержания постоянного напряжения на уровне 3,3 В поставляется с LDO стабилизатором напряжения. Он может надежно обеспечивать ток до 600 мА, чего должно быть более чем достаточно, поскольку ESP8266 во время радиочастотных передач потребляет до 80 мА. Выход стабилизатора также выводится на выводы на сторонах платы и обозначен как 3V3. Эти выводы можно использовать для подачи питания на внешние компоненты.

Требования к питанию

• Рабочее напряжение: от 2,5 до 3,6 В
• Встроенный стабилизатор: 3,3 В, 600 мА
• Рабочий ток: 80 мА
• Потребление в спящем режиме: 20 мкА

Питание к ESP8266 NodeMCU подается через встроенный USB-разъем MicroB. В качестве альтернативы, если у вас есть стабилизированный источник напряжения 5 В, можно использовать вывод VIN для непосредственного питания ESP8266 и его периферии.

Периферия и ввод/вывод

ESP8266 NodeMCU имеет в общей сложности 17 выводов GPIO, выведенных на разъемы с обеих сторон отладочной платы. Эти выводы могут использоваться для выполнения различных периферийных задач, в том числе:

• вход АЦП – канал 10-разрядного АЦП;
• интерфейс UART – интерфейс UART используется для загрузки кода по последовательной связи;
• выходы ШИМ – выводы ШИМ могут использоваться для регулировки яркости светодиодов или управления двигателями;
• интерфейсы SPI, I2C – интерфейсы используются SPI и I2C для подключения всевозможных датчиков и периферийных устройств;
• интерфейс I2S – интерфейс I2S используется для цифровой передачи звука.

Мультиплексируемые выводы ввода/вывода

• 1 канал АЦП
• 2 интерфейса UART
• 4 выхода ШИМ
• Интерфейсы SPI, I2C и I2S

В ESP8266 используется функция мультиплексирования выводов (несколько периферийных устройств мультиплексируются на один вывод GPIO). Это означает, что один вывод GPIO может действовать как PWM/UART/SPI.

Кнопки и светодиодный индикатор на плате

На плате ESP8266 NodeMCU находятся две кнопки. Одна из них, помеченная как RST, расположенная в верхнем левом углу, представляет собой кнопку сброса, которая, конечно же, используется для сброса микросхемы ESP8266. Другая кнопка, FLASH, в левом нижнем углу – это кнопка загрузки, используемая при обновлении прошивки.

Кнопки и индикаторы

• RST – сброс чипа ESP8266
• FLASH – загрузка новой программы
• Синий светодиод - программируется пользователем

На плате также имеется светодиодный индикатор, который программируется пользователем и подключен к выводу D0 платы.

Последовательная связь

На плате установлен контроллер USB-UART CP2102 от Silicon Labs, который преобразует USB сигнал в сигнал последовательного порта и позволяет компьютеру программировать и взаимодействовать с микросхемой ESP8266.

Последовательная связь

• USB-UART преобразователь CP2102
• Скорость связи 4,5 Мбит/с
• Поддержка управления потоком

Если на вашем компьютере установлена старая версия драйвера CP2102, рекомендуем выполнить обновление прямо сейчас.

Распиновка ESP8266 NodeMCU

С внешним миром ESP8266 NodeMCU соединяют всего 30 выводов. Ниже показана распиновка отладочной платы.

Для простоты мы сгруппируем выводы с аналогичными функциями.

Выводы питания – на плате расположено четыре вывода питания, а именно: один вывод VIN и три вывода 3.3V. Если у вас есть стабилизированный источник напряжения 5 В, вывод VIN можно использовать для непосредственного питания ESP8266 и его периферии. Выводы 3.3V – это выходы встроенного стабилизатора напряжения. Эти выводы могут использоваться для подачи питания на внешние компоненты.

GND – это вывод земли отладочной платы ESP8266 NodeMCU.

Выводы I2C используются для подключения всех видов датчиков и периферийных устройств на шине I2C в вашем проекте. Поддерживаются и I2C Master, и I2C Slave. Работа интерфейса I2C может быть реализована программно, а тактовая частота составляет максимум 100 кГц. Следует отметить, что тактовая частота I2C должна быть выше самой низкой тактовой частоты из ведомых устройств.

Выводы GPIO На ESP8266 NodeMCU имеется 17 выводов GPIO, которые можно назначать программно на различные функции, такие как I2C, I2S, UART, PWM, дистанционное инфракрасное управление, светодиодный индикатор и кнопка. Каждый включенный вывод GPIO может быть настроен либо на внутреннюю подтяжку к земле или к шине питания, либо установлен на высокоимпедансное состояние. При конфигурировании на вход для генерирования прерываний процессора он может быть настроен на срабатывание либо по фронту, либо по спаду.

Вывод ADC подает сигнал на имеющийся в NodeMCU, встроенный 10-разрядный прецизионный аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR ADC). С помощью этого АЦП могут быть реализованы две функции: проверка напряжения питания на выводе VDD3P3 и проверка входного напряжения на выводе TOUT (но не одновременно).

Выводы UART ESP8266 NodeMCU имеет 2 интерфейса UART, то есть UART0 и UART1, которые обеспечивают асинхронную связь (RS232 и RS485) и могут обмениваться данными со скоростью до 4,5 Мбит/с. Для связи можно использовать UART0 (выводы TXD0, RXD0, RST0 и CTS0), который поддерживает управление потоком. UART1 (вывод TXD1) поддерживает только сигнал передачи данных, поэтому он обычно используется для печати журнала событий.

Выводы SPI ESP8266 имеет два интерфейса SPI (SPI и HSPI), поддерживающих и ведомый (slave), и ведущий (master) режимы. Эти интерфейсы SPI также поддерживают следующие функции SPI:

• 4 режима синхронизации передачи SPI;
• до 80 МГц и тактовые частоты, полученные делением 80 МГц;
• до 64 байт FIFO.

Выводы SDIO ESP8266 имеет защищенный цифровой интерфейс ввода/вывода (SDIO, Secure Digital Input/Output Interface), который используется для прямого подключения карт SD. Поддерживаются 4-битный 25 МГц SDIO v1.1 и 4-битный 50 МГц SDIO v2.0.

Выводы PWM На плате имеется 4 канала широтно-импульсной модуляции (PWM). Выход ШИМ может быть реализован программно и использован для управления двигателями и светодиодами. Частотный диапазон ШИМ регулируется от 1000 мкс до 10000 мкс, то есть от 100 Гц до 1 кГц.

Выводы управления используются, как ни странно, для управления ESP8266. Эти выводы включают в себя вывод включения микросхемы EN, вывод сброса RST и вывод пробуждения WAKE.

• Вывод EN – микросхема ESP8266 включена, когда на вывод EN подается высокий логический уровень. При низком логическом уровне микросхема работает на минимальной мощности.
• Вывод RST используется для сброса микросхемы ESP8266.
• Вывод WAKE используется для вывода чипа из глубокого сна.

Платформы разработки для ESP8266

Теперь перейдем к интересным вещам!

Существует множество платформ разработки, которые могут быть оснащены для программирования ESP8266. Вы можете использовать Espruino – JavaScript SDK и прошивка, эмулирующая Node.js, или использовать Mongoose OS – операционную систему для устройств IoT (рекомендуемая платформа от Espressif Systems и Google Cloud IoT), или использовать комплект разработки программного обеспечения (SDK), предоставляемый Espressif. или любую из платформ, перечисленных на Википедии.

К счастью, крутое сообщество ESP8266 сделало выбор IDE на шаг вперед, создав дополнение к Arduino IDE. Если вы только начинаете программировать для ESP8266, мы рекомендуем начать с этой среды разработки, и ее мы опишем в данном руководстве.

Это дополнение ESP8266 для Arduino IDE основано на работе Ивана Грохоткова и остальной части сообщества ESP8266. Для получения дополнительной информации смотрите репозиторий GitHub ESP8266 Arduino.

Установка ядра ESP8266 на ОС Windows

Давайте приступим к установке ядра ESP8266 Arduino.

Во-первых, на вашем компьютере должна быть установлена последняя версия Arduino IDE (Arduino 1.6.4 или выше). Если у вас ее нет, рекомендуем сейчас обновиться.

Для начала нам нужно обновить менеджер плат с помощью пользовательского URL. Откройте Arduino IDE и выберите Файл → Настройки. Затем скопируйте приведенный ниже URL в текстовое поле Дополнительные ссылки для менеджера плат, расположенное в нижней части окна:

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Отлично. Затем перейдите к Менеджеру плат, выбрав Инструменты → Платы → Менеджер плат. Там, в дополнение к стандартным платам Arduino, должна быть пара новых записей. Отфильтруйте результаты поиска, введя esp8266. Нажмите на эту запись и выберите Установить.

Определения и инструменты для платы ESP8266 включают в себя полностью новый набор gcc, g++ и других достаточно больших скомпилированных двоичных файлов, поэтому загрузка и установка могут занять несколько минут (заархивированный файл весит ~110 МБ). После завершения установки рядом с записью появится надпись INSTALLED. Теперь можно закрыть менеджер плат.

Пример Arduino: мигалка

Чтобы убедиться, что ядро ESP8266 Arduino и NodeMCU правильно настроены, мы загрузим самый простой скетч – The Blink!

Для этого теста мы будем использовать встроенный светодиод. Как упоминалось ранее в этом руководстве, вывод платы D0 подключен к встроенному синему светодиоду и программируется пользователем. Отлично!

Прежде чем мы перейдем к загрузке скетча и игре со светодиодом, мы должны убедиться, что в Arduino IDE выбрана правильная плата. Откройте Arduino IDE и выберите пункт NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module) в меню Инструменты → Плата.

Теперь подключите ESP8266 NodeMCU к компьютеру через USB-кабель micro-B. Как только плата будет подключена, ей должен быть назначен уникальный COM-порт. На компьютерах с Windows это будет что-то вроде COM#, а на компьютерах Mac/Linux он будет в виде /dev/tty.usbserial-XXXXXX. Выберите этот последовательный порт в меню Инструменты → Порт. Также выберите скорость загрузки: 115200

После выполнения всех настроек попробуйте пример скетча, приведенного ниже.

void setup()
{
	pinMode(D0, OUTPUT);
}
void loop()
{
	digitalWrite(D0, HIGH);
	delay(500);
	digitalWrite(D0, LOW);
	delay(500);
}

После загрузки кода светодиод начнет мигать. Возможно, чтобы ваш ESP8266 начал работать со скетчем, вам придется нажать кнопку RST.

Теги