ESP32 개발 환경

공부하자·2022년 9월 13일

임베디드시스템

임베디드시스템실험

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ESP32 이해

ESP32 SoC 이해

ESP32 SoC 란?
- ESPRESSIF 사에서 Xtensa Silicon IP를 도입하여 설계하여 판매하는 SoC 제품
- https://www.espressif.com/en/products/socs/esp32
ESP32 SoC 특징
- ESP32는 소형 IoT기기에 탑재하기 위한 무선 통신 컨트롤러 장치
- Wi-Fi와 Bluetooth가 통합된 SoC모듈
- 주로 모바일, 웨어러블 디바이스 및 IoT통신 제품에 탑재하기 위해 설계됨
HW spec.
- Processor : Xtensa® single-/dual-core 32-bit LX6 microprocessor(s),
  up to 600 MIPS (200 MIPS for ESP32-S0WD, 400 MIPS for ESP32-D2WD)
- Memory: 448 KB ROM, 520 KB SRAM, 16 KB SRAM in RTC
- 2.4 GHz Wi-Fi & Bluetooth
- Peripherals : Capacitive touch sensors, Hall sensor, SD card interface, Ethernet, high-speed SPI, UART, I2S and I2C
- Ultra-low-power

ESP32 SoC

소형 IoT기기에 탑재하기 위한 무선 통신 컨트롤러 장치

Wi-Fi와 Bluetooth 통합

모바일, 웨어러블 디바이스 및 IoT 통신 제품에 탑재

ESP32 SoC 구조

단일 칩으로 구성
- 칩 내부에 CPU를 비롯한 네트워크 및 IO 디바이스 Integration

단일 칩 구성

ESP32 : CPU & On-Chip Memory

CPU(Processor)
- Xtensa® single-/dual-core 32-bit LX6 microprocessor(s)
- up to 600 MIPS (200 MIPS for ESP32-S0WD, 400 MIPS for ESP32-D2WD)
On-Chip Memory
- 448 KB ROM
- 520 KB SRAM
- 16 KB SRAM in RTC
- ESP32-D0WDR2-V3 provides 2 MB PSRAM

ESP32: WiFi

802.11 b/g/n
802.11 n (2.4 GHz), up to 150 Mbps
WMM
TX/RX A-MPDU, RX A-MSDU
Immediate Block ACK
Defragmentation
Automatic Beacon monitoring (hardware TSF)
4 × virtual Wi-Fi interfaces
Antenna diversity

802.11 b/g/n (무선랜)

ESP32: Bluetooth

Bluetooth v4.2, BLE
Class-1, Class-2, Class-3
+12 dBm transmitting power
NZIF receiver with –97 dBm BLE sensitivity
Adaptive Frequency Hopping (AFH)
Standard HCI based on SDIO/SPI/UART
High-speed UART HCI, up to 4 Mbps
Bluetooth 4.2 BR/EDR BLE dual mode controller
Synchronous Connection-Oriented/Extended (SCO/eSCO)
CVSD and SBC for audio codec
Bluetooth Piconet and Scatternet
Multi-connections in Classic BT and BLE
Simultaneous advertising and scanning

ESP32: Peripheral

34 × programmable GPIOs
12-bit SAR ADC up to 18 channels
2 × 8-bit DAC
10 × touch sensors
4 × SPI
2 × I²S
2 × I²C
3 × UART
1 host (SD/eMMC/SDIO)
1 slave (SDIO/SPI)
Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support
CAN 2.0
IR (TX/RX)
Motor PWM
LED PWM up to 16 channels
Hall sensor

ESP32: Security

Secure boot
Flash encryption
1024-bit OTP, up to 768-bit for customers
Cryptographic hardware acceleration (AES, Hash, RSA, ECC)
Random Number Generator (RNG)

ESP32: RTC & Low Power Management

RTC (Real Time Clock)
PMU (Power Management Unit)
- Active, Sleep mode 제어
ULP(Ultra Low Power) co-processor
- ULP RISC-V co-processor
- ULP FSM co-processor

ESP32 모듈

ESP32 SoC를 이용하여 사용자가 사용하기 쉽게 모듈화 설계
- ESP32 SoC와 외부 연결이 용이하도록 설계
- WiFi/BT RF 특성 튜닝 된 안테나 제공

ESP32 WROOM
- 2.4 GHz Wi-Fi + Bluetooth® + Bluetooth LE module
- Built ESP32 series of SoCs, Xtensa® dual-core 32-bit LX6 microprocessor 4/8/16 MB flash
- 26 GPIOs, rich set of peripherals
- On-board PCB antenna or external antenna connector

ESP32-WROVER
- ESP32 + SPI PSRAM
- Higher level application

ESP32-WROOM

ESP32를 이용한 임베디드 보드 개발시 대부분 ESP32 모듈 사용
ESP32 모듈 사용시 장점
- 즉시 제품화 가능하도록 대부분의 하드웨어 설계 완료 됨
  - 일부 필요한 센서 등 IO 장치만 추가로 설계하여 사용 가능
- WiFi/BT 안테나 회로 구현
  - 별도로 안테나 성능을 높이기 위한 RF 설계 불필요
  - 제품화에 필요한 RF 인증시험 완료된 모듈 사용하여 제품화 용이
ESP32-WROOM

ESP32 보드 개발 -> 대부분 ESP32 모듈 사용
즉시 제품화 가능
WiFi/BT RF 설계 불필요

ESP32-WROOM 모듈의 I/O interface는 제공된 datasheet을 통하여 확인 가능
- esp32-wroom-32d_esp32-wroom-32u_datasheet_en.pdf

ESP32-WROOM : Pin Description

Kepler-ESP A Board

Overview

Kepler-ESP A의 주요 구성은 ESP32 프로세서가 탑재된 메인 보드 1종, 센서 보드 1종, 인터페이스 보드 2종, 릴레이 보드 1종과 다양한 센서 모듈로 구성

Main board layout

Block Diagram

회로 : ESP32-WROOM

제공된 schematic(회로도)을 이용하여 회로 설계 내용 확인
- KEPLER-ESP-A_DUAL_BLUE_3.0V.pdf
ESP32-WROOM 모듈을 이용한 회로도 설계
- 모듈의 I/O interface는 제공된 datasheet을 통하여 확인 가능
- esp32-wroom-32d_esp32-wroom 32u_datasheet_en.pdf

회로 : Power

Power
- 동작 전압범위는 2.3V~3.6V
- 단일 전원 공급 장치 사용할 경우 권장 전압은 3.3V, 500mA이상
전원 공급
- 2개의 USB장치(USB1, USB2)중 하나를 통해 공급이 가능
- 기본적으로 USB1(Debug USB)장치를 통해 전원입력 및 UART 통신
- 소비전력이 큰 경우(약 500mA이상) USB2에 별도의 USB Adapter(1000mA이상)를 이용
전원 공급 회로
- USB장치에서 공급받은 5V전원은 레귤레이터(Regulator)를 통해 3.3V 전원 생성
- 외부확장인터페이스(Connector Interface)의 경우 3.3V~5V전압의 입출력장치를 연결하기 위해서 Power Enable된 5V전압을 확장인터페이스로 인가

확인하기

회로 : Debug (USB/UART)

USB/UART I/F (USB1)
- Power USB, Debug USB(Power겸용)로 구성
Debug USB / UART0
- USB to UART(FT232)장치를 통해 RS232통신 규격 제공
- ESP32의 UART0포트를 통해 데이터 신호 입출력
- RTS(request To Send)와 DTR(Data Terminal Ready)을 통한 하드웨어 통신제어

회로 : Blink LED/RGB LED

ESP32 개발 환경

소프트웨어 개발 환경

교차 개발 환경 (Cross Development Platform)
- 소프트웨어를 개발하는 시스템(컴퓨터)과 실제 실행하는 시스템이 서로 다른 개발 환경
호스트(Host) 시스템과 타깃(Target) 시스템
- 호스트 시스템 : 개발환경을 가지고 소프트웨어를 개발하고 빌드하는 컴퓨터 (PC)
  - Windows, Linux, Mac OS 등 다양한 환경 구성 가능
- 타깃 시스템 : 개발하고자 하는 임베디드 시스템 (Kepler -ESP32 A )
교차 개발 환경 구성 요소
- 크로스 컴파일러 / 툴체인
- 디버거, 에디터 등
- 통합개발환경(IDE)

교차 개발 환경
호스트 시스템과 타깃 시스템

ESP32 개발 환경 설정

소스코드 편집기 : VSCode, Eclipse, VI 에디터
ESP32 툴체인 : 어셈블러, 컴파일러, 링커, 디버거 등
- SDK 형태로 툴체인을 포함하여 API, Library, 샘플 소스코드를 포함한 툴체인 사용
  - SDK : Software Development Kit
  - API : Application Programming Interface
- ESP32-IDF, ESP32 Arduino, NodeMCU, MicroPython 등 다양함

Reference
- ESP32-IDF : https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/get-started/index.html
- Arduino ESP32 : https://docs.espressif.com/projects/arduino-esp32/en/latest/getting_started.html#aboutarduino-esp32

Arduino Platform

Arduino is an open-source electronics platform based on easy-to-use hardware and software
Basic structure
- read inputs (sensor) turn it into an output (actuator)
What to be done by board between sensing and actuating
- a set of instructions to the microcontroller on the board
Started from AVR, now extended to various microcontrollers
(e.g., ARM Cortex M-series)
Reference :
- https://www.arduino.cc