Бюджетные Wi-Fi-/Bluetooth-модули от Espressif: руководство по выбору

16 апреля

системы безопасноститерминалы продажучёт ресурсовпотребительская электроникаинтернет вещейEspressif Systemsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологии

В последнее время создание беспроводных приложений значительно упростилось благодаря появлению на рынке готовых модулей с поддержкой наиболее популярных беспроводных интерфейсов. Одним из лидеров в этом направлении является компания Espressif Systems, которая предлагает удобные и недорогие микросхемы и модули с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth.

Рынок беспроводных решений стремительно растет. Беспроводные технологии применяются в быту, в медицине, на производстве, в торговле. Это стало возможным благодаря двум факторам. Если совсем недавно для создания Wi-Fi- или Bluetooth-устройства разработчику приходилось начинать все с нуля и использовать «голую» микросхему приемопередатчика, то теперь к его услугам предлагаются не только чипы, но и готовые модули. Такие модули содержат в своем составе все необходимое для реализации беспроводного канала, что существенно упрощает процесс разработки. С другой стороны, упрощение разработки значительно повысило интерес к беспроводным технологиям со стороны широкого круга пользователей. Причем речь идет не только о профессиональных разработчиках, но и о радиолюбителях.

Сейчас на рынке беспроводных встраиваемых решений присутствует несколько крупных игроков. Среди них особенно стоит отметить компании Texas Instruments, STMicroelectronics, Microchip. Эти гиганты выпускают широкий спектр беспроводных микросхем и модулей с поддержкой различных беспроводных стандартов, в том числе Wi-Fi или Bluetooth. При использовании продукции этих компаний разработчики получают множество преимуществ:

  • доступ к надежному каналу поставки, поскольку разработчику не нужно волноваться, что производитель внезапно пропадет, и возникнет дефицит используемых компонентов;
  • доступ к богатому выбору средств разработки и отладки: отладочным платам, средам разработки, библиотекам, типовым решениям и прочему;
  • отличная информационная поддержка: статьи, публикации, инженерные сообщества, типовые схемы и так далее.

Вместе с тем, на рынке присутствуют и менее известные производители, которые специализируются именно на беспроводных встраиваемых решениях и могут предложить разработчикам такой же высокий уровень комфорта, но за меньшие деньги. В качестве примера можно привести компанию Espressif Systems.

Компания Espressif Systems была основана еще в 2008 году в Китае, и только после пяти лет упорной работы представила первую беспроводную SoC-микросхему для Wi-Fi-приложений – ESP8089. Уже в следующем году компания выпустила Wi-Fi-микросхему ESP8266EX, которая стала чрезвычайно популярной среди разработчиков. В 2016 году, закрепляя успех, компания Espressif Systems представила новое флагманское семейство ESP32, которое стало одним из первых интегрированных решений с одновременной поддержкой Wi-Fi и Bluetooth. Таким образом, за десять лет компания выросла из небольшого стартапа до многонационального пионера IoT в полупроводниковой промышленности и за период с 2014 по 2018 год выпустила более 100 миллионов чипов.

Среди преимуществ продукции Espressif Systems можно отметить:

  • широкий выбор беспроводных микросхем и готовых модулей с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth;
  • малую стоимость и отсутствие наценки за раскрученность бренда;
  • 12-летнюю гарантию выпуска. Этот пункт особенно важен для производителей промышленного оборудования;
  • доступность на российском рынке;
  • наличие широкого спектра отладочных плат;
  • бесплатные программные средства разработки;
  • богатый выбор библиотек и готовых решений в сети.

Для промышленного оборудования крайне важно, чтобы комплектующие имели гарантированный длительный жизненный цикл. Это касается и электроники. Компания Espressif официально гарантирует для своей продукции следующие жизненные циклы:

  • микросхемы ESP8266 – 12 лет, начиная с 1-го января 2014 года;
  • модули на базе ESP8266– 12 лет, начиная с 1-го января 2014года;
  • отладочные платы для ESP8266 – 12 лет, начиная с 1-го января 2014 года;
  • ESP8285 – 10лет, начиная с 1-го января 2016 года;
  • микросхемы ESP32 – 12лет, начиная с 1-го января 2016 года;
  • модули на базе ESP32 – 12 лет, начиная с 1-го января 2016 года;
  • отладочные платы для ESP32 – 12 лет, начиная с 1-го января 2016 года.

Исходя из этих данных, разработчики могут выбирать длительность жизненного цикла своих устройств.

Беспроводные SoC-микросхемы производства Espressif Systems

В настоящее время компания Espressif Systems выпускает два типа интегральных беспроводных SoC-микросхем:

  • чипы ESP8266 и ESP8285 с поддержкой Wi-Fi;
  • семейство ESP32 с одновременной поддержкой Wi-Fi и Bluetooth.

Все микросхемы поставляются в корпусном исполнении QFN 5×5 мм, за исключением чипа ESP32-D0WDQ6, который имеет корпусное исполнение QFN 6×6 мм (рисунок 1).

Рис. 1. Беспроводные микросхемы Espressif Systems поставляются в корпусном исполнении QFN 5x5 мм или QFN 6x6 мм

Рис. 1. Беспроводные микросхемы Espressif Systems поставляются в корпусном исполнении QFN 5×5 мм или QFN 6×6 мм

Между собой микросхемы отличаются типом процессора, объемом встроенной Flash-памяти, набором периферии и диапазоном питающих напряжений. Для наглядности в таблице 1 представлены основные отличительные особенности каждого из чипов.

Таблица 1. Сравнительная таблица интегральных беспроводных микросхем Espressif Systems

Наименование ESP32-D0WD ESP32-D0WDQ6 ESP32-D2WD ESP32-S0WD ESP8266EX ESP8285
Процессор Двухъядерный 32-битный процессор Xtensa® 240 МГц 600 DMIPS Двухъядерный 32-битный процессор Xtensa® 240 МГц 600 DMIPS Двухъядерный 32-битный процессор Xtensa® 160 МГц 400 DMIPS Одноядерный 32-битный процессор Xtensa® 160 МГц 200 DMIPS Одноядерный 32-битный процессор Tensilica L106 160 МГц
ОЗУ 520 кбайт SRAM, 448 кбайт ROM, 16 кбайт SRAM в RTC 520 кбайт SRAM, 448 кбайт ROM, 16 кбайт SRAM в RTC 520 кбайт SRAM, 448 кбайт ROM, 16 кбайт SRAM в RTC 520 кбайт SRAM, 448 кбайт ROM, 16 кбайт SRAM в RTC 160 кбайт RAM
Flash, Мбайт 2 1
Число выводов 48 48 48 48 32
Wi-Fi Протокол 802.11b/g/n (HT40) 802.11b/g/n (HT20)
Мощность передатчика 802.11b: +20,5 дБм, 802.11g: +17 дБм, 802.11n: +18 дБм 802.11b: +20 дБм, 802.11g: +17 дБм, 802.11n: +14 дБм
Чувствительность приемника DSSS: 98 дБм, 1 Мбит/с, CCK: 91 дБм 1 Мбит/с, OFDM: 93 дБм,
6 Мбит/с, OFDM: 75 дБм, 54 Мбит/с, HT20: 93 дБм, MCS0, HT20:
73 дБм, MCS7, HT40: 90 дБм, MCS0, HT40: 70 дБм, MCS7, MCS32:
89 дБм
802.11b:
-91 дБм (11 Мбит/с),
802.11g:
-75 дБм (54 Мбит/с),
802.11n:
-72 дБм (MCS7)
Шифрование AES, SHA-2, CCMP (CBC-MAC, counter mode), TKIP (MIC, RC4), WAPI (SMS4), WEP (RC4) и CRC WEP(RC4)/TKIP(MIC, RC4)/AES, CCMP (CBC-MAC, counter mode), WAPI (SMS4) и CRC
Bluetooth Протокол Bluetooth v4.2 BR/EDR и BLE
Мощность передатчика, дБм +12
Чувствительность приемника, дБм -94 (0,1% BER)
Коммуникационные интерфейсы UART/SDIO/SPI/I²C/I²S/IR/ Ethernet/ CAN UART/SDIO/SPI/I²C/I²S/IR
Периферия GPIO/АЦП/ЦАП/ШИМ/датчик Холла/контроллер сенсорных функций GPIO/АЦП/ШИМ
Корпус, мм QFN, 5×5 QFN, 6×6 QFN, 5×5 QFN, 5×5 QFN, 5×5
Uпит, В 2,3…3,6 2,3…3,6 2,3…3,6 2,3…3,6 2,5…3,6 2,7…3,6
Траб, °С -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125

Wi-Fi-микросхема ESP8266 была выпущена на рынок в 2014 году и стала первым крупным успехом компании Espressif Systems. ESP8266 может работать в качестве самостоятельного беспроводного Wi-Fi-контролера либо выступать в роли Wi-Fi-адаптера для управляющего процессора.

ESP8266 представляет собой систему-на-кристалле (SoC или СнК), которая состоит из двух основных доменов: высокочастотного и цифрового (рисунок 2).

Рис. 2. ESP8266 состоит из двух доменов: высокочастотного и цифрового

Рис. 2. ESP8266 состоит из двух доменов: высокочастотного и цифрового

ВЧ-домен включает модуляторы, генераторы, согласующий трансформатор, силовой ключ и схемы фазовой автоподстройки частоты. Таким образом, практически все необходимые элементы для создания беспроводного Wi-Fi-канала, за исключением антенны, уже присутствуют в составе ESP8266. Характеристики приемника и передатчика Wi-Fi представлены в таблице 1.

Цифровой домен ESP8266 построен на базе 32-битного RISC-процессора Tensilica L106 с рабочей частотой до 160 МГц. Процессор взаимодействует с памятью и периферией с помощью трех шин: iBus, dBus и AHB. На борту у ESP8266 присутствует 160 кбайт ОЗУ.

При работе под управлением внешнего контроллера взаимодействие с ESP8266 производится с помощью интерфейса UART или SPI/SDIO. Если предполагается, что ESP8266 будет работать автономно, то для хранения пользовательской программы потребуется внешняя Flash, которая подключается по SPI. При этом существует возможность использования не только микросхем памяти Single-SPI, но и Double-SPI, а также Quad-SPI. Максимальный объем внешней Flash-памяти составляет 16 Мбайт.

При автономной работе большим плюсом ESP8266 является встроенная периферия:

  • 17 портов ввода-вывода;
  • коммуникационные интерфейсы (UART/SDIO/SPI/I²C/I²S);
  • четыре канала ШИМ;
  • контроллер инфракрасного канала связи (IR);
  • одноканальный 10-битный АЦП.

Создатели ESP8266 четко понимали, что одной из важнейших проблем, стоящих перед разработчиками беспроводных устройств, является снижение потребления. При питании от аккумулятора важно обеспечить малое среднее потребление и максимально широкий диапазон напряжений питания. Микросхема ESP8266 способна работать с напряжением питания 2,5…3,6 В. Для уменьшения потребления предлагается использовать различные режимы:

  • Active – активный режим, в котором общее потребление в первую очередь зависит от потребления ВЧ-домена;
  • Modem-sleep – режим, в котором процессорное ядро остается активным, а Wi-Fi выключается при отсутствии обмена данными (с сохранением соединения). Типовое потребление – 15 мА;
  • Light-sleep – спящий режим, в котором процессор и Wi-Fi периодически включаются и выключаются: сон в течение 300 мс, далее 3 мс бодрствования. Типовое потребление – 0,9 мА;
  • Deep-sleep– режим глубокого сна, в котором передача сообщений по Wi-Fi производится крайне редко. В промежутках сна блок Wi-Fi полностью отключен. Типовое потребление – 20 мкА;
  • Shut down – режим ожидания с полным отключением питания. Типовое потребление – 0,5 мкА.

С момента начала выпуска микросхема ESP8266 нашла применение в самых различных областях: в бытовой технике и автоматике, системах умного освещения и промышленной автоматики, в автономных датчиках, пультах управления, системах безопасности, игрушках и так далее.

Wi-Fi-микросхема ESP8285 – является своего рода модернизацией микросхемы ESP8266. Функционал и структурная схема ESP8285 в общих чертах остались без изменения: те же возможности Wi-Fi и то же процессорное ядро. Однако есть несколько важных отличий.

В первую очередь стоит отметить, что в составе ESP8285 появилась встроенная Flash-память объемом 1 Мбайт для хранения пользовательской программы. При этом для связи с Flash используется Dual-SPI. Такой подход явно ориентирован на создание сверхкомпактных решений с дефицитом свободного места, в которых нет возможности размещения внешней микросхемы памяти. Кроме того, уменьшение занимаемой площади и сокращение числа компонентов позволяет снизить стоимость конечного устройства.

По сравнению с ESP8266, периферия ESP8285 не претерпела изменений.

Потребление ESP8285 также осталось на уровне ESP8266, однако диапазон питающих напряжений сузился до 2,7…3,6 В. Это стоит иметь в виду.

Области применения для ESP8285 те же, что и у ESP8266.

Семейство Wi-Fi-/Bluetooth-микросхем ESP32. После волны популярности ESP8266 компания Espressif Systems решила закрепить успех и выпустила целое семейство новых беспроводных микросхем – ESP32. В первую очередь отметим, что микросхемы ESP32 поддерживают сразу два самых популярных беспроводных протокола: Wi-Fi и Bluetooth. Кроме того, благодаря переходу на технологический процесс 40 нм, удалось существенно увеличить степень интеграции, расширить функционал и снизить потребление.

При анализе структуры ESP32 можно увидеть все те же два основных домена: цифровой и высокочастотный (рисунок 3). Однако состав доменов существенно изменился. Появился встроенный Bluetooth-контроллер и сопутствующие ему блоки. ESP32 поддерживает Bluetooth v4.2 BR/EDR, а также BLE. Характеристики Wi-Fi примерно соответствуют показателям ESP8266. Характеристики Bluetooth представлены в таблице 1.

Рис. 3. Блок-схема микросхем ESP32

Рис. 3. Блок-схема микросхем ESP32

Еще больше изменений можно наблюдать в структуре цифрового домена.

  • В микросхемах ESP32 используется новый одно- или двухъядерный 32-битный процессор Xtensa® LX6 с максимальной рабочей частотой до 240 МГц (у ESP32-S0WD и ESP32-D2WD – 160 МГц). Особенностями нового процессора являются:
    • 16/24-битный набор инструкций;
    • поддержка вычислений с плавающей точкой;
    • поддержка DSP-инструкций (например, 32-битное умножение, 32-битное деление, 40-битное умножение с накоплением);
    • 32 вектора прерываний от 70 источников;
    • отладка посредством JTAG.
  • Помимо центрального процессора в составе ESP32 присутствует дополнительный малопотребляющий сопроцессор ULP, который берет на себя управление системой в режимах пониженного потребления.
  • В ESP32 значительно расширился объем встроенной памяти:
    • 448 кбайт ПЗУ, в которой хранится функциональная прошивка модуля;
    • 520 кбайт ОЗУ общего назначения;
    • 8 кбайт ОЗУ RTC FAST Memory. Эта память может быть использована основным процессором для хранения данных, а также при пробуждении из режима Deep-sleep mode;
    • 8 кбайт ОЗУ RTC SLOW Memory. Эта память может быть использована сопроцессором ULPв режиме Deep-sleep mode;
    • 1 кбит eFuse: 256 бит используются для системных нужд (MAC-адрес и конфигурация системы), еще 788 бит могут использоваться по усмотрению пользователя;
    • 2 Мбайт встроенной Flash (только у ESP32-D2WD).

Кроме того, память ESP32 может быть расширена за счет внешних микросхем ОЗУ (до 4 Мбайт SRAM) и Flash (до 16 Мбайт).

  • По сравнению с ESP8266, разнообразие и возможности периферийных блоков в ESP32 существенно расширились:
    • 34 порта ввода-вывода;
    • четыре 64-битных таймера с 16-битным делителем;
    • три сторожевых таймера;
    • часы реального времени со встроенной памятью;
    • Кроме «традиционных» интерфейсов UART/SDIO/SPI/I²C/I²S, появилась поддержка CAN 0 и Ethernet MAC (с IEEE 1588);
    • разрядность АЦП возросла до 12 бит, а число каналов – до 18;
    • два 8-битных ЦАП;
    • 10 сенсорных каналов для создания слайдеров, сенсорных кнопок и прочего;
    • датчик Холла;
    • каналы ШИМ для управления электродвигателями;
    • 16 независимых ШИМ-генераторов для управления светодиодами;
    • контроллер инфракрасного канала (IR);
    • аппаратные ускорители AES, SHA, RSAи ECC.

Необходимо отдельно сказать о потреблении ESP32. По сравнению с ESP8266 диапазон питающих напряжений был расширен до 2,3…3,6 В. Кроме того, разнообразие рабочих режимов существенно возросло, что дает разработчикам больше пространства для маневра.

Потребление в активном режиме по-прежнему зависит от работы беспроводных интерфейсов (таблица 2). Потребление ESP32 в режиме Modem-sleep зависит от числа процессорных ядер и рабочей частоты (таблица 3). Режим Deep-sleep разделен на три подрежима, которые отличаются состоянием и активностью малопотребляющего ULP-сопроцессора. Режим Hibernation подразумевает отключение всех блоков микросхемы за исключением RTC. Это самый малопотребляющий режим ESP32, в нем питающий ток составляет всего 5 мкА. Стоит напомнить, что в микросхемах ESP8266 самым экономным режимом был Deep-sleep с потреблением 20 мкА.

Таблица 2. Типовое потребление ESP32 в активном режиме

Режим Потребление, мА
Передача 802.11b, DSSS 1 Мбит/с, POUT = +19,5 дБм 240
Transmit 802.11b, OFDM 54 дБм POUT = +16 дБм 190
Transmit 802.11g, OFDM MCS7, POUT = +14 дБм 180
Прием 802.11b/g/n 95…100
Передача BT/BLE, POUT = 0 дБм 130
Прием BT/BLE 95…100

Таблица 3. Типовое потребление ESP32 в режимах пониженного потребления

Режим Описание Потребление
Active Зависит от активности радиопередатчика см. табл. 2
Modem-sleep Процессор активен 240 МГц Двухъядерный 30…68 мА
Одноядерный
160 МГц Двухъядерный 27…44 мА
Одноядерный 27…34 мА
80 МГц Двухъядерный 20…31 мА
Одноядерный 20…25 мА
Light-sleep 0,8 мА
Deep-sleep Активен малопотребляющий сопроцессор ULP 150 мкА
Мониторинг датчиков 100 мкА (длительность цикла 1%)
RTC + память RTC 10 мкА
Hibernation RTC 5 мкА
Power off На вывод CHIP_PU подан низкий уровень, питание чипа отключено 0,1 мкА

Важной задачей при создании современных беспроводных систем становится безопасность. Огромным плюсом ESP32 является наличие аппаратных блоков шифрования AES, SHA, RSA и ECC. Как известно, кодирование является достаточно затратным мероприятием с точки использования вычислительных ресурсов процессора. Благодаря встроенным криптографическим ускорителям центральный процессор ESP32 освобождается от рутинных операций и может заниматься чем-то более полезным.

В настоящий момент семейство ESP32 объединяет четыре модели:

  • ESP32-D0WD – модель с двухъядерным 32-битным процессором Xtensa® LX6 с максимальной рабочей частотой до 240 МГц и пиковой производительностью 600 DMIPS. Встроенная Flash отсутствует. Корпус QFN48 5×5 мм. Выходной импеданс Wi-Fi – 35 +j10 Ом.
  • ESP32-D0WDQ6 – модель с двухъядерным 32-битным процессором Xtensa® LX6 с максимальной рабочей частотой до 240 МГц и пиковой производительностью 600 DMIPS. Встроенная Flash отсутствует. Корпус QFN48 6×6 мм. Выходной импеданс Wi-Fi – 30 +j10 Ом.
  • ESP32-D2WD– модель с двухъядерным 32-битным процессором Xtensa® LX6 с максимальной рабочей частотой до 160 МГц и пиковой производительностью 400 DMIPS. Встроенная Flash 2 Мбайт. Корпусное исполнение QFN48 5×5 мм. Выходной импеданс Wi-Fi – 30 +j10 Ом.
  • ESP32-S0WD – модель с одноядерным 32-битным процессором Xtensa® LX6 с максимальной рабочей частотой до 160 МГц и пиковой производительностью 200 DMIPS. Встроенная Flash отсутствует. Корпусное исполнение QFN48 5×5 мм. Выходной импеданс Wi-Fi – 30 +j10 Ом.

Благодаря расширению функционала и появлению поддержки Bluetooth перечень приложений для ESP32 стал еще более разнообразным, чем у ESP8266: IoT-хабы, камеры наблюдения, аудиоприложения и так далее.

Микросхемы ESP8266/ESP8285/ESP32 отличаются высоким уровнем интеграции и объединяют на одном кристалле огромное число блоков и элементов. Тем не менее, это не освобождает разработчиков от необходимости использования внешних компонентов. Так, например, для подключения ESP32 потребуется около 20 внешних компонентов. К этому стоит прибавить необходимость трассировки печатной платы. Таким образом, для разработчиков, далеких от проектирования ВЧ-устройств, более простым способом организации беспроводного канала Wi-Fi или Bluetooth будет выбор готовых модулей. Для удобства в таблице 4 представлены модули и отладочные наборы, соответствующие микросхемам, рассмотренным выше. О самих модулях речь пойдет в следующем разделе.

Таблица 4. Соответствие между модулями и беспроводными микросхемами Espressif Systems

Микросхема Модуль Отладочная плата
ESP32-D0WD ESP32-WROOM-32D, ESP32-WROOM-32U, ESP32-WROVER-B, ESP32-WROVER-IB ESP32-DevKitC
ESP32-D0WDQ6 ESP32-WROOM-32, ESP32-WROVER, ESP32-WROVER-I ESP32-DevKitC, ESP-WROVER-KIT, ESP32-LyraT, ESP32-LyraTD-MSC
ESP32-D2WD
ESP32-S0WD ESP32-SOLO-1 ESP32-DevKitC
ESP8266EX ESP-WROOM-02, ESP-WROOM-02D, ESP-WROOM-02U, ESP-WROOM-S2 ESP8266-DevKitC, ESP-Launcher
ESP8285

Готовые беспроводные решения от Espressif Systems

Готовые беспроводные модули – идеальное решение для радиолюбителей, начинающих разработчиков, а также для коммерческих и прочих приложений, требующих быстрого выхода на рынок с минимальными затратами на разработку. Компания Espressif Systems предлагает широкий выбор Wi-Fi- и Wi-Fi-/Bluetooth-модулей (таблица 5). Функционал модулей в первую очередь определяется используемой беспроводной микросхемой. Кроме того, модули отличаются объемом Flash и ОЗУ, а также типом антенны. Дадим краткую характеристику каждому из них.

Таблица 5. Готовые беспроводные модули от Espressif Systems

Наименование Микросхема Габариты, мм Число выводов Flash, мБайт PSRAM, мБайт Антенна Отладочная плата
ESP32-WROOM-32 ESP32-D0WDQ6 18×25,5×3,1 38 4 PCB ESP32-DevKitC
ESP32-WROOM-32D ESP32-D0WD 18×25,5×3,1 38 4 PCB ESP32-DevKitC
ESP32-WROOM-32U ESP32-D0WD 18×19,2×3,2 38 4 U.FL ESP32-DevKitC
ESP32-WROVER ESP32-D0WDQ6 18×31,4×3,3 38 4 8 PCB ESP-WROVER-KIT
ESP32-WROVER-I ESP32-D0WDQ6 18×31,4×3,3 38 4 8 U.FL
ESP32-WROVER-B ESP32-D0WD 18×31,4×3,3 38 4 8 PCB ESP32-DevKitC
ESP32-WROVER-IB ESP32-D0WD 18×31,4×3,3 38 4 8 U.FL ESP32-DevKitC
ESP32-PICO-D4 ESP32 7×7×0,94 48 4 N/A ESP32-PICO-KIT
ESP32-SOLO-1 ESP32-S0WD 18×25,5×3,1 38 4 PCB ESP32-DevKitC
ESP-WROOM-02 ESP8266EX 18×20×3 18 2 PCB ESP-Launcher
ESP-WROOM-02D ESP8266EX 18×20×3,2 18 2 PCB ESP8266-DevKitC
ESP-WROOM-02U ESP8266EX 18×14,3×3,2 18 2 U.FL ESP8266-DevKitC
ESP-WROOM-S2 ESP8266EX 16×23×3 20 2 PCB

ESP32-PICO-D4 – единственный корпусной модуль «микросхемного» типа (рисунок 4). В отличие от рассмотренных выше SoC-микросхем, модуль ESP32-PICO-D4 представляет собой SiP-микросхему. То есть элементы в модуле размещены не на одном, а на разных кристаллах. В состав ESP32-PICO-D4 входят все те же компоненты, что и в SoC ESP32, в том числе двухъядерный процессор, память и периферия, однако к этому добавлена память Flash объемом 4 Мбайт, развязывающие конденсаторы, фильтрующие индуктивности, двунаправленный защитный TVS-диод и кварцевый резонатор 40 МГц. Модуль имеет корпусное исполнение QFN-48 с размерами 7x7x0,94 мм.

Рис. 4. SiP-микросхема ESP32-PICO-D4

Рис. 4. SiP-микросхема ESP32-PICO-D4

ESP32-PICO-D4 позволяет сократить перечень используемых компонентов и значительно уменьшить место, занимаемое на печатной плате. Это может быть весьма полезным для мобильных приложений с жестким дефицитом свободного места.

Группа Wi-Fi-модулей на базе микросхемы ESP8266 объединяет четырех представителей (рисунок 5).

ESP-WROOM-02 – базовый модуль с печатной антенной 2 дБ и дополнительной памятью SPI-Flash объемом 2 Мбайт. Модуль имеет габариты 18x20x2,80 мм и предназначен для поверхностного монтажа. Диапазон рабочих температур -40…85ºС.

ESP-WROOM-02D – модуль, который отличается от ESP-WROOM-02 наличием оптимизированного ВЧ-тракта. Если в ESP-WROOM-02 используется согласующая цепочка типа CCL, то в ESP-WROOM-02D на выходе ANT присутствует согласующая цепочка CLC. Габариты ESP-WROOM-02D были незначительно увеличены: 18x20x3,20 мм. В остальном модули идентичны. Это касается габаритных размеров, объема памяти и температурного диапазона.

ESP-WROOM-02U – модуль, который по своим характеристикам идентичен ESP-WROOM-02D, но имеет два важных отличия:

  • вместо печатной антенны появляется FL-разъем;
  • габариты модуля оказываются более компактными – 18×14,3×3,20 мм.

При этом стоит отметить аналогичное расположение выводов.

ESP-WROOM-S2 – модуль с печатной антенной, который может выступать в роли ведомого SDIO/SPI с рабочей частотой SPI до 8 Мбит/с. Кроме микросхемы ESP8266, на борту у модуля присутствует SPI-Flash объемом 2 Мбайт. Габариты ESP-WROOM-S2 составляют 16x23x2,80 мм.

Рис. 5. Внешний вид Wi-Fi-модулей на базе микросхемы ESP8266

Рис. 5. Внешний вид Wi-Fi-модулей на базе микросхемы ESP8266

Группа Wi-Fi-/Bluetooth-модулей на базе микросхемы ESP32 объединяет восемь представителей (рисунок 6).

ESP32-SOLO-1 – Wi-Fi+BT+BLE-модуль, построенный на базе одноядерной микросхемы ESP32-S0WD. Как отмечалось выше, ESP32-S0WD – младший представитель семейства ESP32. Несмотря на это, ESP32-SOLO-1 может применяться в широком спектре приложений – от малопотребляющих датчиков (наиболее оптимальный вариант), до приложений с беспроводной передачей звука.

Микросхема ESP32-S0W работает под управлением freeRTOS и использует стек LwIP.

Данный модуль отличается встроенной печатной антенной, наличием 4 Мбайт SPI-Flash и имеет габариты 18×25,5×3,10 мм.

ESP32-WROOM-32 – базовый модуль, использующий высокопроизводительную микросхему ESP32-D0WDQ6 с двухъядерным процессором и максимальной рабочей частотой до 240 МГц. Микросхема ESP32-D0WDQ6 работает под управлением freeRTOS и использует стек LwIP.

Модуль имеет 4 Мбайт SPI-Flash и печатную антенну. Благодаря высокой производительности модуль может использоваться в более широком спектре приложений по сравнению с ESP32-S0W. Габариты модуля составляют 18×25,5×3,10 мм. Диапазон рабочих температур -40…85ºС.

ESP32-WROOM-32D – модификация модуля ESP32-WROOM-32 с печатной антенной и оптимизированным ВЧ-трактом. Остальные характеристики остались без изменения, в том числе габариты, объем Flash и диапазон рабочих температур.

ESP32-WROOM-32U – модификация модуля ESP32-WROOM-32D с U.FL-разъемом для подключения внешней антенны. Из-за отсутствия печатной антенны габариты модуля были уменьшены до 18×19,2×3,10 мм.

ESP32-WROVER – беспроводной модуль на базе микросхемы ESP32-D0WDQ6 со значительным объемом дополнительной памяти: 4 Мбайт SPI-Flash и 8 Мбайт SPI-PSRAM. Микросхема ESP32-D0WDQ6 работает под управлением freeRTOS и использует стек LwIP. В модуле используется печатная антенна. Габариты ESP32-WROVER составляют 18×31,4×3,30 мм. Диапазон рабочих температур -40…85ºС.

ESP32-WROVER-I – модификация модуля ESP32-WROVER с разъемом IPEX для подключения внешней антенны (аналог U.FL-разъема).

ESP32-WROVER-B – вариант ESP32-WROVER с оптимизированным ВЧ-трактом.

ESP32-WROVER-IB – модификация модуля ESP32-WROVER-B с разъемом IPEX для подключения внешней антенны.

Рис. 6. Внешний вид Wi-Fi + BT + BLE-модулей на базе микросхемы ESP32

Рис. 6. Внешний вид Wi-Fi + BT + BLE-модулей на базе микросхемы ESP32

Для того чтобы быстро ознакомиться с возможностями модулей и микросхем Espressif Systems, можно воспользоваться готовыми отладочными наборами.

Отладочные наборы от Espressif Systems

Компания Espressif Systems предлагает различные отладочные наборы, которые помогают максимально быстро ознакомиться с возможностями и особенностями беспроводных микросхем и модулей (таблица 6):

  • отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств на базе микросхем и модулей ESP32;
  • отладочные наборы для создания Wi-Fi-устройств на базе микросхем и модулей ESP8266;
  • отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств с датчиками.

Таблица 6. Отладочные наборы для беспроводных модулей и SoC-микросхем Espressif Systems

Наименование Flash/PSRAM Особенности Модуль/чип
ESP-EYE 4 Мбайт Flash +
8 Мбайт PSRAM
2 Мп камера, micro-USB, кнопки, светодиоды ESP32
ESP32-PICO-KIT 4 Мбайт Flash I/O, USB, кнопки, светодиоды ESP32-PICO-D4
ESP-WROVER-KIT 4 Мбайт Flash +
4 Мбайт PSRAM
I/O, JTAG, USB, разъем для камеры, Micro SD Card, LCD, кнопки, светодиоды ESP32-WROVER
ESP-WROVER-KIT-VB 4 Мбайт Flash +
8 Мбайт PSRAM
I/O, JTAG, USB, разъем для камеры, LCD, UART, SPI, MicroSD Card, кнопки, светодиоды ESP32-WROVER-B
ESP32-DevKitC 4 Мбайт Flash I/O, USB, кнопки, светодиоды ESP32-WROOM-32, ESP32-WROOM-32D, ESP32-WROOM-32U, ESP32-SOLO-1, ESP32-WROVER-B, ESP32-WROVER-IB
ESP32-LyraTD-MSC 4 Мбайт Flash +
4 Мбайт PSRAM
USB, I²S, SPI, разъем для наушников, динамик, Micro SD Card, JTAG, кнопки, светодиоды ESP32-WROVER
ESP32-LyraT 4 Мбайт Flash +
4 Мбайт PSRAM
Micro SD Card, аудиовыход, USB, динамик, кнопки, сенсорные кнопки, светодиоды ESP32-WROVER
ESP-Launcher 4 Мбайт SPI Flash + 4 Мбайт HSPI Flash I/O, USB, кнопки, светодиоды ESP8266EX
ESP8266-DevKitC 2 Мбайт Flash HSPI, PWM, IR, I/O, АЦП, UART, I²S, I²C, USB, кнопки ESP-WROOM-02D, ESP-WROOM-02U
ESP32-Sense Kit 4 Мбайт Flash I/O, USB, ESP-Prog, сенсорные кнопки, светодиоды ESP32-WROOM-32
ESP-Prog I/O, USB, разъем для наушников, кнопки, светодиоды, кнопки, светодиоды ESP32-Sense Kit
ESP32-MeshKit-Sense 4 Мбайт Flash I/O, USB, LCD, ESP-Prog, кнопки, светодиоды ESP32-WROOM-32

Дадим краткую характеристику отладочным наборам на базе ESP32 (рисунок 7). Все эти наборы подразумевают питание и подключение к ПК с помощью USB. В качестве альтернативы могут использоваться источники питания 5/3,3 В, подключаемые к штыревым разъемам. Для создания программ предлагается бесплатная среда ESP-IDF.

ESP-EYE – отладочная плата, предназначенная для создания приложений с распознаванием и обработкой звука. ESP-EYE, в частности, может использоваться в различных IoT-устройствах. В состав платы входит беспроводная микросхема ESP32, видеокамера 2 Мп, PSRAM 8 Мбайт, Flash 4 Мбайт. Отладка производится с помощью Micro-USB. Для взаимодействия с пользователем на плате предусмотрены кнопки и светодиоды.

ESP32-PICO-KIT – отладочный набор, позволяющий ознакомиться с возможностями SiP-микросхемы ESP32-PICO-D4. Кроме самой беспроводной микросхемы на плате расположены Flash 4 Мбайт, кнопки, светодиоды, разъем Micro-USB для отладки. Стоит отметить, что данный набор может использоваться как автономно, так и в составе более сложной системы, так как все выводы микросхемы ESP32-PICO-D4 доступны через разъемы, расположенные по бокам платы.

ESP-WROVER-KIT – отладочная плата, предназначенная для создания высокопроизводительных устройств на базе модулей ESP32-WROVER. Плата отличается богатым набором периферии: LCD, RGB-светодиоды, Micro SD Card, разъем для подключения камеры, по 4 Мбайт Flash и PSRAM. Для загрузки и отладки программ предлагается использовать JTAG. Подключение по USB осуществляется с помощью моста USB-UART FT2232HL.

Возможности ESP-WROVER-KIT могут быть расширены за счет подключения дополнительных внешних устройств.

ESP-WROVER-KIT-VB – аналог платы ESP-WROVER-KIT, но с модулем ESP32-WROVER-B.

ESP32-DevKitC – набор начального уровня для работы с семейством модулей ESP32-WROOM. Существуют исполнения отладочной платы для модулей ESP32-WROOM-32, ESP32-WROOM-32D, ESP32-WROOM-32U, ESP32-SOLO-1, ESP32-WROVER-B, ESP32-WROVER-IB. Плата имеет минимальный набор дополнительных элементов: 4 Мбайт Flash, кнопки, светодиоды, разъем Micro-USB для отладки.

ESP32-LyraTD-MSC – отладочная плата для создания аудиоприложений на базе модулей ESP32-WROVER. Плата поддерживает различные аудиоформаты: AAC, FLAC, OPUS и OGG. Она также может работать с DuerOS и с сервисом Alexa Voice Service от Amazon.

ESP32-LyraT – еще одна отладочная плата для аудиоприложений на базе модулей ESP32-WROVER. Данная плата представляет собой практически готовое решение для производительных и беспроводных аудиоустройств.

Рис. 7. Отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств на базе микросхем и модулей ESP32

Рис. 7. Отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств на базе микросхем и модулей ESP32

В настоящий момент отладочные наборы для Wi-Fi-микросхем и модулей на базе ESP8266 представлены двумя платами (рисунок 8): ESP-Launcher и ESP8266-DevKitC.

ESP-Launcher – отладочный набор начального уровня с ограниченным набором периферии (4 Мбайт SPI-Flash + 4 Мбайт HSPI-Flash, кнопки, светодиоды, разъем Micro-USB для отладки). Тем не менее, стоит отметить, что все выводы ESP8266 соединены с внешними колодками, что позволяет расширить функционал отладочной платы по желанию пользователя.

ESP8266-DevKitC – отладочный набор начального уровня для ознакомления и работы с модулями ESP-WROOM-02D и ESP-WROOM-02U.

Рис. 8. Отладочные наборы для Wi-Fi-микросхем и модулей на базе ESP8266

Рис. 8. Отладочные наборы для Wi-Fi-микросхем и модулей на базе ESP8266

Так как одним из целевых сегментов для микросхем и модулей Espressif являются датчики и сенсорные приложения, то в отдельную группу стоит отнести специализированные отладочные платы с датчиками и сенсорными кнопками (рисунок 9):

  • ESP32-Sense Kit – отладочный набор для создания сенсорных приложений на базе ESP Данный набор состоит из материнской платы и нескольких плат расширения. На материнской плате расположены все основные элементы: беспроводная микросхема, ЖК-индикаторы, разъемы и прочее. На платах расширения реализованы различные сенсорные кнопки и элементы управления, в частности – линейные и кольцевые слайдеры.
  • ESP32-MeshKit-Sense – отладочный набор для создания автономных датчиков на базе модулей ESP Кроме беспроводного модуля на борту у платы присутствуют различные датчики: температуры, давления, влажности. Так как речь идет о малопотребляющих устройствах, то очень полезной функцией платы становится возможность измерения собственного потребления беспроводного модуля в различных режимах работы.

Рис. 9. Отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств с датчиками

Рис. 9. Отладочные наборы для создания Wi-Fi + BT/BLE-устройств с датчиками

Рис. 10. Отладчик ESP-Prog

Рис. 10. Отладчик ESP-Prog

Отдельно нужно сказать об отладчике ESP-Prog, который необходим для программирования и отладки беспроводных микросхем и модулей производства Espressif (рисунок 10). В отладчике применяется USB/UART-мост FT2232HL. При этом для отладки ESP32 используется JTAG, а для ESP8266 – последовательный интерфейс.

Дополнительные материалы

  1. КОМПЭЛ — официальный дистрибьютор продукции Espressif
  2. Старт складской программы по Wi-Fi/Bluetooth-чипам ESP8266 и ESP32 от Espressif
  3. ESP32-PICO-D4 — cамый миниатюрный WiFi-модуль ESP32
  4. WiFi-модуль ESP32-SOLO-1 для бюджетных устройств интернета вещей
  5. WiFi-модули Espressif ESP32-WROVER для голосовых приложений интернета вещей
  6. Бюджетный модуль ESP-WROOM-02 — ваш первый шаг к работе с WiFi
  7. ESP32-DevKitC-VB позволит быстро запустить ваше первое WiFi-приложение
  8. ESP8266-DevKitC — миниатюрная WiFi-плата для интернета вещей
  9. Плата разработчика Espressif ESP32-LyraT для WiFi и аудио-приложений

Заключение

Компания Espressif Systems предлагает широкий выбор беспроводных микросхем и готовых модулей для создания Wi-Fi-устройств, а также – комбинированных Wi-Fi + BT/BLE-устройств. Среди преимуществ продукции Espressif Systems можно отметить малую стоимость, высокую надежность, гарантированный длительный жизненный цикл, что важно для промышленных устройств, наличие доступных отладочных средств и развитую систему информационной поддержки разработчиков: форумы, открытые проекты, доступную документацию и так далее.

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Espressif Systems

Компания Espressif Systems была основана еще в 2008 году в Китае. Только после шести лет упорной работы, компания представила первую беспроводную SoC-микросхему для Wi-Fi-приложений ESP8266EX, которая стала чрезвычайно популярной среди разработчиков. В 2016 году, закрепляя успех, Espressif Systems представила новое флагманское семейство ESP32, которое стало одним из первых интегрированных решений с одновременной поддержкой Wi-Fi и Bluetooth. Таким образом, за десять лет компания выросла из небол ...читать далее

Товары
Наименование
ESP8089 (ESPRES)
ESP8266-DEVKITC-02D-F (ESPRES)
ESP8266EX (ESPRES)
ESP32-WROOM-32 [4MB] (ESPRES)
ESP32-S0WD (ESPRES)
ESP8285 (ESPRES)
ESP8285N08 (ESPRES)
ESP-WROOM-S2 (ESPRES)
ESP-WROOM-02U [2MB] (ESPRES)
ESP32-WROOM-32U [4MB] (ESPRES)
ESP-LAUNCHER (ESPRES)
ESP-EYE (ESPRES)
ESP32-PICO-D4 (ESPRES)
ESP32-PICO-KIT (ESPRES)
ESP-WROVER-KIT (ESPRES)
ESP-WROVER-KIT-VB (ESPRES)
ESP-WROVER-KIT (ESPRES)
ESP-Prog (ESPRES)
ESP32-MESHKIT-SENSE (ESPRES)
ESP32-D0WD (ESPRES)
ESP32-D0WDQ6 (ESPRES)
ESP32-WROVER [4MB] (ESPRES)
ESP32-WROVER-I [4MB] (ESPRES)