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ESP32S 数据手册

watrt9个月前 (01-02)单片机3930

1. 概述

ESP32-S 是一款通用型WiFi-BT-BLE MCU模组,功能强大,用途广泛,可以用于低功耗传感器网络和要求极高的任务,例如语音编码、音频流和MP3解码等。

此款模组的核心是ESP32芯片,具有可扩展、自适应的特点。两个CPU核可以被单独控制或上电。时钟频率的调节范围为80 MHz到240 MHz。用户可以切断CPU的电源,利用低功耗协处理器来不断地监测外设的状态变化或某些模拟量是否超出阈值。ESP32还集成了丰富的外设,包括电容式触摸传感器、霍尔传感器、低噪声传感放大器,SD卡接口、以太网接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S 和I2C 等。

ESP-WROOM-32集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和Wi-Fi,具有广泛的用途:Wi-Fi支持极大范围的通信连接,也支持通过路由器直接连接互联网;而蓝牙可以让用户连接手机或者广播BLE Beacon以便于信号检测。ESP32芯片的睡眠电流小于5uA,使其适用于电池供电的可穿戴电子设备。ESP-WROOM-32支持的数据传输速率高达150 Mbps,经过功率放大器后,输出功率可达到22 dBm,可实现最大范围的无线通信。因此,这款芯片拥有行业领先的技术规格,在高集成度、无线传输距离、功耗以及网络联通等方面性能最佳。ESP32的操作系统是带有LWIP的freeRTOS,还内置了带有硬件加速功能的TLS 1.2。芯片同时支持OTA加密升级,开发者可以在产品发布之后继续升级。软件发布被列入ESP32 bug赏金计划,用户可以向bug-bounty@espressif.com报告任何bug。

用户可以将对于模组、芯片、API和固件的反馈意见发送到 support@aithinker.com。

表1列出了 ESP32S的产品规格。

类别项目产品规格
Wi-Fi标准FCC/CE
协议802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n,速度高达150 Mbps)
A-MPDU和A-MSDU聚合,支持0.4us防护间隔
频率范围2.4~2.5 GHz
蓝牙协议符合蓝牙v4.2 BR/EDR和BLE标准
射频具有-98 dBm灵敏度的NZIF接收器
Class-1, Class-2和Class-3发射器
AFH
音频CVSD和SBC音频
硬件模组接口SD卡、UART、SPI、SDIO、I2C、LED PWM、电机PWM、I2S、I2C、IR
GPIO、电容式触摸传感器、ADC、DACLNA前置放大器
片上传感器霍尔传感器、温度传感器
板上时钟26 MHz晶振、32 kHz晶振
工作电压2.2~3.6V
工作电流平均:80 mA
工作温度范围-40°C~+85°C 1)
环境温度范围正常温度
封装尺寸18 mm x 20 mm x 3 mm
软件Wi-Fi模式Station/softAP/SoftAP+station/P2P
安全机制WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS
加密类型AES/RSA/ECC/SHA
固件升级UART下载/OTA(通过网络/通过主机下载和写固件
软件开发支持云服务器开发/SDK用于用户固件开发
网络协议IPv4、IPv6、SSL、TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT
用户配置AT+指令集、云端服务器、安卓/iOS APP

2. 管脚定义

2.1管脚布局

esp32s_pinout.png

图1: ESP32S 引脚尺寸图

表2: ESP32S模组尺寸

PAD尺寸(底部)管脚间距屏蔽盖高度PCB厚度
18 mm25.5 mm2.8 ± 0.1 mm0.45 mm x 0.9 mm1.27 mm2 mm0.8 ± 0.1 mm

2.2管脚描述

ESP32S共有38个管脚,具体描述参见表3。

表3: ESP32S管脚定义

名称序号功能
GND1接地
3V32供电
EN3使能芯片,高电平有效。
SENSOR_VP4GPI36, SENSOR_VP, ADC_H, ADC1_CH0, RTC_GPIO0
SENSOR_VN5GPI39, SENSOR_VN, ADC1_CH3, ADC_H, RTC_GPIO3
IO346GPI34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4
IO357GPI35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5
IO328GPIO32, XTAL_32K_P (32.768 kHz crystal oscillator input), ADC1_CH4, TOUCH9, RTC_GPIO9
IO339GPIO33, XTAL_32K_N (32.768 kHz crystal oscillator output), ADC1_CH5, TOUCH8, RTC_GPIO8
IO2510GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8, RTC_GPIO6, EMAC_RXD0
IO2611GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9, RTC_GPIO7, EMAC_RXD1
IO2712GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7, RTC_GPIO17, EMAC_RX_DV
IO1413GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6, RTC_GPIO16, MTMS, HSPICLK, HS2_CLK, SD_CLK, EMAC_TXD2
IO1214GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5, RTC_GPIO15, MTDI, HSPIQ, HS2_DATA2, SD_DATA2, EMAC_TXD3
GND15接地
IO1316GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4, RTC_GPIO14, MTCK, HSPID, HS2_DATA3, SD_DATA3, EMAC_RX_ER
SHD/SD217GPIO9, SD_DATA2, SPIHD, HS1_DATA2, U1RXD
SWP/SD318GPIO10, SD_DATA3, SPIWP, HS1_DATA3, U1TXD
SCS/CMD19GPIO11, SD_CMD, SPICS0, HS1_CMD, U1RTS
SCK/CLK20GPIO6, SD_CLK, SPICLK, HS1_CLK, U1CTS
SDO/SD021GPIO7, SD_DATA0, SPIQ, HS1_DATA0, U2RTS
SDI/SD122GPIO8, SD_DATA1, SPID, HS1_DATA1, U2CTS
IO1523GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, MTDO, HSPICS0, RTC_GPIO13, HS2_CMD, SD_CMD, EMAC_RXD3
IO224GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2, RTC_GPIO12, HSPIWP, HS2_DATA0, SD_DATA0
IO025GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1, RTC_GPIO11, CLK_OUT1, EMAC_TX_CLK
IO426GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0, RTC_GPIO10, HSPIHD, HS2_DATA1, SD_DATA1, EMAC_TX_ER
IO1627GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD, EMAC_CLK_OUT
IO1728GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD, EMAC_CLK_OUT_180
IO529GPIO5, VSPICS0, HS1_DATA6, EMAC_RX_CLK
IO1830GPIO18, VSPICLK, HS1_DATA7
IO1931GPIO19, VSPIQ, U0CTS, EMAC_TXD0
NC32-
IO2133GPIO21, VSPIHD, EMAC_TX_EN
RXD034GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2
TXD035GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3, EMAC_RXD2
IO2236GPIO22, VSPIWP, U0RTS, EMAC_TXD1
IO2337GPIO23, VSPID, HS1_STROBE
GND38接地

2.3 Strapping 管脚

ESP32共有6个Strapping管脚,软件可以读取寄存器“GPIO_STRAPPING”中这6个位的值。

在芯片上电复位过程中,Strapping管脚对电平釆样并存储到锁存器中,锁存为“0”或“1”,并一直保持到芯片
掉电或关闭。

每一个Strapping管脚都会连接内部上拉/下拉。如果一个Strapping管脚没有连接或者连接的外部线路处于高
阻抗状态,内部弱上拉/下拉将决定Strapping管脚输人电平的默认值。

为改变Strapping比特的值,用户可以应用外部下拉/上拉电阻,或者应用主机MCU的GPIO控制ESP32上
电复位时的Strapping管脚电平。

复位后,Strapping管脚和普通管脚功能相同。

配置Strapping管脚的详细启动模式请参阅表4。

表 4: Strapping 管脚2)

内置 LDO (VDD_SDIO)电压
管脚默认3.3V1.8V
MTDI/GPIO12下拉01
系统启动模式
管脚默认SPI Flash启动模式下载启动模式
GPIO0上拉10
GPIO2下拉无关项0
系统启动过程中,U0TXD输出log 打印信息
管脚默认U0TXD翻转U0TXD静止
MTDO/GPIO15上拉10
SDIO从机信号输入输出时序
管脚默认下降沿输入
下降沿输出
下降沿输入
上升沿输出
上升沿输入
下降沿输出
上升沿输入
上升沿输出
MTDO/GPIO15上拉0011
GPIO5上拉0101

3.功能描述

本章描述了 ESP32S的各个模块和功能。

3.1 CPU和内存

ESP32 内置两个低功耗 Xtensa®32-bit LX6 MCU。片上存储包括:

  • 448KBytes 的 ROM,用于程序启动和内核功能调用
  • 用于数据和指令存储的520 KBytes片上SRAM
  • RTC 中 8KBytes 的 SRAM,即RTC慢速存储器,可以在Deep-sleep模式下被协处理器访问
  • RTC 中 8kBytes 的 SRAM,即RTC快速存储器,可以在Deep-sleep模式下RTC启动时用于数据存储以及被主CPU访问
  • 1kbit 的 EFUSE,其中256 bits为系统专用(MAC地址和芯片设置);其余768 bits保留给用户应用,这些应用包括Flash加密和芯片ID

3.2 外部 Flash 和 SRAM

  ESP32最多支持4个16 MBytes的外部QSPI Flash和静态随机存储器(SRAM),具有基于AES的硬件加密功 能,从而保护开发者的程序和数据。

  • ESP32通过高速缓存访问外部QSPI Flash和SRAM。高达16 MBytes的外部Flash映射到CPU代码空

间,支持8-bit、16-bit和32-bit访问,并可执行代码。

  • 高达8 MBytes的外部Flash和SRAM映射到CPU数据空间,支持8-bit、16-bit和32-bit访问。Flash仅

支持读操作,SRAM可支持读写操作。

3.3晶振

支持频率为40 MHz、26 MHz和24 MHz的晶振。晶振的精确度在±10 PPM之间,工作温度范围在-40°C到85°C之间。

在使用下载工具时请选择正确的晶振类型。在电路设计中,对地调节电容C1和C2被分别添加到晶振的输入和输出终端。两个电容的值可以灵活设定,范围从6 pF到22 pF。但是,具体电容值还需要对整个电路的整体表现进行匹配后才能确定。一般来讲,如果晶振的频率为26 MHz,则C1和C2的电容值在10 pF以内;如果晶振的频率为40 MHz,则C1和C2的电容值为10 pF<C1, C2<22 pF。

RTC晶振的频率通常为32 kHz或32.768 kHz。由于采用了内部校准来校正频率偏移,晶振的频率可能会超出±20 PPM的范围。当芯片在低功耗模式下工作时,设备应选择外置低速32 kHz晶振时钟,而不是内部RC振荡器来获得精确的唤醒时间。

3.4功耗

ESP32拥有先进的电源管理技术,可以在各种省电模式之间切换。

  • 省电模式
    • Active模式:芯片射频处于工作状态。芯片可以接收、发射和侦听信号。
    • Modem-sleep模式:CPU保持运行,时钟可被配置。Wi-Fi/蓝牙基带和射频关闭。
    • Light-sleep模式:CPU暂停运行。RTC和ULP协处理器运行。任何唤醒事件(MAC、主机、RTC定时器或外部中断)都会唤醒芯片。
    • Deep-sleep模式:只有RTC处于工作状态。Wi-Fi和蓝牙连接数据存储在RTC中。ULP协处理器保持运行。
    • Hibernation模式:内置的8 MHz振荡器和ULP协处理器均被禁用。RTC内存回收电源被切断。只有一个位于慢时钟上的RTC时钟定时器和某些RTC GPIO处于激活状态。RTC定时器或RTC GPIO可以将芯片从Hibernation模式中唤醒。
  • 睡眠方式
    • 关联睡眠方式:省电模式在Active模式与Modem-sleep模式/Light-sleep模式之间切换。CPU、Wi-Fi、蓝牙和射频按照预设定期被唤醒以保证Wi-Fi/蓝牙的连接。
    • 超低功耗传感器监测方式:主系统处于Deep-sleep模式,ULP协处理器定期被开启或关闭来测量传感器数据。根据传感器测量到的数据,ULP协处理器决定是否唤醒主系统。功耗随省电模式/睡眠方式以及功能模块的工作状态而改变(见表5)。

表5:不同省电模式下的功耗

省电模式描述功耗
Active (射频工作)Wi-Fi Tx packet 13 dBm~21 dBm160~260 mA
Wi-Fi/BT Tx packet 0 dBm120 mA
Wi-Fi/BT Rx和侦听80~90 mA
关联睡眠方式(与Light-sleep模式关联)0.9 mA@DTIM3, 1.2 mA@DTIM1
Modem-sleepCPU处于工作状态最大速度:20 mA
正常速度:5~10 mA
慢速:3 mA
Light-sleep-0.8 mA
Deep-sleepULP协处理器处于工作状态0.5 mA
超低功耗传感器监测方式25 uA @1 % duty
RTC定时器+RTC存储器20uA
Hibernation仅有RTC定时器处于工作状态2.5 uA

3.5外设接口

表6:接口描述3)

接口信号管脚功能
ADCADC1_CH0SENSOR_VP两个 12-bit 的 SAR ADCs
ADC1_CH3SENSOR_VN
ADC1_CH4IO32
ADC1_CH5IO33
ADC1_CH6IO34
ADC1_CH7IO35
ADC2_CH0IO4
ADC2_CH1IO0
ADC2_CH2IO2
ADC2_CH3IO15
ADC2_CH4IO13
ADC2_CH5IO12
ADC2_CH6IO14
ADC2_CH7IO27
ADC2_CH8IO25
ADC2_CH9IO26
超低噪声前置模拟放大器SENSOR_VPIO36通过PCB上更大的电容来为ADC提供大约60 dB的增益。
SENSOR_VNIO39
DACDAC_1IO25两个8-bit的DACs
DAC_2IO26
触摸传感器TOUCH0IO4电容式触摸传感器
TOUCH1IO0
TOUCH2IO2
TOUCH3IO15
TOUCH4IO13
TOUCH5IO12
TOUCH6IO14
TOUCH7IO27
TOUCH8IO33
TOUCH9IO32
SDSDIO / MMC 主机控制器HS2_CLKMTMS符合V3.01标准的SD卡
HS2_CMDMTDO
HS2_DATA0IO2
HS2_DATA1IO4
HS2_DATA2MTDI
HS2_DATA3MTCK
电机PWMPWM0_OUT0~2任意GPIO3路16-bit定时器产生PWM波形,
每路包含一对输出信号。
3个故障检测信号。
3个even capture信号。
3个同步信号。
PWM1_OUT_IN0~2
PWM0_FLT_IN0~2
PWM1_FLT_IN0~2
PWM0_CAP_IN0~2
PWM1_CAP_IN0~2
PWM0_SYNC_IN0~2
PWM1_SYNC_IN0~2
LED PWMledc_hs_sig_out0~7任意GPIO16个独立的通道运行在80 MHz的时钟或
RTC时钟上。占空比精确度:16-bit。
ledc_ls_sig_out0~7
UARTU0RXD_in任意GPIO两个带有硬件流控制和DMA的UART设备
U0CTS_in
U0DSR_in
U0TXD_out
U0RTS_out
U0DTR_out
U1RXD_in
U1CTS_in
U1TXD_out
U1RTS_out
U2RXD_in
U2CTS_in
U2TXD_out
U2RTS_out
I2CI2CEXT0_SCL_in任意GPIO两个I2C设备,以从机或主机模式工作
I2CEXT0_SDA_in
I2CEXT1_SCL_in
I2CEXT1_SDA_in
I2CEXT0_SCL_out
I2CEXT0_SDA_out
I2CEXT1_SCL_out
I2CEXT1_SDA_out
I2SI2S0I_DATA_in0~15任意GPIO用于串行立体声数据的输入输出,并行LCD数据的输出
I2S0O_BCK_in
I2S0O_WS_in
I2S0I_BCK_in
I2S0I_WS_in
I2S0I_H_SYNC
I2S0I_V_SYNC
I2S0I_H_ENABLE
I2S0O_BCK_out
I2S0O_WS_out
I2S0I_BCK_out
I2S0I_WS_out
I2S0O_DATA_out0~23
I2S1I_DATA_in0~15
I2S1O_BCK_in
I2S1O_WS_in
I2S1I_BCK_in
I2S1I_WS_in
I2S1I_H_SYNC
I2S1I_V_SYNC
I2S1I_H_ENABLE
I2S1O_BCK_out
I2S1O_WS_out
I2S1I_BCK_out
I2S1I_WS_out
I2S1O_DATA_out0~23
红外遥控器RMT_SIG_IN0~7任意GPIO8路IR收发器,支持不同波形标准
RMT_SIG_OUT0~7
并行QSPISPIHDSHD/SD2支持Standard SPI、Dual SPI和Quad SPI,可以连接外部Flash和SRAM
SPIWPSWP/SD3
SPICS0SCS/CMD
SPICLKSCK/CLK
SPIQSDO/SD0
SPIDSDI/SD1
HSPICLKIO14
HSPICS0IO15
HSPIQIO12
HSPIDIO13
HSPIHDIO4
HSPIWPIO2
VSPICLKIO18
VSPICS0IO5
VSPIQIO19
VSPIDIO23
VSPIHDIO21
VSPIWPIO22
通用SPIHSPIQ_in/_out任意GPIOStandard SPI包含时钟、片选、MOSI和MISO。这些SPI可连接LCD和其他外设。具有以下特性:
(a) 主机和从机工作模式;
(b) 根据极性(POL)和相位(PHA)的4种模式的SPI格式传输;
(c) 可配置的CLK频率;
(d) 64 Byte 的FIFO和DMA。
HSPID_in/_out
HSPICLK_in/_out
HSPI_CS0_in/_out
HSPI_CS1_out
HSPI_CS2_out
VSPIQ_in/_out
VSPID_in/_out
VSPICLK_in/_out
VSPI_CS0_in/_out
VSPI_CS1_out
VSPI_CS2_out
JTAGMTDIIO12用于软件调试的JTAG
MTCKIO13
MTMSIO14
MTDOIO15
SDIO从机SD_CLKIO6SDIO接口符合V2.0行业标准
SD_CMDIO11
SD_DATA0IO7
SD_DATA1IO8
SD_DATA2IO9
SD_DATA3IO10
EMACEMAC_TX_CLKIO0带MII/RMII接口的以太网MAC
EMAC_RX_CLKIO5
EMAC_TX_ENIO21
EMAC_TXD0IO19
EMAC_TXD1IO22
EMAC_TXD2IO14
EMAC_TXD3IO12
EMAC_RX_ERIO13
EMAC_RX_DVIO27
EMAC_RXD0IO25
EMAC_RXD1IO26
EMAC_RXD2TXD
EMAC_RXD3IO15
EMAC_CLK_OUTIO16
EMAC_CLK_OUT_180IO17
EMAC_TX_ERIO4
EMAC_MDC_outAny GPIO
EMAC_MDI_inAny GPIO
EMAC_MDO_outAny GPIO
EMAC_CRS_outAny GPIO
EMAC_COL_outAny GPIO

4.电气特性

说明:

如无特殊说明,本章所列规格的测试环境为:VBAT= 3.3V, TA= 27°C。

4.1极限参数

表7:极限参数

额定值条件单位
存储温度--40~85°C
最大焊接温度-260°C
供电电压IPC/JEDEC J-STD-020+2.2-+3.6V

4.2建议工作条件

表8:建议工作条件

工作环境名称最小值典型值最大值单位
工作温度--402085°C
供电电压VDD2.23.33.6V

4.3数字端口特性

表9:数字端口特性

端口名称最小值典型值最大值单位
输入逻辑电平低V/L-0.3-0.25VDDV
输人逻辑电平高
0.75VDD-VDD+0.3V
输出逻辑电平低VOLN-0.1VDDV
输出逻辑电平高
0.8VDD-NV

4.4 Wi-Fi 射频

表10: Wi-Fi射频特性

说明最小值典型值最大值单位
通用特性
输人频率2412-2484MHz
输入阻抗-50-
输入反射---10dB
PA的输出功率15.516.521.5dBm
灵敏度
DSSS, 1 Mbps--98-dBm
CCK, 11 Mbps--90-dBm
OFDM, 6 Mbps--93-dBm
OFDM, 54 Mbps--75-dBm
HT20, MCSO--93-dBm
HT20, MCS7--73-dBm
HT40, MCSO--90-dBm
HT40, MCS7--70-dBm
MCS32--91-dBm
邻道抑制
OFDM, 6 Mbps-37-dB
OFDM, 54 Mbps-21-dB
HT20, MCS0-37-dB
HT20, MCS7-20-dB

4.5低功耗蓝牙射频

4.5.1接收器

表11: BLE接收器特性

参数条件最小值典型值最大值单位
灵敏度@0.1% BER---98-dBm
最大接收信号@0.1 % BER-0--dBm
共信道C/I--+10-dB
邻道选择性C/IF = F0 + 1 MHz--5-dB
F = F0 - 1 MHz--5-dB
F = F0 + 2 MHz--25-dB
F = F0 - 2 MHz--35-dB
F = F0 + 3 MHz--25-dB
F = F0 - 3 MHz--45-dB
抗带外阻塞性能30 MHz - 2000 MHz-10--dBm
2000 MHz - 2400 MHz-27--dBm
2500 MHz - 3000 MHz-27--dBm
3000 MHz - 12.5 GHz-10--dBm
互调性能--36--dBm

4.5.2发射器

表12: BLE发射器特性

参数条件最小值典型值最大值单位
射频发射功率--+7.5+10dBm
射频功率控制范围--25-dB
邻道发射功率F = F0 + 1 MHz--14.6-dBm
F = F0 - 1 MHz--12.7-dBm
F = F0 + 2 MHz--44.3-dBm
F = F0 - 2 MHz--38.7-dBm
F = F0 + 3 MHz--49.2-dBm
F = F0 - 3 MHz--44.7-dBm
F = F0 + > 3 MHz--50-dBm
F = F0 - > 3 MHz--50-dBm
∆f1avg---265kHz
∆f2max-247--kHz
∆f2avg/∆f1avg---0.92--
ICFT---10-kHz
频率漂移率--0.7-kHz/50us
频率漂移--2-kHz

4.6回流焊温度曲线

表13:回流焊温度曲线

项目
升温速率TS最大值到TL最大值3°C/秒
预热
最小温度值(TS Min.)150°C
典型温度值(TSTyp.)175°C
最大温度值(TS Max.)200°C
时间(TS)60-180秒
升温速率(TL到TP)最大值3°C/秒
持续时间:温度(TL) /时间(TL)217°C/60~150秒
温度峰值(TP)最高温度260°C,持续10秒
目标温度峰值(TP目标值)260°C +0/-5°C
实际温度峰值(tP) 5°C持续时间20~40秒
降温速率TS最大值到TL最大值6°C/秒
从25°C调至温度峰值所需时间(t)最长8分钟

说明:

32 kHz的板上晶振连接ESP32的GPIO32和GPIO33。要使用IO32和IO33的ADC、Touch或GPIO功能,需要移除 32 kHz的晶振和其电容器C13和C17,并且焊接0ohm电阻器 R5和R6。

5.原理图

ESP32S电路原理图4)

esp32s_sch

附1.最小系统电路

ESP32S最小系统图

附2.自动烧录电路

将模组的 EN、GPIO 引脚与串口芯片的 DTR 和 RTS 连接,即可实现软件控制运行模式

ESP32S自动烧录


1) 
可另行定制通过125°C条件下2000小时可靠性测试的高温版模组。
2) 
固件可以通过配置一些寄存器比特位,在启动后改变“内置LDO (VDD_SDIO)电压”和“SDIO从机信号输入输出时序”的设定。
3) 
电机PWM、LEDPWM、UART、I2C、I2S、通用SR和红外遥控器的功能可以被配置到任意GPIO。
4) 
C1、C2的容值随晶振的选择而定

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