Moduły ESP32 to jedne z najpopularniejszych systemów embedded na rynku. Bardzo chętnie korzystają z nich hobbyści, ale ich niewątpliwe zalety doceniają też profesjonalni konstruktorzy. Doceniane przez elektroników cechy ESP32, to przede wszystkim niska cena, stosunkowo duża moc obliczeniowa procesora, a także obecność komunikacji bezprzewodowej Bluetooth oraz Wi-Fi. To czyni tę platformę idealną dla niewielkich urządzeń IoT, takich jak beacony czy zdalne czujniki środowiskowe, aczkolwiek możliwości układów są dużo większe.

Na rynku jest bardzo dużo narzędzi pozwalających przetestować możliwości platformy, nauczyć się korzystać z potencjału układów, a także zaprojektować prototyp urządzenia opartego o ESP32. Poniżej zostanie zaprezentowany jeden z modułów, który niedawno ukazał się na rynku. Jest to zaprojektowany przez polskie biuro konstrukcyjne Kamami.pl moduł KAmodESP32 ETH+POE.

Zestaw KAmodESP32 ETH+POE z interfejsem Ethernet oraz zasilaniem PoE

Rys. 1. Płytka ewaluacyjna KAmodESP32 ETH+POE

Płytka KAmodESP32 ETH+POE to zestaw ewaluacyjny z modułem ESP32, którego wyróżniającymi cechami jest komunikacja Ethernet oraz możliwość zasilania przez PoE (Power over Ethernet). Najważniejszym elementem jest moduł ESP32-WROOM-32, wyposażony w dwa rdzenie obliczeniowe LX6 taktowane z częstotliwością do 240 MHz. Moduł obsługuje komunikację Bluetooth 4.2, Bluetooth LE, a także Wi-Fi 802.11n.

Najważniejsze funkcje modułu ESP32-WROOM-32:

• Dwurdzeniowy procesor Xtensa LX6 z taktowaniem do 240 MHz,
• 448 kB pamięci ROM,
• 520 kB pamięci SRAM,
• 12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy SAR (do 18 kanałów),
• Dwa przetworniki cyfrowo-analogowe o rozdzielczości 8-bitów
• Protokoły Bluetooth v4.2 BR/EDR oraz Bluetooth BLE
• Protokoły Wi-Fi: 802.11 b/g/n (802.11n o przepływności do 150 Mbit/s)
• Zabezpieczenia Wi-Fi: WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS,
• Obsługa interfejsów: karta SD, UART, SPI, SDIO, I²C, LED PWM, Motor PWM, I2S, IR, GPIO, pojemnościowy czujnik dotyku, ADC, DAC, TWAI (CAN),
• Zintegrowana pamięć Flash SPI 4 MB

Moduł zawiera także antenę PCB obsługującą komunikację bezprzewodową, bez konieczności stosowania anten zewnętrznych.

Interfejs Ethernet oraz PoE

Wyróżniającą cechą płytki KAmodESP32 ETH+POE jest port RJ45 i interfejs Ethernet. Służy on do łączenia się z przewodowymi sieciami lokalnymi i jako taki jest nieczęsto stosowany w modułach z mikrokontrolerami. Jako układ interfejsowy (PHY) zastosowano układ LAN8742 firmy Microchip. Jest on kompatybilny z LAN8720 i oferuje wsparcie w środowisku Arduino, co pozwala na łatwą implementację funkcji sieciowych na ESP32. Może działać z prędkościami 100 Mb lub 10 Mb w trybie Full-Duplex lub Half-Duplex, zależnie od potrzeb użytkownika. Driver Ethernet jest połączony z modułem ESP32 poprzez interfejs RMII (Reduced media-independent interface).

Rys. 2. Port RJ45 do obsługi Ethernet i PoE na module KAmodESP32 ETH+POE

Poprzez Ethernet można też zasilać moduł – KAmodESP32 ETH+POE obsługuje technologię PoE. Zasilanie tą metodą jest oczywiście możliwe tylko w kompatybilnej instalacji, zawierającej urządzenie PSE (Power Sourcing Equipments) (np. router PoE) zgodny ze standardem IEEE 802.3af/at.

Zastosowany na płytce kontroler zasilania PoE jest oparty na układzie MP8007, który zachowuje kompatybilność ze standardami IEEE 802.3af – Powered Devices Type-1 oraz IEEE 802.3at – Powered Devices Type-2. Blok zasilania jest skonfigurowany do pracy w klasie 0 (Class 0), która definiuje pobór mocy urządzenia w zakresie 0,5 W do 13 W.

Przy właściwym zasilaniu płytki ewaluacyjnej układ wytwarza napięcia stabilizowane 5 V oraz 3,3 V, które są dostępne na złączu rozszerzeniowym (J1). Mogą one posłużyć do zasilania innych, dodatkowych układów dołączonych do modułu KAmodESP32 ETH+POE, należy jednak pamiętać, aby sumaryczny prąd nie przekraczał 1,5 A.

Pozostałe funkcje modułu

Zestaw zawiera wbudowane złącze typu USB-C, które służy do programowania ESP32, komunikacji za pomocą interfejsu UART, a także zasilania płytki. Złącze jest połączone z kontrolerem typu CH340, który realizuje funkcje konwertera USB-UART. Interfejs szeregowy może być używany w docelowej aplikacji, ale służy także do programowania modułu ESP32. Proces programowania może przebiegać całkowicie automatycznie, ponieważ kontroler CH340 steruje kluczowymi wyprowadzeniami ESP32.

Złącze USB-C może służyć jako alternatywne wejście zasilania, jednak wtedy parametry obwodów zasilania nie będą spełnione. Napięcie na linii 5 V będzie niższe i będzie wynosiło ok. 4,5 V; napięcie na linii 3,3 V nie powinno się zmienić; wydajność prądowa napięć 5 V oraz 3,3 V może być dużo niższa i będzie zależała od rodzaju i parametrów zasilacza dołączonego do portu USB-C.

Złącze J1 zamontowane na płytce to złącze GPIO w standardzie Raspberry Pi. Do pinów złącza doprowadzone są linie zasilania 5 V, 3,3 V, GND oraz niektóre wyprowadzenia GPIO modułu ESP32. Wyprowadzenia interfejsów UART, I²C oraz SPI zostały rozmieszczone tak, jak ma to miejsce w płytkach rodziny Raspberry Pi.

Rys. 3. Rozmieszczenie wyprowadzeń na złączu rozszerzeniowym KAmodESP32 ETH+POE

Opis wyprowadzeń został również naniesiony na spodzie płytki KAmodESP32 ETH+POE.

Płytka KAmod ESP32 ETH+POE ma wymiary 85 mm × 56 mm, więc zgodnych ze standardem przyjętym w komputerach Raspberry Pi. Na płytce znajdują się 4 otwory montażowe o średnicy 3 mm.

Płytkę KAmodESP32 ETH+POE można programować dzięki wszystkim dostępnym opcjom dla układów ESP32. Dostępne jest zarówno popularne środowisko Arduino, jak oficjalny framework ESP-IDF, który można zainstalować jako dodatek do środowiska Eclipse i VS Code. ESP32 umożliwia też programowanie za pomocą takich narzędzi, jak MicroPython czy Platform.IO.

Producent płytki udostępnia na stronie wiki bogatą dokumentację płytki. Umieszczono tam wskazówki dotyczące użytkowania, szczegóły implementacyjne, schemat elektryczny modułu przykładowy kod pozwalający przetestować moduł i zrozumieć sposób programowania płytki oraz wiele ciekawych informacji dotyczących produktu. Warto zapoznać się z zawartymi tam informacjami, aby dowiedzieć się o konstrukcji modułu i szczegółach dotyczących programowania.

Podsumowanie

Płytka KAmodESP32 ETH+POE to jeden z wielu dostępnych na rynku zestawów rozwojowych dla układów ESP32. Wyróżnia się obecnością interfejsu przewodowego Ethernet oraz zasilania PoE. Jest to nietypowa funkcja dla takich płytek ewaluacyjnych. Stosunkowo duża moc obliczeniowa, bogaty wybór dostępnych standardów komunikacyjnych i zasilanie bezpośrednio z sieci są znacznymi zaletami w wielu implementacjach m.in. czujników.

Płytka KAmodESP32 ETH+POE jest dostępna w ofercie sklepu internetowego Kamami.pl