La programmazione dei microcontrollori ESP32

In questo articolo, faremo una panoramica introduttiva sui microcontrollori ESP32 e, successivamente, ne tratteremo la progettazione descrivendo i linguaggi di programmazione e gli ambienti di sviluppo.

Introduzione

Nata nel 2008, l’azienda cinese Espressif Systems specializzata nella produzione di dispositivi di comunicazione wireless, nei primi anni di attività ha realizzato, e lanciato sul mercato nel 2013, il suo primo prodotto: l'ESP8089, un sistema su chip (SoC) Wi-Fi da 2,4 GHz. I chipset Espressif sono stati utilizzati anche negli adattatori Wi-Fi e Bluetooth delle schede Arduino per la funzione di modem, fornendo una connessione dati tra Arduino e la rete, ma non avevano una propria intelligenza.

Con l'introduzione del modulo ESP-01 nel 2014, è avvenuto un cambiamento radicale nella produzione di dispositivi di tecnologia wireless di Espressif. Diffusosi rapidamente grazie al suo basso costo, l'ESP-01 era un modulo basato su un chipset Espressif ESP8266. Come gli altri moduli Wi-Fi Espressif, è stato utilizzato negli adattatori per microcontrollori come Arduino.
Ma l'ESP8266 aveva anche una caratteristica che lo rendeva speciale: non era solo un modem Wi-Fi e Bluetooth, ma integrava anche un microcontrollore, il microcontrollore Tensilica Xtensa L106 a 32 bit.

Una volta compreso che l'ESP8266 era un microcontrollore a sé stante, la comunità dei makers ha lavorato per fornire strumenti di sviluppo e documentazione. Gran parte di quel lavoro iniziale era incentrato su una scheda realizzata da un produttore terzo: AI-Thinker.

In Figura 1 è riportato il modulo ESP8266 AI-Thinker.

Figura 1: ESP8266 AI-Thinker

Oltre ad aver fornito documentazione in inglese e altre lingue, Espressif ha reso disponibile l’ambiente di sviluppo ESP-IDF (IoT Development Framework). L'avvento di firmware open source come NodeMCU e la compatibilità con Arduino ha reso l'ESP8266 una scelta popolare per i produttori e gli sperimentatori.

Lanciato da Espressif nel 2016, l'ESP32, una versione aggiornata e più potente dell'ESP8266, prevedeva l’incremento di porte I/O, memoria, potenza di elaborazione e funzionalità. Insieme al rilascio dell'ESP32, Espressif ha anche fornito un'ampia documentazione multilingue, strumenti di sviluppo aggiornati e un gestore di schede per l'IDE Arduino con un'ampia raccolta di sketch di esempio. Il supporto e le schede di sviluppo a basso costo basate sul microcontrollore ESP32 prodotte da Espressif e da altri produttori, hanno rapidamente reso l'ESP32 un prodotto di grande interesse per i produttori e gli sperimentatori.

Qualche anno dopo il lancio (intorno al 2017), Espressif ha apportato una serie di aggiornamenti all'ESP32 rispetto alla versione iniziale aggiornata dell’ESP8266, che hanno portato alla realizzazione di quattro linee di prodotto ESP, oltre all'ESP8266 ancora disponibile. Il risultato sono decine di dispositivi e moduli SoC ESP32 da cui sono scaturite centinaia di schede di sviluppo di Espressif e di altri produttori, la maggior parte con caratteristiche e specifiche leggermente diverse.

Di seguito, sono descritti tre formati diversi di ESP32 prodotti da Espressif.

Chip SoC: SoC (System-on-a-Chip) è il formato più basilare di ESP32, pensato per i produttori in grado di progettare i propri circuiti e di ottenerne la certificazione FCC se utilizzano componenti RF. Sebbene la maggior parte dei produttori non lavori direttamente con i chip SoC, è importante conoscerne le specifiche, in quanto sono al centro di ogni progetto.

La Figura 2 mostra il chip SoC ESP32-C3 Espressif.

Figura 2: SoC ESP32-C3 Espressif

Moduli: i moduli sono sistemi di chip SoC integrati racchiusi in un guscio metallico che si vedono sulla maggior parte delle schede di sviluppo ESP32, su cui è inciso il numero di parte ESP32. I SoC sono internamente pre-cablati a connessioni per il collegamento con linee esterne. Il modulo di SoC integrati è più facile da progettare ed evita la necessità della certificazione FCC, come ha già fatto Espressif. La certificazione è un processo lungo e costoso che solo i grandi produttori sono disposti ad assorbire, quindi la maggior parte dei produttori terzi di schede ESP32 utilizza i moduli. Alcuni sperimentatori avanzati, che progettano le proprie schede, utilizzano moduli.

In Figura 3 viene mostrato il modulo ESP32-WROOM-32U Espressif senza e con involucro metallico.

Figura 3: Modulo ESP32 Espressif

DevKit: le DevKit sono schede di sviluppo prodotte da Espressif in cui vengono utilizzati chip SoC o moduli ESP32, spesso con circuiti aggiuntivi come display OLED, pulsanti e LED. Queste schede possono essere prodotte anche da altri produttori come Adafruit, Sparkfun, LilyGo, Seeed Studio, Arduino e altri, ma solitamente usano moduli e includono anche funzionalità extra.

Le schede di sviluppo ESP32 DevKit prodotte da Espressif utilizzate da hobbisti, sperimentatori e sviluppatori, sono schede costituite generalmente da un modulo ESP32, interfaccia USB e periferiche integrate come display, interfacce e circuiti audio. Tutte le schede DevKit sono supportate da documentazione multilingue online. La DevKit è una scelta eccellente per sperimentatori e hobbisti.

Tra le varie DevKit disponibili sono consigliabili le seguenti schede.

ESP32-S3 DevKit-C

Questa scheda rende disponibili tutti i pin I/O e le funzionalità dell'ESP32-S3 tramite i suoi 44 pin. La scheda ha anche due connettori USB-C; si puoi usarne uno per programmare e comunicare con la scheda, mentre l'altro può essere usato quando l'ESP32 emula un dispositivo USB.

La Figura 4 riporta una scheda ESP32-S3 DevKit-C.

Figura 4: Una scheda ESP32-S3 DevKit-C

ESP32-C6 DevKit-C

Questa scheda di sviluppo a basso costo è ideale per iniziare a sperimentare con Thread, Zigbee o Matter. Dei 32 pin di ESP32-C6, 25 pin sono I/O. Ha anche due connettori USB-C e 8 MB aggiuntivi di memoria Flash per l'archiviazione dei dati non volatili.

La Figura 5 mostra una scheda ESP32-C6 DevKit-C.

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