新星杯-ESP32智能硬件开发--ESP32开发环境

本博文内容导读📕🎉🔥

1、ESP32系统的集成开发环境

2、ESP32官方开发环境、ESP-IDF的安装和运行

3、Visual Studio Code、Arduino、MicroPython开发环境在ESP32开发板上的开发方法、 MicroPython开发工具。

开发ESP32程序的软、硬件资源，ESP32开发板、USB数据线(A转Micro-B)、PC（Windows、Linux或Mac OS）

ESP-IDF目前已服务支持数以亿计的物联网设备，并已开发构建多种物联网产品，

例如：照明、消费电子大小家电、支付终端、工控等各类物联网设备。

具有如下特点：

•免费开源： ESP-IDF相关资源已在GitHub上免费开放。用户可在Apache2.0许可下以源代码形式获取ESP-IDF大多数组件，或通过兼容许可证获取第三方组件。

•专业稳定： ESP-IDF具有清晰、严格的发布流程和支持策略，确保用户选择使用稳定     的发布版本，并可持续获得适用于其应用的重要修复程序。每个稳定的发布版本均经过严格的测试流程，以确保版本稳定，客户可快速实现量产。

•功能重构： ESP-IDF集成了大量的软件组件，包括RTOS、外设驱动程序、网络栈、多种协议实现技术以及常见应用程序的使用助手。它提供了典型应用程序所需的大部分构建块，用户在开发应用时只需专注于业务逻辑即可。ESP-IDF不仅具有免费开源的开发工具，还支持Eclipse和VS Code等IDE，确保其易于开发人员使用。

•资源丰富： ESP-IDF 提供详尽的软件组件使用和设计文档，有助于开发人员充分理解ESP-IDF功能，并从中挑选最适合构建其应用程序的模块。ESP-IDF包含100 多个示例，详细说明了其组件及硬件外设的功能和用法。它们经过了严格的测试和维护，是用户开启应用开发的有效参考。

ESP-IDF开发环境的系统功能：

包括了底层硬件支撑、外设驱动、WiFi、蓝牙、TCP/IP、各类库文件、安全机制、工程示例以及第三方支持等。

       ESP-IDF需要安装一些必备工具，才能围绕ESP32构建固件，包括Python、Git、交叉编译器、CMake和Ninja编译工具等。

https://dl.espressif.cn/dl/esp-idf/?idf=4.4

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/stable/esp32/get-started/index.html

运行Hello world

在开发之前，通过micro-USB接口将ESP32开发板接入计算机，Windows系统开始识别硬件。

一般情况下，当ESP32开发板与PC连接时，对应驱动程序已经被打包在操作系统中，可以自动安装。

右击Windows系统桌面上的“此电脑”，依次单击“属性”、“设备管理器”、“端口（COM和LPT）”。Silicon Labs CP210x USB to UART Bridge（COM3），即为ESP32开发板所在的端口。

如果不能正确识别ESP32开发板硬件，就会在PC端口出现带有感叹号的设备，这就需手动安装驱动程序。

首先，在乐鑫官方网站下载对应开发板的驱动程序，其次，在计算机上安装，重启即可。

通过命令行运行

通过Eclipse集成开发环境运行

ESP-IDF构建系统

1.基本概念

•项目：特指一个目录，其中包含了构建可执行应用程序所需的全部文件和配置，以及其他支持型文件，例如，分区表、数据/文件系统分区和引导程序。

•项目配置：保存在项目根目录下名为sdkconfig的文件中，可以通过idf.py menuconfig进行修改，且一个项目只能包含一个项目配置。

•应用程序：是由ESP-IDF构建得到的可执行文件。一个项目通常会构建两个应用程序：项目应用程序（可执行的主文件，即用户自定义的固件）和引导程序（启动并初始化项目应用程序）。

•组件：是模块化且独立的代码，会被编译成静态库（.a文件）并链接到应用程序。部分组件由ESP-IDF官方提供，其他组件则来源于相关开源项目。

•目标：特指运行构建后应用程序的硬件设备。ESP-IDF当前仅支持ESP32这一个硬件目标。 请注意，以下内容并不属于项目的组成部分：

•ESP-IDF并不是项目的一部分，它独立于项目，通过IDF_PATH环境变量（保存esp-idf目录的路径）链接到项目，从而将IDF框架与项目分离。

•交叉编译工具链并不是项目的组成部分，它应该安装在系统PATH环境变量中。

2.项目示例

一个ESP-IDF项目可以看作是多个不同组件的集合，ESP-IDF可以显式地指定和配置每个组件。在构建项目时，构建系统会前往ESP-IDF目录、项目目录和用户自定义目录（可选）中查找所有组件，允许用户通过文本菜单系统配置ESP-IDF项目中用到的每个组件。在所有组件配置结束后构建系统开始编译整个项目。

 3.项目CMakeLists文件

每个项目都有一个顶层CMakeLists.txt文件，包含整个项目的构建设置。默认情况下，项目CMakeLists文件会非常小。

4.组件CMakeLists文件

每个项目都包含一个或多个组件，这些组件可以是ESP-IDF的一部分，也可以是项目自身组件目录的一部分，从自定义组件目录添加。组件是COMPONENT_DIRS列表中包含CMakeLists.txt文件的任何目录。

5.组件配置

每个组件都可以包含一个Kconfig文件，和CMakeLists.txt放在同一目录下。Kconfig文件中包含要添加到该组件配置菜单中的一些配置设置信息。运行menuconfig时，可以在 Component Settings 菜单栏下找到这些设置。

创建一个组件的Kconfig文件，最简单的方法就是使用ESP-IDF中现有的Kconfig文件作为模板，在此基础上进行修改。

6.使用idf.py命令构建系统

•     idf.py命令行工具提供一个前端，可以轻松管理项目的构建过程，管理工具如下：

•     CMake，配置待构建的系统。

•     命令行构建工具（Ninja或GNU Make）。

•     esptool.py，烧录ESP32。

•     idf.py应运行在ESP-IDF的项目目录下，即包含CMakeLists.txt文件的目录。仅包含Makefile的老式项目并不支持idf.py。运行idf.py --help可以查看完整的命令列表。

ESP-IDF插件安装

Visual Studio Code（VS Code）是Microsoft运行于Windows、Mac OS X和Linux之上的跨平台源代码编辑器。具有对JavaScript、TypeScript和Node.js的内置支持，并具有丰富的其他语言（C++、C＃、Java、Python、PHP、Go）和运行时扩展的生态系统。

默认上一节ESP-IDF开发环境已经安装成功。下面针对ESP-IDF在VS Code中的安装步骤，要求已经安装Python、Git和ESP–IDF目录。

（1）打开VS Code界面。

（2）单击左侧上部最下面的扩展图标，在文本框中输入“Chinese Simplified”，安装简体中文插件，重启VS Code即可。

（3）单击扩展图标，在搜索文本框中输入“Espressif IDF”。

（4）单击安装 Visual Studio Code（VS Code）是Microsoft运行于Windows、Mac OS X和Linux之上的跨平台源代码编辑器。具有对JavaScript、TypeScript和Node.js的内置支持，并具有丰富的其他语言（C++、C＃、Java、Python、PHP、Go）和运行时扩展的生态系统。 要求已经安装Python、Git和ESP–IDF目录。

（5）打开菜单栏，单击查看，命令面板…，输入configure ESP…。

（6）单击EXPRESS，由于上一节已经安装了所有的工具，每个工具选择已经安装的目录即可。 （7）安装完成后，左下角的几个重要图标，分别是连接串口、构建工程、烧录程序和监视运行结果。

运行第一个程序

（1）打开文件夹。单击界面的菜单栏，打开已经安装的hello_world文件夹，文件夹中的文件出现在左侧的导航栏中，结构十分清晰。单击hello_world_main.c文件，右侧出现相关内容，工程中所有的文件在这里可以进行编辑。

（2）单击左下角的连接串口图标，在窗口上方会出现串口选择，单击ESP32开发板所有的串口，本开发板使用的是COM3，单击选择。

（3）构建工程，单击左下角的构建图标，在右侧下面的窗口出现编译信息。

（4）单击左下角的烧录图标，窗口上方出现烧录方式，选择UART，在右侧下面的窗口出现烧录信息。

（5）单击监控器，观看程序运行结果，在右侧下方的窗口，出现运行结果。 至此，使用VS Code进行ESP32项目开发，已经成功完成，所有的项目都可以通过VS Code进行开发。可以看到，由于使用图形界面，开发效率有很大的提升。

Arduino开发环境

Arduino IDE是高效实用的Arduino程序开源电子原型平台代码编程辅助工具，ESP32支持使用Arduino进行项目开发，本节包括ESP32插件在Arduino平台的安装以及运行一个程序的具体步骤。

运行第一个程序

成功为Arduino IDE安装了ESP32插件，同时ESP32开发板也已经通过端口选择成功。下面运行一个具体程序。

（1）打开菜单栏的“文件、示例”。

（2）本程序的功能是打印芯片的信息到串口。

（3）单击上传按钮，开始编译和烧录。

（4）单击右上角监视器按钮，打开监视器，查看程序运行结果。

MicroPython开发环境

MicroPython是Python 3语言的精简高效实现，包括Python标准库的一小部分，经过优化可在微控制器和受限环境中运行。MicroPython包含了诸如交互式提示、任意精度整数、关闭、列表解析、生成器、异常处理等高级功能。

MicroPython旨在尽可能与普通Python兼容，将代码从桌面传输到微控制器或嵌入式系统。MicroPython运行完整的Python编译器和运行时，可以获得交互式提示（REPL），以便立即执行命令，以及从内置文件系统运行和导入脚本的功能。REPL具有历史记录，选项卡完成，自动缩进和粘贴模式，以获得良好的用户体验。

开发的准备工作

MicroPython可以在多种嵌入式硬件平台上运行，目前已经支持ESP8266/ESP32、STM32，CC3200、dsPIC33、MK20DX256、nRF51/nRF52、MSP432、XMC4700等多个平台。

其中，ESP8266/ESP32硬件是目前最完善的功能平台之一。要在ESP32开发板上使用Python进行开发，下载ESP32开发板的固件。

固件分为两种，分别是ESP-IDF v3.x和ESP-IDF v4.x，后者的支持功能较多，建议选择。根据开发板是否支持SPIRAM，选择GENERIC或GENERIC-SPIRAM。

下载地址：

http://www.micropython.org/

http://download3.dfrobot.com.cn/uPyCraft/

https://thonny.org/

uPyCraft开发工具

uPyCraft是一款专门为MicroPython设计的IDE。为了用户使用便捷，uPyCraft在所有系统上都采用绿色免安装的形式发布。uPyCraft界面简洁，容易入门，可以直接在ESP32开发板上烧录MicroPython固件，不需要使用esptool进行烧录，大大提高操作的简便性。本书选择版本V1.1进行下载和使用。

该软件为绿色开发工具，不需要安装，直接运行即可，界面如图3-29所示，左侧是导航栏，右侧是经常用到的主要功能按钮。单击菜单栏的“Tools、Serial”，选择开发板所在的串口，本书用COM3，读者选择自己计算机安装时的开发板串口。

单击菜单栏的“Tools、BurnFirmware”，出现烧录固件的界面，board选择esp32，burn_addr选择0x1000，erase_flash选择yes。Firmware Choose点选Users，选择已经下载好的固件文件，单击OK，等待完成固件烧录。

该开发环境自带一些案例，下面打开一个示例analogRead.py。

打开示例后，重新通过菜单栏“Tools，Serial”，选择串口，然后单击右侧工具栏中的运行按钮。由于引脚是空的，下方的信息栏不断变化是随机的模拟值。

如果在开发环境的workSpace下运行程序，离开开发环境后，程序不能在ESP32开发板运行，这适合开发程序时使用，不必每次重烧固件。

如果离开开发环境仍然可以在开发板执行程序，那么文件的名字应为main.py，并将文件存储在设备上，这样每次ESP32开发板加电，默认执行main.py中的代码。但是main.py文件存储在开发板上，每次关闭开发环境，重新将ESP32开发板接入到计算机，都要重新烧录固件。

Thonny开发工具

Thonny是一款Python编辑器，基于Python内置图形库Tkinter开发出来的，支持Windows、Mac、Linux多平台，支持语法着色、代码自动补全、调试等功能，软件非常容易入门，在官网上选择下载自己系统的版本。

（1）打开开发环境，单击菜单栏的“工具、设置、解释器”，解释器和端口的选择。

（2）单击“Install or update firmware”，选择端口和固件位置，单击“安装”，等待完成。

（3）连接LED正极到开发板14引脚，负极连接到ESP32开发板的GND。

（4）打开菜单栏“文件、新文件”、输入代码并保存，选择“此电脑或者MicroPython设备”都可以，单击下载运行按钮，即可运行。

（5）如果上一步选择了“此电脑”，则程序只能在开发环境下运行。如果上一步选择了“MicroPython设备”，则离开Thonny开发环境，重新加电，程序仍然可以正常运行，也就是MicroPython设备是从main.py开始执行的。

如果在开发环境的“此电脑”下运行程序，离开开发环境后，程序不能在ESP32开发板运行，这适合开发程序时使用，不必每次重烧固件。

如果离开开发环境仍然要在开发板上执行程序，那么文件的名字应为main.py，并将文件存储在“MicroPython设备”上，这样每次ESP32开发板加电，默认执行main.py中的代码。但是，main.py文件存储在开发板上，每次关闭开发环境，重新将ESP32开发板接入到计算机，都要重新烧录固件。

MicroPython主要模块

本节针对ESP32常用的MicroPython模块进行简单介绍，以便读者快速学习。主要的模块有通用硬件控制machine以及子模块、网络network、延时和时间time，下面分别总结其用法。

1.machine模块

 此外，machine模块包括常量和重要的类。

IRQ唤醒值常量包括machine.IDLE、machine.SLEEP、machine.DEEPSLEEP。

重置原因常量包括machine.DEEPSLEEP_RESET、machine.PWRON_RESET、machine.HARD_RESET、machine.WDT_RESET、machine.SOFT_RESET；唤醒原因常量，包括machine.WLAN_WAKE、machine.PIN_WAKE、machine.RTC_WAKE。

重要的类：Pin类，控制I/O引脚。Signal类，控制和感应外部I/O设备。UART类，双工串行通信总线。SPI类，串行外设接口总线协议(主机)。I2C类，双线串行协议。RTC类，实时时钟。定时器类，控制硬件定时器。WDT类，看门狗定时器。

1.Pin类

Pin类主要用于控制I/O引脚，引脚对象用于控制I/O引脚。Pin对象通常与一个可驱动输出电压和读取输入电压的引脚相关联。引脚类有设置引脚模式（IN、OUT等）以及设置数字逻辑的方法。对引脚的模拟控制，例如，ADC。

引脚对象通过使用明确指定某个I/O引脚的标识符来构建。每一个标识符都对应到一个引脚，标识符可能是整数、字符串或者一个带有端口和引脚编号的元组。

2.Signal类

Signal类用于控制和感应外部I/O设备，信号类是引脚类的简单延伸。信号类增加了对引脚功能的逻辑反转支持。虽然只是简单的补充，但主要为了支持不同开发板移植，是MicroPython的主要目标之一。根据MicroPython给出的定义，以下为信号和引脚的使用指南：

使用信号：要控制一个类似LED、多段指示器、继电器、蜂鸣器等简单开/关（包括软件PWM）设备，或读取类似常开或常闭按钮、拉高或拉低、磁簧开关、水分/火焰检测器等简单的二进制传感器。总之，需要GPIO访问的真实物理设备/传感器，可能需要使用信号。

3. UART类

UART类实现的标准UART/USART双向串行通信协议。其物理层包括两条线：RX和TX，通信单元是一个可为8位或9位宽的字符。

4. SPI类 串行外设的接口总线协议SPI，由主机驱动的同步串行协议。总线的物理层包括3条线：SCK、MOSI、MISO。多个设备可共享同一总线。每台设备应有一个单独的SS信号（从属选择），在总线上选择一台特定设备以进行通信。SS信号的处理应在用户编码（通过machine.Pin类）中进行。

5.I2C类

I2C是一个设备间通信的双线串行协议。其物理层包含两条线：SCL和SDA，分别为时钟和数据线。I2C对象在特定总线上创建，可在创建时或创建后初始化。

硬件和软件I2C实现都通过machine.I2C和machine.SoftI2C类。硬件I2C使用系统的底层硬件支持来执行读/写操作，通常高效且快速，但可能会限制使用哪些引脚。软件I2C可以在任何引脚上使用，但效率不高。二者具有可用的相同方法，区别在于它们的构造方式。

6. RTC类

实时时钟RTC是一个独立的时钟，可追踪日期和时间。

7. Timer类

Timer类是硬件定时器处理周期和事件的时间。在MCUs和SoCs中，定时器可能是最为灵活和异构的硬件，其根据模型不同而大有不同。MicroPython的Timer类使用一个给定周期定义执行回调的基线操作，并允许特定板来定义更多非标准行为。

8.WDT类

看门狗定时器WDT类，用于在应用程序崩溃且最终进入不可恢复状态时重启系统。一旦开始，就不可停止或重新配置。启用后，应用需定期“喂养”看门狗，以防止其终止并重置系统。

 ESP/ESP32模块 特定函数方法