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ESP8266

32-Bit-Mikrocontroller mit WLAN
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Der ESP8266 ist ein kostengünstiger und mit geringem Leistungsbedarf ausgeführter 32-Bit-Mikrocontroller der chinesischen Firma espressif und ermöglicht durch seine offene Bauweise den Aufbau von WLAN-gesteuerten Aktoren und Sensoren. Als freie Entwicklungswerkzeuge stehen unter anderem die GNU Compiler Collection inkl. Toolchain zur Verfügung.[1]

ESP8266-IC
Handelsübliches ESP8266-Modul mit Prozessor-Chip (links) und externem Flash-Speicher (rechts) für die Firmware. Im oberen Bildbereich die gedruckte WLAN-Antenne
Bild des ESP8266-Die

Architektur

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Der 32-Bit-Prozessorkern vom Typ Xtensa LX106 von Tensilica arbeitet mit einem Systemtakt von 80 MHz – 160 MHz, hat 64 kB RAM als Befehlsspeicher und 96 kB RAM als Datenspeicher und einen internen Festwertspeicher (ROM), welcher einen unveränderlichen Bootloader beinhaltet. Als Besonderheit und aus Kostengründen weist der ESP8266 keinen internen nicht-flüchtigen und programmierbaren Flash-Speicher für die anwendungsspezifische Firmware auf. Die komplette Firmware ist in einem externen, seriellen Flash-Speicher abgelegt und wird zur Ausführung blockweise in den internen RAM-Speicher geladen und dort ausgeführt.[2] Als Peripherie stehen unter anderem eine SPI-Schnittstelle und ein integriertes Wireless Local Area Network (WLAN nach IEEE 802.11 b/g/n) zur Verfügung. Der ESP8285 ist eine kostengünstige Variante mit 1 MiB integrierten Flashspeicher.

Der Mikrocontroller ist auch zusammen mit einer Minimalbeschaltung aus Schwingquarz und Flash-Speicher in Form verschiedener Module zum direkten Einsatz erhältlich. Je nach Modul sind bis zu zwölf I/O-Ports, eine I²C-Schnittstelle, eine I²S-Schnittstelle, eine SPI-Schnittstelle, eine asynchrone serielle Schnittstelle (UART) und ein 10-Bit-Analog-Digital-Umsetzer herausgeführt. Alle I/Os werden mit 3,3 V betrieben. Die maximale Betriebsspannung ist 3,6 V (Operating Voltage 2,5 V ~ 3,6 V laut Datenblatt).

Programmierung

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Unterstützt werden momentan neben GCC und der direkten Programmierung in der Programmiersprache C unterschiedliche Firmware-Varianten:

  • Lua-basierte interaktive Programmierung unter der Bezeichnung NodeMCU.
  • Micropython (Python-basierte interaktive Programmierung)
  • Circuitpython (Python-basierte interaktive Programmierung)
  • Arduino-/C++-basierte Programmierung.[3]
  • AT-Command für die Nutzung als Seriell-zu-WLAN-Schnittstelle
  • ESP Easy zur Ansteuerung von Sensoren/Aktoren über WLAN
  • ESP Basic

Die NodeMCU- und Micropython-Firmware-Varianten unterstützen das interaktive Programmieren auf dem ESP8266. Dabei werden Programme im externen Flash-Speicher abgelegt und das komplizierte Speichermanagement wie das nötige blockweise Nachladen von externen Programmdaten in den internen RAM-Speicher durch entsprechende Softwarefunktionen vom Entwickler abstrahiert, was das Schreiben von Programmen für den ESP8266 erheblich erleichtert.

Als Nachfolger des ESP8266 entwickelte espressif den Mikrocontroller ESP32 mit einigen Verbesserungen wie beispielsweise Bluetooth und einem Hallsensor.[4]

Eigenschaften

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ESP-01 Drahtmodell
  • Prozessor: L106 32-bit RISC-Mikroprozessorkern, basierend auf dem Tensilica Xtensa Diamond Standard 106Micro mit 80 MHz
  • Memory:
    • 32 KiB Befehlsspeicher
    • 32 KiB Befehlsspeichercache
    • 80 KiB Benutzerdaten-RAM
    • 16 KiB ETS Systemdaten-RAM
  • Externer Quad-SPI Flashspeicher: bis zu 16 MiB werden unterstützt (512 KiB bis 4 MiB sind bereits angeschlossen)
  • IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi
  • 802.11n bis 72,2 Mb/s
  • 16 GPIO-PINs
  • SPI
  • I²S-Schnittstellen mit DMA (PINs mit GPIO geteilt)
  • UART auf einem dedizierten PIN, zusätzlich ein reiner Nur-Sende-UART, aktivierbar auf GPIO2
  • 10-bit-ADC mit sukzessiver Approximation
  • RTC auf GPIO16, hiermit kann per Brücke zu RST der Chip aus dem Deep Sleep aufgeweckt werden

Der Mikrocontroller verfügt über keine hardwarebasierte I²C-Schnittstelle, es kann die I²C-Schnittstelle mittels Bit-Banging per Software implementiert werden.[5]

Boot Einschränkungen

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Nicht alle I/O Pins sind frei verwendbar. Der ESP8266 benötigt folgende Pegel beim Booten:

  • Enable und Reset High
  • Booten: GPIO2 und TX High, GPIO0 und GPIO15 Low
  • Flash: GPIO0, GPIO2 und TX High, GPIO15 Low

Dies kann durch leichte (5k) Pullup und Pulldown Widerstände geschehen. TX kann ein Ausgang sein oder offen. Beim Starten kommen über TX bereits serielle Daten.

Pinbelegung des ESP-01

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ESP-01 Modul Pinbelegung

Die Pins, die beim normalen ESP-01-Modul nach außen geführt wurden, sind sehr eingeschränkt:

  1. VCC, Spannung (+3,3 V bis 3,6 V)
  2. GND, Masse (0 V)
  3. RX, Datenpin Empfang X
  4. TX, Datenpin Senden X
  5. CH_PD, Chip power-down, Chip enable, active high (+3.3V)
  6. RST, Reset
  7. GPIO 0
  8. GPIO 2

Da beim ESP-01 der GPIO16 nicht nach außen geführt wurde, unterstützt dieser zunächst kein Deep Sleep. Dieser kann durch selbst anbringen (löten) eines Pinout direkt am Chip realisiert werden.

Espressif-Module

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Espressif selbst hat u. a. folgende ESP8266-basierte Module veröffentlicht:

Name Pins Raster Formfaktor LEDs Antenne Geschirmt Abmessungen (mm) Kommentar
ESP-WROOM-02[6] 18 (davon 9 GPIO) 1,5 mm 2×9 gezahnt Nein PCB Ja 18 × 20 FCC ID 2AC7Z-ESPWROOM02.
ESP-WROOM-02D[7] 18 1,5 mm 2×9 gezahnt Nein PCB Ja 18 × 20 FCC ID 2AC7Z-ESPWROOM02D. Überarbeiteter ESP-WROOM-02, kompatibel mit 150-mil und 208-mil Flashspeichern.
ESP-WROOM-02U[7] 18 1,5 mm 2×9 gezahnt Nein U.FL-Sockel Ja 18 × 20 Unterscheidet sich vom ESP-WROOM-02D darin, dass ein U.FL-Sockel vorhanden ist.
ESP-WROOM-S2[8] 20 1,5 mm 2×10 gezahnt Nein PCB Ja 16 × 23 FCC ID 2AC7Z-ESPWROOMS2.

Ai-Thinker-Module

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Ai-Thinker ESP8266-Module (ESP-12F, schwarz), welche auf Leiterplatten (weiß) aufgelötet sind.

Die untenstehende Tabelle zeigt die erste ESP8266-Modul-Serie des Drittherstellers Ai-Thinker, welches auch die am weitesten verbreitete ist.[9]

Die Angaben zu den Speichergrößen in der Spalte „Bemerkungen“ gelten für alle darunter folgenden Module. Die Bezeichnung ist immer „ESP-xx“. Um die Module zu betreiben, werden weitere Komponenten benötigt, insbesondere eine Spannungsquelle (3,3V – 3,6V) und einen seriellen TTL-zu-USB-Adapter (auch USB-zu-UART-Brücke genannt), welcher zum Programmieren (Flashen) benötigt wird. Projektentwickler und Anfänger können zum Testen und Probieren auch ein NodeMCU-Board verwenden, welches bereits eine USB-zu-UART-Brücke und einen 5V zu 3,3V Pegelwandler beinhaltet und somit schneller und einfacher verwendet werden kann.

Name Pins Raster Formfaktor LEDs Antenne Geschirmt Abmessungen (mm) Bemerkungen Deep Sleep möglich (RST & IO-16)
ESP-01 6 0,1 in 2,54 mm 2×4 DIL Ja PCB Nein 14,3 × 24,8 512 KiB-Version und blaues PCB markenlos. 1 MiB Flash, AI-Cloud und schwarzes PCB von AI-Thinker. Nein
ESP-01S 6 0,1 in 2×4 DIL Ja PCB Nein 14,4 × 24,7 1 MiB Flash
teilweise 4 MiB		 Nein
ESP-01M 16 1,6 mm 2×9 Platinenstecker Nein PCB Ja 18,0 × 18,0 Nutzt den ESP8285 (1 MiB Speicher). Ja
ESP-01F 18 1,1 mm 2×9 gezahnt Nein Lötkontakt Ja 10,0 × 11,0 Nutzt den ESP8285 (1 MiB Speicher). Ja
ESP-02 6 0,1 in 2×4 gezahnt Nein U.FL-Sockel Nein 14,2 × 14,2 Nein
ESP-03 10 2 mm 2×7 gezahnt Nein Keramik Nein 17,3 × 12,1 1 MiB Flash Brücke auf PCB
ESP-04 10 2 mm 2×7 gezahnt Nein Lötkontakt Nein 14,7 × 12,1 Das Pinout von -03 und -04 sind gleich. Dem -04 fehlt jedoch die Antenne. Brücke auf PCB
ESP-05 3 0,1 in 1×5 SIL Nein U.FL-Sockel Nein 14,2 × 14,2 Nein
ESP-06 11 various 4×3 dice Nein keine Ja 14,2 × 14,7 Nicht von der FCC zugelassen. Nein
ESP-07 14 2 mm 2×8 Lötpunkte Ja Keramik + U.FL-Sockel Ja 20,0 × 16,0 Nicht von der FCC zugelassen. Ja
ESP-07S 14 2 mm 2×8 Lötpunkte Nein U.FL-Sockel Ja 17,0 × 16,0 Von der FCC zugelassen. Pinout gleich ESP-12 Modulen Ja
ESP-08 10 2 mm 2×7 gezahnt Nein keine Ja 17,0 × 16,0 Nicht von der FCC zugelassen. Ja
ESP-09 10 various 4×3 dice Nein keine Nein 10,0 × 10,0
ESP-10 3 2 mm 1×5 gezahnt Nein keine Nein 14,2 × 10,0 Nein
ESP-11 6 1,27 mm 1×8 Lötpunkte Nein Keramik Nein 17,3 × 12,1 Nein
ESP-12 14 2 mm 2×8 gezahnt + 6 Ja PCB Ja 24,0 × 16,0 Von der FCC zugelassen.[10] Ja
ESP-12E 20 2 mm 2×8 gezahnt + 6 Ja PCB Ja 24,0 × 16,0 4 MiB flash. Ja
ESP-12F 20 2 mm 2×8 gezahnt + 6 Ja PCB Ja 24,0 × 16,0 Von der FCC zugelassen. Verbesserte Antennenleistung. Ja
ESP-12S 14 2 mm 2×8 gezahnt Ja PCB Ja 24,0 × 16,0 Von der FCC zugelassen.[11] Ja
ESP-13 16 1,5 mm 2×9 gezahnt + 6 Nein PCB Ja 18,0 × 20,0 Ja
ESP-14 22 2 mm 2×8 gezahnt + 6 Nein PCB Ja 24,3 × 16,2

Literatur

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  • Erik Bartmann: Das ESP8266-Praxisbuch: Mit NodeMCU und ESPlorer. Elektor-Verlag, 2016, ISBN 978-3-89576-321-2.
  • Neil Kolban: Kolban's Book on the ESP32 & ESP8266. Leanpub (englisch)
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Commons: ESP8266 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. ↑ esp8266 GCC Toolchain. Abgerufen am 24. Mai 2018.
  2. ↑ Paul Sokolovsky: Getting the most out of ESP8266 (englisch)
  3. ↑ cooper.bin: ESP8266 programmieren - Der Start mit der Arduino IDE. In: makesmart. 10. Februar 2024, abgerufen am 17. September 2024.
  4. ↑ ESP32 Overview | Espressif Systems. Abgerufen am 25. Juli 2017.
  5. ↑ Espressif ESP8266 Developer Zone Discussion Forum: Does ESP8266 actually have hardware I2C? Espressif Systems, User: ESP_Faye, 20. Januar 2016, abgerufen am 16. Oktober 2018.
  6. ↑ Espressif ESP-WROOM-02. Espressif Systems, abgerufen am 29. Juli 2015.
  7. ↑ a b ESP-WROOM-02D/ESP-WROOM-02U Datasheet. Espressif Systems, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 1. Dezember 2017; abgerufen am 25. November 2017.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/espressif.com
  8. ↑ ESP-WROOM-S2 Datasheet. Espressif Systems, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 8. Oktober 2017; abgerufen am 8. Oktober 2017.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.espressif.com
  9. ↑ ESP8266 module family. ESP8266 Community Wiki, abgerufen am 16. Oktober 2018.
  10. ↑ FCC ID 2ADUIESP-12 WIFI Module by Shenzhen Anxinke technology co., LTD. FCC, 30. Dezember 2014, abgerufen am 24. Juni 2015.
  11. ↑ FCC ID 2AHMRESP12S WIFI MODULE by Shenzhen Ai-Thinker Technology co., LTD. FCC, 4. August 2016, abgerufen am 17. Juli 2017.
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