Zur Erleichterung des Einstiegs gibt es ein „Book Development Board“, das sämtliche Komponenten integriert hat, die für die Beispiele verwendet werden. Das sind

• Der Mikrocontroller ESP32-C3, mit USB-C Anschluss für JTAG-Debugging und serielle Log-Ausgaben
• Spannungswandler von 5V (USB) auf 3,3V
• Zwei Taster für Benutzerinteraktion (plus ein Reset-Taster)
• Zwei gelbe LEDs an GPIOs, eine in Push-Konfiguration und eine in Pull-Konfiguration
• 25 dreifarbige WA2812b-LEDs mit eigenem Spannungswandler
• Ein Potentiometer am ADC-Eingang
• Eine Stiftleiste, um ein Modellbau-Servo per PWM anzuschließen
• Stiftleisten zum Anschluss des Displays und des MAX3010x-Boards zum Aufbau eines Pulsoximeters
• Ein Einschub für eine Mikro-SD-Karte
• Eine Sockelleiste mit den seriellen RX und TX-Signalen
• Ein RS-485 Transceiver nebst Stiftleiste für den Anschluss
• Ein Temperatur-/Luftfeuchtesensor, angeschlossen über I2C (nicht im Buch beschrieben, als Zusatz)
• Ein Beschleunigungssensor/Gyroskop, angeschlossen über SPI (nicht im Buch beschrieben, als Zusatz)

bdb, book development board

Wie die einzelnen Komponenten angeschlossen sind, kann dem Schaltplan weiter unten entnommen werden. Wichtig ist, dass Header für Jumper vorgesehen sind, da manche Pins mehrfach verwendet werden.

Konkret werden IO0, IO1, IO3 und IO9 mehrfach belegt und müssen für die jeweilige Anwendung gesetzt werden:

• Für die beiden GPIO-LEDs muss Header 1 nach unten gejumpert werden
• Die CS-Leitungen (SPI) für den Beschleunigungssensor und die SD-Karte befinden sich ebenso auf Header 1. D.h., dass die LEDs und Beschleunigungssensor/SD-Karte nicht gleichzeitig funktionieren.
• Header zwei dient der Auswahl zwischen RS-485 Schnittstelle (IO9 wird hier für die Halbduplex-Richtungswahl verwendet) oder PWM (auf IO9 wird das PWM-Signal generiert).
• Header 3 wählt die Interruptleitung vom Beschleunigungssensor oder vom Pulsoximetersensor.

Es ist auch wichtig zu wissen, dass der Taster SW3APP mit dem Potentiometer gemeinsam verdrahtet ist. Das bedeutet, dass ein Drehen am Poti den Taster auslösen kann. Zur Verwendung des Tasters muss das Poti deshalb in Endstellung sein. Ebenso ändert ein Drücken des Tasters den gemessenen Widerstand des Potis.

Bestellung und Lieferung

Das Board, sowie die Aufsätze Display und MAX3010x sind nun lieferbar. Bitte einfach eine Mail an patrick(AT)ritschel.at schicken, die Stückzahl und ob ein SD1306-Display bzw. ein MAX3010x gewünscht sind. Ich habe aufgrund der geringen Stückzahlen noch keine fixe Preisliste und werde die aktuellen Preise (v.a. der MAX3010x ist schwankt in meinem Einkauf stark) zusenden.

Das Board dient nur dem Zweck des Erlernens eingebetteter Programmierung als Begleitung zum Buch. Es darf nicht für andere Zwecke verwendet werden. Es darf nicht unbeaufsichtigt betrieben werden.

This board is distributed on an "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.

Schaltplan

Der Schaltplan sollte nur als Referenz verwendet werden und darf nicht als Basis kommerzieller Projekte.

The Schematic is in the Public Domain (or CC0 licensed, at your option). Unless required by applicable law or agreed to in writing, this schematic is distributed on an "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.

Das von Espressif hergestellte Board ESP32-C3-DevKitM-1 wird für die Beispiele des Buchs verwendet. Es kann beispielsweise bei Mouser, Digi-Key, Reichelt, Conrad und anderen Elektronikdistributoren bezogen werden.

Speziell für den Einstieg in das Buch und die Implementierung der Beispiele wurde das „Book Development Board“ entwickelt. Leichter kann als mit diesem Board kann der Einstieg nicht gemacht werden.

Es ist aber problemlos möglich, auch andere Boards zu verwenden. Espressif stellt auch das Board ESP32-C3-DevKitC-02 her, das ein Modul mit dem Formfaktor des ESP32-WROOM einsetzt, aber ansonsten kompatibel zum ESP32-C3-DevKitM-1 mit dem Modul im Mini-Format ist.

Interessant für das Prototyping sind die kleinen über Banggood vertriebenen Boards mit kleinem Display (ESP32-C3-0.42LCD) oder 5×5 LED-Matrix (ESP32-C3FH4-RGB).

Die Boards sind mit einer USB-C-Buchse ausgestattet, über die der Code aufgespielt wird. Gleichzeitig dient diese Schnittstelle zum Debuggen. In der Mitte des obigen Bildes ist die Rückseite mit den zwei Tastern und dem ESP32-C3 zu sehen. Oben rechts ist die Chipantenne und links daneben ein Qwiic-Stecker, der von SparkFun-Platinen für I²C verwendet wird, zu sehen. Mit diesem Stecker ist es einfach möglich, externe (Sensor- und Aktor-) Boards ohne Lötaufwand anzustecken. Das Projekt Poxi2 macht von diesem Stecker Gebrauch, allerdings müssen zwei zusätzliche Leitungen gelötet werden.

Bevor mit dem Debuggen begonnen werden kann, muss das ESP-IDF installiert werden. Die Vorgehensweise ist detailliert auf der Espressif-Webseite beschrieben. Für die Beispiele des Buchs wurde die Version 4.4 verwendet. Auf der Webseite links oben kann die gewünschte Version eingestellt werden. Eine neuere Version sollte funktionieren, von einer älteren ist abzuraten.

Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, besitzt das ESP32-C3-DevKitM-1 (beziehungsweise sogar der Mikrocontroller ESP32-C3) ein JTAG-Debuginterface über USB. Allerdings ist der USB-Anschluss, der sich auf dem Board befindet, nur für die serielle Datenübertragung geeignet. Es lässt sich über USB damit eine Applikation über den Bootloader in den Flash speichern und die printf()-Programmausgaben in ein Terminalfenster übertragen, aber nicht debuggen.

Um das Debuggen zu ermöglichen, muss ein zweites USB-Kabel angebracht werden. Ein solches Kabel erfordert etwas Lötarbeit. Organisieren Sie ein altes USB-Kabel, dessen Länge unwichtig ist. Schneiden Sie das Kabel ab und löten Sie Stifte an. Für unsere Zwecke genügt es, die grüne und die weiße Litze mit einem Stift auszustatten. Für Lötfaule gibt es auch die Möglichkeit, ein USB-Kabel mit Pfostenstecker oder Pfostenbuchse im Elektronikhandel zu kaufen. Die folgende Galerie zeigt die Herstellung eines JTAG-Kabels. Die rote (Versorgungsspannung) und die schwarze (Ground) Litze wurden isoliert und nicht verwendet.

Das Kabel muss nun an die Pins 18 (weiße Ader) und 19 (grüne Ader), auf denen such USB-JTAG befindet, angeschlossen werden. Es wird gleichzeitig das „normale“ USB-Kabel angesteckt Dies dient einerseits der seriellen Datenübertragung und andererseits der Stromversorgung.

Nachdem die Verkabelung angebracht ist kann mit dem Debuggen begonnen werden. Derzeit wird Eclipse für das Debugging besser unterstützt, weshalb diese Anleitung sich auch auf dieses IDE stützt. Legen sie ein Projekt an, wie in Ein erstes Projekt erstellen beschrieben. Hier wird das Demobeispiel „blink“ verwendet. Zum Test führen Sie einen Build durch und spielen Sie die Applikation auf. Die Applikation wird automatisch ausgeführt, und die LED blinkt nun im Sekundentakt.

Um den Debugger zu starten muss eine neue Konfiguration angelegt werden. Dazu wird die Konfigurationsliste in Eclipse aufgeklappt und „New Launch Configuration…“ ausgewählt:

Im anschließenden Dialog wird der „Launch Mode“ „Debug“ und der „Launch Configuration Type“ „ESP-IDF GDB OpenOCD Debugging“ ausgewählt:

Nach dem Drücken des „Next“-Buttons wird ein vorausgefüllter Dialog angezeigt. Wesentlich ist hier die korrekte Konfiguration des „Debugger“-Tabs. Der Name der Konfiguration wurde in dem folgenden Screenshot auf „blink Debug Configuration“ geändert:

Wichtig ist, die Auswahl des Board ESP32-C3 chip (via builtin USB-JTAG), da das interne JTAG-Interface des ESP32-C3 verwendet wird.

Nach Abschluss des Erstellens der Konfiguration kann diese ausgewählt und das Debugging gestartet werden:

Drücken auf den „Wanzen“-Button (zweiter Button von links) startet den Debugger und hält in der ersten Zeile in main() an. Nun kann die Applikation wie üblich auf dem Zielsystem debugged werden.

Espressif Systems stellt für die Softwareentwicklung auf ESP32 Mikrocontrollern ein Open Source IoT Development Framework (ESP-IDF) zur Verfügung. Die zugehörige Dokumentation enthält diverse hilfeiche Informationen wie beispielsweise Installationsanleitungen, Datenblätter und Programmierschnittstellen (APIs).

Die ausgewählte Version der Dokumentation muss beachtet werden. Dieser Beitrag verwendet Version 4.4.

In folgendem Beitrag wird die Installation des ESP-IDF Frameworks in einzelnen Schritten beschrieben, darauffolgend ein erstes Projekt erstellt und dieses auf dem Mikrocontroller ausgeführt.

Installation des IoT Development Frameworks (ESP-IDF) für Windows

Das Development Framework als auch die benötigten Softwarekomponenten wurden im ESP-IDF Windows Installer zusammengefasst. Der Installer kann hier heruntergeladen werden.

Nach dem Download kann die Installation gestartet werden. Folgende Bildgalerie zeigt den Installationsablauf. Die ausgewählten Komponenten müssen beachtet werden. Bei der Installation der USB-Treiber erscheint gegebenenfalls eine Windows-Sicherheitsabfrage. Diese muss bestätigt werden um den Treiber zu installieren.

Nach Abschluss der Installation kann die Entwicklungsumgebung (IDE) durch die erstellte Desktop-Verknüpfung gestartet werden. (Espressif-IDE) Beim ersten Start der IDE muss ein Workspace-Pfad angegeben werden.

Der Workspace-Pfad darf KEINE Leerzeichen und Umlaute beinhalten!

Ebenso wird beim ersten Start der IDE eine Willkommensseite dargestellt. Diese kann direkt geschlossen werden.

Nach erfolgreicher Installation kann der ESP32-C3 per USB mit dem Computer verbunden werden. Dieser sollte erfolgreich als USB-Gerät erkannt werden und es sollte ein zugehöriger COM-Port existieren. (Silicon Labs CP210x USB to UART Bridge) Dies kann im Gerätemanager überprüft werden.

Ein erstes Projekt erstellen

Die Espressif-IDE (eine angepasste Eclipse-IDE), die nach der Installation über das Windows-Startmenü gestartet werden kann, bietet die Möglichkeit Espressif IDE Projekte zu erstellen. In diesem Beispiel wird ein Projekt auf Basis der ‚blink‘ Vorlage erstellt.

Als Nächstes muss festgelegt werden für welchen ESP32 Mikrocontroller das aktuelle Projekt entwickelt wird. Dafür muss ein neues ‚Launch Target‘ erstellt werden. Der COM-Port des Controller sollte beim Anschluss per USB automatisch erstellt werden. Die konkrete Portnummer kann im Gerätemanager ermittelt werden.

Jetzt kann das Projekt gebuilded werden. Dafür muss das korrekte ‚Launch Target‘ gewählt und der Build-Vorgang mit einem Klick auf das Hammer-Icon gestartet werden.

Sollten nach dem Build-Vorgang noch Fehler im Editor aufscheinen, liegt dies in der Regel an einem inkonsistenten Index. Dieser kann für das gesamte Projekt aktualisiert werden.

Nach dem erfolgreichen Build kann die Software auf den Mikrocontroller geladen werden. Die Konsole zeigt dabei den Fortschritt an. Das initiale Builden kann mehrere Minuten dauern.

Der Mikrocontroller ist programmiert und die LED des ESP32-C3-DevKitM-1 blinkt.

Zusätzlich kann noch eine Monitor-Verbindung geöffnet werden. Diese serielle Verbindung kann für Logging verwendet werden. In diesem Beispiel-Projekt wird der Wechsel des LED-Status gelogged. Die serielle Verbindung kann auch wieder beendet werden.

Der nächste Schritt, das Debugging, wird im Beitrag Debuggen mit dem ESP32-C3 beschrieben.