快速入门

[English]

本文档旨在指导用户搭建 ESP32 硬件开发的软件环境,通过一个简单的示例展示如何使用 ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) 配置菜单,并编译、下载固件至 ESP32 开发板等步骤。

注解

这是ESP-IDF master 分支(最新版本)的文档,该版本在持续开发中。还有 Stable version 的文档,以及其他版本的文档 ESP-IDF 版本简介 供参考。

概述

ESP32 SoC 芯片支持以下功能:

  • 2.4 GHz Wi-Fi

  • 蓝牙

  • 高性能双核

  • 超低功耗协处理器

  • 多种外设

ESP32 采用 40 nm 工艺制成,具有最佳的功耗性能、射频性能、稳定性、通用性和可靠性,适用于各种应用场景和不同功耗需求。

乐鑫为用户提供完整的软、硬件资源,进行 ESP32 硬件设备的开发。其中,乐鑫的软件开发环境 ESP-IDF 旨在协助用户快速开发物联网 (IoT) 应用,可满足用户对 Wi-Fi、蓝牙、低功耗等方面的要求。

准备工作

硬件:

  • 一款 ESP32 开发板

  • USB 数据线 (A 转 Micro-B)

  • 电脑(Windows、Linux 或 Mac OS)

软件:

您可以选择下载并手动安装以下软件:

  • 设置 工具链,用于编译 ESP32 代码;

  • 编译构建工具 —— CMake 和 Ninja 编译构建工具,用于编译 ESP32 应用程序

  • 获取 ESP-IDF 软件开发框架。该框架已经基本包含 ESP32 使用的 API(软件库和源代码)和运行 工具链 的脚本;

或者,您也可以通过以下集成开发环境 (IDE) 中的官方插件完成安装流程:

ESP32 应用程序开发

ESP32 应用程序开发

开发板简介

请点击下方连接,了解有关开发板的详细信息。

第一步:安装准备

在正式开始创建工程前,请先完成工具的安装,具体步骤见下:

windows-logo

linux-logo

macos-logo

Windows

Linux

macOS

注解

在本文档中,Linux 和 macOS 操作系统中 ESP-IDF 的默认安装路径为 ~/esp;Windows 操作系统中的默认安装路径为 %userprofile%\esp。您也可以将 ESP-IDF 安装在任何其他路径下,但请注意在使用命令行时进行相应替换。注意,ESP-IDF 不支持带有空格的路径。

第二步:获取 ESP-IDF

在围绕 ESP32 构建应用程序之前,请先获取乐鑫提供的软件库文件 ESP-IDF 仓库

获取 ESP-IDF 的本地副本:打开终端,切换到您要保存 ESP-IDF 的工作目录,使用 git clone 命令克隆远程仓库。针对不同操作系统的详细步骤,请见下文。

Linux 和 macOS 操作系统

打开终端,后运行以下命令:

mkdir -p ~/esp
cd ~/esp
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

ESP-IDF 将下载至 ~/esp/esp-idf

请前往 ESP-IDF 版本简介,查看 ESP-IDF 不同版本的具体适用场景。

Windows 操作系统

除了安装必要工具外,第一步中介绍的 ESP-IDF 工具安装器 也能同时下载 ESP-IDF 本地副本。

请前往 ESP-IDF 版本简介,查看 ESP-IDF 不同版本的具体适用场景。

除了使用 ESP-IDF 工具安装器,您也可以参考 指南 手动下载 ESP-IDF。

第三步:设置工具

除了 ESP-IDF 本身,您还需要安装 ESP-IDF 使用的各种工具,比如编译器、调试器、Python 包等。

Windows 操作系统

请根据第一步中对 Windows (ESP-IDF 工具安装器) 的介绍,安装所有必需工具。

除了使用 ESP-IDF 工具安装器,您也可以通过 命令提示符 窗口手动安装这些工具。具体步骤见下:

cd %userprofile%\esp\esp-idf
install.bat

或使用 Windows PowerShell

cd ~/esp/esp-idf
./install.ps1

Linux 和 macOS 操作系统

cd ~/esp/esp-idf
./install.sh

下载工具备选方案

ESP-IDF 工具安装器会下载 Github 发布版本中附带的一些工具,如果访问 Github 较为缓慢,则可以设置一个环境变量,实现优先选择 Espressif 的下载服务器进行 Github 资源下载。

注解

该设置只影响从 Github 发布版本中下载的单个工具,它并不会改变访问任何 Git 仓库的 URL。

Windows 操作系统

如果希望在运行 ESP-IDF 工具安装器或在使用命令行安装工具时优先选择 Espressif 下载服务器,可通过以下方式设置:打开系统控制面板,然后点击高级设置,添加一个新的环境变量(类型为用户或系统都可以,名称为 IDF_GITHUB_ASSETS,值为 dl.espressif.com/github_assets),最后点击确定。

如果在添加新的环境变量前命令行窗口或 ESP-IDF 工具安装器窗口已经打开,请关闭这些窗口后重新打开。

当设置好这个新的环境变量后,ESP-IDF 工具安装器以及命令行安装程序将会优先选择 Espressif 下载服务器。

Linux 和 macOS 操作系统

要在安装工具时优先选择 Espressif 下载服务器,请在运行 install.sh 时使用以下命令:

cd ~/esp/esp-idf
export IDF_GITHUB_ASSETS="dl.espressif.com/github_assets"
./install.sh

自定义工具安装路径

本步骤中介绍的脚本将 ESP-IDF 所需的编译工具默认安装在用户的根目录中,即 Linux 和 macOS 系统中的 $HOME/.espressif 和 Windows 系统的 %USERPROFILE%\.espressif。此外,您可以将工具安装到其他目录中,但请在运行安装脚本前,重新设置环境变量 IDF_TOOLS_PATH。注意,请确保您的用户已经具备了读写该路径的权限。

如果修改了 IDF_TOOLS_PATH 变量,请确保该变量在每次执行安装脚本 (install.batinstall.ps1install.sh) 和导出脚本 (export.batexport.ps1export.sh) 均保持一致。

第四步:设置环境变量

此时,您刚刚安装的工具尚未添加至 PATH 环境变量,无法通过“命令窗口”使用这些工具。因此,必须设置一些环境变量,这可以通过 ESP-IDF 提供的另一个脚本完成。

Windows 操作系统

Windows 安装器(ESP-IDF 工具安装器 )可在“开始”菜单创建一个 “ESP-IDF Command Prompt” 快捷方式。该快捷方式可以打开命令提示符窗口,并设置所有环境变量。您可以点击该快捷方式,然后继续下一步。

此外,如果您希望在当下命令提示符窗口使用 ESP-IDF,请使用下方代码:

%userprofile%\esp\esp-idf\export.bat

或使用 Windows PowerShell

.$HOME/esp/esp-idf/export.ps1

Linux 和 macOS 操作系统

请在需要运行 ESP-IDF 的终端窗口运行以下命令:

. $HOME/esp/esp-idf/export.sh

对于 fish shell(仅支持 fish 3.0.0 及以上版本),请运行以下命令:

. $HOME/esp/esp-idf/export.fish

注意,命令开始的 “.” 与路径之间应有一个空格!

如果您需要经常运行 ESP-IDF,您可以为执行 export.sh 创建一个别名,具体步骤如下:

  1. 复制并粘贴以下命令到 shell 配置文件中(.profile.bashrc.zprofile 等)

    alias get_idf='. $HOME/esp/esp-idf/export.sh'
    
  2. 通过重启终端窗口或运行 source [path to profile],如 source ~/.bashrc 来刷新配置文件。

现在您可以在任何终端窗口中运行 get_idf 来设置或刷新 esp-idf 环境。

这里不建议您直接将 export.sh 添加到 shell 的配置文件。因为这会导致在每个终端会话中都激活 IDF 虚拟环境(包括无需使用 IDF 的情况),从而破坏使用虚拟环境的目的,并可能影响其他软件的使用。

第五步:开始创建工程

现在,您可以开始准备开发 ESP32 应用程序了。您可以从 ESP-IDF 中 examples 目录下的 get-started/hello_world 工程开始。

get-started/hello_world 工程复制至您本地的 ~/esp 目录下:

Linux 和 macOS 操作系统

cd ~/esp
cp -r $IDF_PATH/examples/get-started/hello_world .

Windows 操作系统

cd %userprofile%\esp
xcopy /e /i %IDF_PATH%\examples\get-started\hello_world hello_world

ESP-IDF 的 examples 目录下有一系列示例工程,都可以按照上面的方法进行创建。您可以按照上述方法复制并运行其中的任何示例,也可以直接编译示例,无需进行复制。

重要

ESP-IDF 编译系统不支持带有空格的路径。

第六步:连接设备

现在,请将您的 ESP32 开发板连接到 PC,并查看开发板使用的串口。

通常,串口在不同操作系统下显示的名称有所不同:

  • Windows 操作系统: COM1

  • Linux 操作系统:/dev/tty 开始

  • macOS 操作系统:/dev/cu. 开始

有关如何查看串口名称的详细信息,请见 与 ESP32 创建串口连接

注解

请记住串口名,您会在下面的步骤中用到。

第七步:配置

请进入 第五步:开始创建工程 中提到的 hello_world 目录,并运行工程配置工具 menuconfig

Linux 和 macOS 操作系统

cd ~/esp/hello_world
idf.py set-target esp32
idf.py menuconfig

Windows 操作系统

cd %userprofile%\esp\hello_world
idf.py set-target esp32
idf.py menuconfig

打开一个新项目后,应首先设置“目标”芯片 idf.py set-target esp32。注意,此操作将清除并初始化项目之前的编译和配置(如有)。 您也可以直接将“目标”配置为环境变量(此时可跳过该步骤)。更多信息,请见 选择目标芯片

如果之前的步骤都正确,则会显示下面的菜单:

工程配置 — 主窗口

您可以通过此菜单设置项目的具体变量,包括 Wi-Fi 网络名称、密码和处理器速度等. hello_world 示例项目会以默认配置运行,因此可以跳过使用 menuconfig 进行项目配置这一步骤。

注意

如果您使用的是 ESP32-DevKitC(板载 ESP32-SOLO-1 模组),请在烧写示例程序前,前往 menuconfig 中使能单核模式(CONFIG_FREERTOS_UNICORE)。

注解

您终端窗口中显示出的菜单颜色可能会与上图不同。您可以通过选项 --style 来改变外观。更多信息,请运行 idf.py menuconfig --help 命令。

第八步:编译工程

请使用以下命令,编译烧录工程::

idf.py build

运行以上命令可以编译应用程序和所有 ESP-IDF 组件,接着生成 bootloader、分区表和应用程序二进制文件。

$ idf.py build
Running cmake in directory /path/to/hello_world/build
Executing "cmake -G Ninja --warn-uninitialized /path/to/hello_world"...
Warn about uninitialized values.
-- Found Git:/usr/bin/git (found version "2.17.0")
-- Building empty aws_iot component due to configuration
-- Component names: ...
-- Component paths: ...

... (more lines of build system output)

[527/527] Generating hello-world.bin
esptool.py v2.3.1

Project build complete. To flash, run this command:
../../../components/esptool_py/esptool/esptool.py -p (PORT) -b 921600 write_flash --flash_mode dio --flash_size detect --flash_freq 40m 0x10000 build/hello-world.bin  build 0x1000 build/bootloader/bootloader.bin 0x8000 build/partition_table/partition-table.bin
or run 'idf.py -p PORT flash'

如果一切正常,编译完成后将生成 .bin 文件。

第九步:烧录到设备

请使用以下命令,将刚刚生成的二进制文件 (bootloader.bin, partition-table.bin 和 hello-world.bin) 烧录至您的 ESP32 开发板:

idf.py -p PORT [-b BAUD] flash

请将 PORT 替换为 ESP32 开发板的串口名称,具体可见 第六步:连接设备

您还可以将 BAUD 替换为您希望的烧录波特率。默认波特率为 460800

更多有关 idf.py 参数的详情,请见 idf.py

注解

勾选 flash 选项将自动编译并烧录工程,因此无需再运行 idf.py build

烧录过程中可能遇到的问题

如果在运行给定命令时出现如“连接失败”这样的错误,原因之一则可能是运行 esptool.py 出现错误。esptool.py 是编译系统调用的程序,用于重置芯片、与 ROM 引导加载器交互以及烧录固件的工具。解决该问题的一个简单的方法就是按照以下步骤进行手动复位。如果问题仍未解决,请参考 Troubleshooting 获取更多信息。

esptool.py 通过使 USB 转串口转接器芯片(如 FTDI 或 CP210x)的 DTR 和 RTS 控制线生效来自动复位 ESP32(请参考 与 ESP32 创建串口连接 获取更多详细信息)。DTR 和 RTS 控制线又连接到 ESP32 的 GPIO0CHIP_PU (EN) 管脚上,因此 DTR 和 RTS 的电压水平变化会使 ESP32 进入固件下载模式。相关示例可查看 ESP32 DevKitC 开发板的 原理图

一般来说,使用官方的 esp-idf 开发板不会出现问题。但是,esptool.py 在以下情况下不能自动重置硬件。

  • 您的硬件没有连接到 GPIO0CIHP_PU 的 DTR 和 RTS 控制线。

  • DTR 和 RTS 控制线的配置方式不同

  • 根本没有这样的串行控制线路

根据您硬件的种类,也可以将您 ESP32 开发板手动设置成固件下载模式(复位)。 - 对于 Espressif 的开发板,您可以参考对应开发板的入门指南或用户指南。例如,可以通过按住 Boot 按钮 (GPIO0) 再按住 EN 按钮(CHIP_PU) 来手动复位 esp-idf 开发板。 - 对于其他类型的硬件,可以尝试将 GPIO0 拉低。

常规操作

在烧录过程中,您会看到类似如下的输出日志:

...
esptool.py --chip esp32 -p /dev/ttyUSB0 -b 460800 --before=default_reset --after=hard_reset write_flash --flash_mode dio --flash_freq 40m --flash_size 2MB 0x8000 partition_table/partition-table.bin 0x1000 bootloader/bootloader.bin 0x10000 hello-world.bin
esptool.py v3.0-dev
Serial port /dev/ttyUSB0
Connecting........_
Chip is ESP32D0WDQ6 (revision 0)
Features: WiFi, BT, Dual Core, Coding Scheme None
Crystal is 40MHz
MAC: 24:0a:c4:05:b9:14
Uploading stub...
Running stub...
Stub running...
Changing baud rate to 460800
Changed.
Configuring flash size...
Compressed 3072 bytes to 103...
Writing at 0x00008000... (100 %)
Wrote 3072 bytes (103 compressed) at 0x00008000 in 0.0 seconds (effective 5962.8 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 26096 bytes to 15408...
Writing at 0x00001000... (100 %)
Wrote 26096 bytes (15408 compressed) at 0x00001000 in 0.4 seconds (effective 546.7 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 147104 bytes to 77364...
Writing at 0x00010000... (20 %)
Writing at 0x00014000... (40 %)
Writing at 0x00018000... (60 %)
Writing at 0x0001c000... (80 %)
Writing at 0x00020000... (100 %)
Wrote 147104 bytes (77364 compressed) at 0x00010000 in 1.9 seconds (effective 615.5 kbit/s)...
Hash of data verified.

Leaving...
Hard resetting via RTS pin...
Done

如果一切顺利,烧录完成后,开发板将会复位,应用程序 “hello_world” 开始运行。

如果您希望使用 Eclipse 或是 VS Code IDE,而非 idf.py,请参考 Eclipse 指南,以及 VS Code 指南

第十步:监视器

您可以使用 idf.py -p PORT monitor 命令,监视 “hello_world” 工程的运行情况。注意,不要忘记将 PORT 替换为您的串口名称。

运行该命令后,IDF 监视器 应用程序将启动::

$ idf.py -p /dev/ttyUSB0 monitor
Running idf_monitor in directory [...]/esp/hello_world/build
Executing "python [...]/esp-idf/tools/idf_monitor.py -b 115200 [...]/esp/hello_world/build/hello-world.elf"...
--- idf_monitor on /dev/ttyUSB0 115200 ---
--- Quit: Ctrl+] | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x1 (POWERON_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
ets Jun  8 2016 00:22:57
...

此时,您就可以在启动日志和诊断日志之后,看到打印的 “Hello world!” 了。

...
Hello world!
Restarting in 10 seconds...
This is esp32 chip with 2 CPU core(s), WiFi/BT/BLE, silicon revision 1, 2MB external flash
Minimum free heap size: 298968 bytes
Restarting in 9 seconds...
Restarting in 8 seconds...
Restarting in 7 seconds...

您可使用快捷键 Ctrl+],退出 IDF 监视器。

如果 IDF 监视器在烧录后很快发生错误,或打印信息全是乱码(如下),很有可能是因为您的开发板采用了 26 MHz 晶振,而 ESP-IDF 默认支持大多数开发板使用的 40 MHz 晶振。

乱码输出

此时,您可以:

  1. 退出监视器。

  2. 打开 menuconfig

  3. 进入 Component config –> ESP32-specific –> Main XTAL frequency 进行配置,将 CONFIG_ESP32_XTAL_FREQ_SEL 设置为 26 MHz。

  4. 然后,请重新 编译和烧录 应用程序。

注解

您也可以运行以下命令,一次性执行构建、烧录和监视过程:

idf.py -p PORT flash monitor

此外,

  • 请前往 IDF 监视器,了解更多使用 IDF 监视器的快捷键和其他详情。

  • 请前往 idf.py,查看更多 idf.py 命令和选项。

恭喜,您已完成 ESP32 的入门学习!

现在,您可以尝试一些其他 examples,或者直接开发自己的应用程序。

重要

一些示例程序不支持 ESP32,因为 ESP32 中不包含所需的硬件。

在编译示例程序前请查看 README 文件中 Supported Targets 表格。如果表格中包含 ESP32, 或者不存在这个表格,那么即表示 ESP32 支持这个示例程序。

更新 ESP-IDF

乐鑫会不时推出更新版本的 ESP-IDF,修复 bug 或提供新的功能。因此,您在使用时,也应注意更新您本地的版本。最简单的方法是:直接删除您本地的 esp-idf 文件夹,然后按照 第二步:获取 ESP-IDF 中的指示,重新完成克隆。

此外,您可以仅更新变更部分。具体方式,请前往 更新 章节查看。

注意,更新完成后,请再次运行安装脚本,以防新版 ESP-IDF 所需的工具也有所更新。具体请参考 第三步:设置工具

一旦重新安装好工具,请使用导出脚本更新环境,具体请参考 第四步:设置环境变量