Architecting Life

在完成之前的 《ESP32-S3 最小开发板》 之后，想到很长一段时间，都是用 ESP32-S3 做物联网相关的应用。在这过程中，又会碰到一些会经常重复使用的模块，例如 LCD 屏幕、I2C 外设等，这个时候如果有一个现成的扩展板，就可以省去很多通过杜邦线连接模块的时间，提升应用开发效率。

在做完 ESP32-S3 最小开发板之后，我就根据自己的需求，并且参考了一些其他扩展板，开始设计一个主要用于物联网领域的扩展板。

设计目标

和 ESP32-S3 最小开发板一样，为了使初学者更容易使用，这次的扩展板也会基于容易焊接的前提去规划，主要使用 0805 元件和 2.54mm 排母插件，其中多数元件以模块的方式来引入，这样可以在淘宝购买对应的模块直插，避免在模块的电路设计上花费太多时间。

整个扩展板以输入模块、输出模块和总线模块三部分组成，对应到物联网开发中的大多数展示以及交互场景。

输入模块

• 5 个用户按键
  • 接受用户输入，可以作为方向键，也可以模拟鼠标移动和按下操作
• 多功能按键
  • 常见的手持设备，会提供一个多功能按键来实现向上、向下、按压三种操作
• TF 读卡器
  • 用于数据文件的保存和读取

输出模块

• LCD 屏幕
  • 显示界面和数据
• WS2812 LED
  • 状态指示，灯光效果

总线模块

• I2C 总线
  • 常见传感器模块都支持 I2C 通信，需要支持多个 I2C 模块同时连接
• SPI 总线
  • 和屏幕或者 TF 读卡器模块进行通信

功能设计

整体原理图

输入模块

5 个用户按键

作为常见的用户输入途径，扩展板设计了 5 个用户按键，使用五向按键布局，这样在一些场景中，可以模拟鼠标的移动和按下操作。

因为是和 ESP32-S3 配合使用，ESP32-S3 的 GPIO 内置了上拉电阻，可以通过 pinMode(GPIO, INPUT_PULLUP) 方式启用，因此在 PCB 上直接将 GPIO、按键、地连接。

按钮按下时，GPIO 将读到低电平，这时可以处理相应的按键事件。

为了减少电路复杂度，没有增加消抖电容，可以使用软件方式消除抖动。

多功能按键

一些常见的手持小设备，会使用多功能按键来实现全部导航操作，并且多功能按键使用上也比较方便和简单。

这里扩展板使用了 ALPS SLLB120200 多功能按键，它提供了两段的向上或向下拨动检测以及按下操作支持，基本上可以满足大多数场景的导航操作。

多功能按键的原理和编码器不一样，它的原理跟轻触开关一样，都是通过单个 GPIO 的电平来检测状态，因此这个多功能按键会占用 5 个 GPIO。

同用户按键一样，多功能按键也使用内置上拉电阻，按下时低电平的方式来检测。

TF 读卡器

之前做的 ESP32-S3 模块虽然选择了 N16R8 型号， 拥有 16MB Flash，但是在一些需要大容量存储的使用场景，16MB 存储还是不太够用，因此引入了 TF 读卡器模块，这样可以随意扩展存储大小，在读写库兼容的情况下，可以扩展到 64G 等。

使用 SdFat 库即可完成 FAT16、FAT32 以及 exFAT 分区文件的读取和写入。

TF 读卡器模块使用 SPI 连接到 ESP32-S3，在 40MHz 的速率下，读写速度可以到达 1MB/s 左右，可以满足大多场景的读写速率要求了。

注：读写速度测试参考 https://esp32.com/viewtopic.php?t=26152

电池电压 ADC

扩展板提供了一个 PH 2.0 接口，用来连接电池，但是因为电池供电需要额外补充充放电电路，会增加扩展板复杂度，因此这里仅保留 ADC 能力，不提供使用电池给 ESP32-S3 开发板供电的能力。

通过这个接口连接电池后，即可使用 ESP32-S3 的 ADC 来读取电池电压，这里使用了两个 100K 电阻进行分压，因此实际电压需要通过乘以 2 来获取。

输出模块

LCD 屏幕

屏幕是移动设备与用户交互最常见的外设了，这里采用常见的 ST7789V 驱动 TFT LCD 屏幕，使用 SPI 总线通信。

ESP32-S3 在不使用 IOMUX 的情况下，SPI 最高可以运行在 80MHz，对于常见 320x240 分辨率的 LCD 来说，在使用 16 位色深的情况下，全屏刷新可以跑到 60 FPS，可以满足绝大多数场景的使用了。

其中通过 LCD_BL 引脚，可以使用 PWM 来控制 LCD 背光的亮度，例如在 Arduino 中可以通过 analogWrite(LCD_BL, 128) 来设置 LCD 背光亮度为一半亮度。

扩展板通过 2.54mm 排针座来连接 LCD 屏幕，引脚顺序按淘宝上常见 ST7789V 模块引脚顺序来定义，引脚顺序从左到右为：

GND VCC SCL SDA RST DC CS BL

为了便于反向安装屏幕，扩展板也提供了引脚顺序相同，方向相反的排针座。

0.96寸 12864 OLED

0.96寸 12864 OLED 也是常见的屏幕外设，在一些要求不高的场合，例如显示少量状态等，是一个比较好的选择，并且功耗相比 LCD 要低不少。

扩展板使用 I2C 接口的屏幕模块，提供 2.54mm 排针座来连接，引脚顺序也按淘宝上常见的模块来定义，引脚顺序为：GND V3.3 SCL SDA。

对于单色 OELD 来说，I2C 的频率跑在 Fast 模式 400Kbits/s 的速率下，即可获得 48 FPS 的刷新速度，也基本满足大多数场景的使用需求。

WS2812 LED

WS2812 相比传统的 6 脚 RGB，更节省 MCU 的 IO，只需一根数据线就可以控制颜色和亮度，并且多个 LED 还可以串联，组成 LED 阵列，实现各种灯光效果，因此扩展板也加入了 WS2812 LED 阵列模块。

蜂鸣器

蜂鸣器可以作为警告提示等用途。

总线模块

SPI 总线

SPI 总线是常见的外设通信总线，在 ESP32-S3 中不使用 IOMXU 时频率可以运行在 80MHz，使用 IOMUX 时可以运行在 40MHz，扩展板中分别连接了 LCD 屏幕和 TF 读卡器，因此没有提供额外的 SPI 总线排针座。

在不使用 LCD 屏幕的情况下，也可以通过 LCD 排针座来连接 SPI 总线外设。

I2C 总线

常见的传感器模块，很多都是采用 I2C 通信，例如温湿度、气压、光照强度等传感器，因此扩展板通过 2.54mm 排针座提供了 3 组 I2C 接口。

参考淘宝上的传感器模块设计，引脚顺序使用了常见的 V3.3 GND SCL SDA。

如果碰到引脚顺序不一致的模块，也可以通过杜邦线连接。

最终 PCB 产品

在打样时 TF 读卡器模块的 CMD 引脚连接错误，通过飞线解决了，开源项目中的 PCB 已经为正确版本，可以放心打样。

这里演示了使用 Si7021 模块获取当前温度，通过 I2C 总线进行通信，因为模块引脚顺序与扩展板引脚顺序不一致，因此通过杜邦线重新连接了。

开源项目

这个项目中的 ESP32-S3 开发板和扩展板均已在立创开源平台开源，可以直接使用立创 EDA 编辑查看，或者下单 PCB。

项目名称：ESP32-S3-WROOM-1 开发板

项目链接：https://oshwhub.com/wandaeda/dan-pian-ji-esp32-s3-kai-fa-ban

该项目中同时包含了 ESP32-S3 最小开发板和当前展示的扩展板，可以直接通过嘉立创打样服务下单制作。