ESP32-NanoCam ハードウェア仕様書

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一、ハードウェア概要

本節のハードウェア資料は NanoCamModule.pdf + NanoCamBASE.pdf の回路図に基づきます。全体アーキテクチャ:コアボード(ESP32-S3 + カメラ + オーディオ)をベースボード(USB 給電 + シリアル書き込み)に接続する構成です。

Plaintext

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    NanoCam 核心板                         │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌────────────┐            │
│  │ ESP32-S3 │  │ ES8311   │  │ NS4150B   │            │
│  │   R8     │  │ I2S 麦克风│  │ I2S 功放   │            │
│  │ (QFN56)  │  │          │  │            │            │
│  └────┬─────┘  └──────────┘  └────────────┘            │
│       │                                                 │
│  ┌────┴─────┐  ┌──────────┐  ┌────────────┐            │
│  │ GD25Q128 │  │  DVP     │  │ ME6217C33  │            │
│  │ 16MB Flash│ │ 摄像头   │  │ 3.3V LDO   │            │
│  └──────────┘  │ FPC-24P  │  └────────────┘            │
│                └──────────┘                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    NanoCam 底板                          │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌────────────────────┐    │
│  │ USB-C    │  │ CH340K   │  │ 一键下载电路        │    │
│  │ 5V输入   │  │ USB-UART │  │ (DTR/RTS→BOOT/EN)  │    │
│  └──────────┘  └──────────┘  └────────────────────┘    │
│                                                         │
│  扩展接口: I2C ×1, UART ×1, 5V/GND/3.3V                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

図 1:コアボード表面(ESP32-S3 / カメラ / オーディオ)

二、メイン MCU とストレージ

2.1 メイン MCU

パラメータ	仕様
型番	ESP32-S3 N16R8
パッケージ	QFN56
CPU	Xtensa LX7 デュアルコア 240MHz
PSRAM	8MB (Octal SPI, R8 サフィックス)
Flash	16MB (N16 サフィックス, 外付け 128M-bit SPI Flash)
クロック	40MHz 水晶振動子 + 10pF×2 マッチングコンデンサ

2.2 Flash ストレージ

パラメータ	仕様
型番	GD25Q128ESIG
容量	128M-bit = 16MB
インターフェース	SPI (標準 4 線式)
ブランド	GigaDevice

Flash 信号	ESP32-S3 GPIO	機能
CS	IO29	チップセレクト
SO (DO)	IO31	データ出力
SI (DI)	IO32	データ入力
SCLK	IO30	クロック
WP	IO34	書き込み保護
HOLD	IO33	ホールド

三、カメラサブシステム

3.1 DVP インターフェース

パラメータ	仕様
インターフェースタイプ	FPC 0.5 WS 24P (24Pin FPC コネクタ)
対応 Sensor	GC2145(デフォルト) / OV2640 / OV5640 などの DVP カメラ
I2C 設定バス	SDA=IO41, SCL=IO42 (外部 I2C と共用)
ピクセルフォーマット	RGB565 / JPEG / YUV422 など

図 5:GC2145 カメラモジュール寸法図(68° 視野角)

3.2 DVP ピン全マッピング

信号カテゴリ	信号名	ESP32 GPIO	備考
システムクロック	XCLK	IO9	マスタークロック出力 24MHz
ピクセルクロック	PCLK	IO6	カメラピクセルクロック入力
フレーム同期	VSYNC	IO13	垂直同期
行同期	HREF	IO11	水平リファレンス
制御	PWDN	IO12	カメラ電源断制御
制御	RESET	IO14	カメラリセット
I2C	SDA	IO41	カメラ I2C データ (ES8311 と共用)
I2C	SCL	IO42	カメラ I2C クロック (ES8311 と共用)
データ D0	Y2	IO4	ピクセルデータ bit0
データ D1	Y3	IO2	ピクセルデータ bit1
データ D2	Y4	IO1	ピクセルデータ bit2
データ D3	Y5	IO3	ピクセルデータ bit3
データ D4	Y6	IO5	ピクセルデータ bit4
データ D5	Y7	IO7	ピクセルデータ bit5
データ D6	Y8	IO8	ピクセルデータ bit6
データ D7	Y9	IO10	ピクセルデータ bit7

3.3 カメラ信号グループ一覧

Plaintext

Camera DVP 信号组:
  XCLK  = IO9     # Master clock out (24MHz)
  PCLK  = IO6     # Pixel clock in
  VSYNC = IO13    # Vertical sync
  HREF  = IO11    # Horizontal ref
  PWDN  = IO12    # Power down (active low)
  RESET = IO14    # Hardware reset

  D0(Y2) = IO4    D1(Y3) = IO2
  D2(Y4) = IO1    D3(Y5) = IO3
  D4(Y6) = IO5    D5(Y7) = IO7
  D6(Y8) = IO8    D7(Y9) = IO10

  SIOD(SDA) = IO41
  SIOC(SCL) = IO42

四、オーディオサブシステム

4.1 オーディオアーキテクチャ

Plaintext

AP2718AT (模拟MEMS麦) → ES8311 Codec (ADC/DAC) → NS4150B (模拟功放) → 扬声器
                               ↕ I2S (MCLK=39,BCLK=38,WS=47,DOUT=48,DIN=40) + I2C (41/42, addr=0x30)
                            ESP32-S3

部品	型番	タイプ	インターフェース
マイク	AP2718AT	アナログ MEMS シリコンマイク	差動アナログ → ES8311 ADC
コーデック	ES8311	オーディオ Codec (I2S+I2C)	I2S=MCLK=39,BCLK=38,WS=47,DOUT=48,DIN=40, I2C=41/42, addr=0x30
アンプ	NS4150B	D 級アナログアンプ	ES8311 DAC 出力 → アナログ入力 → スピーカー

4.2 ES8311 Codec I2S ピン

I2S 信号	ESP32 GPIO	機能
MCLK	IO39	マスタークロック
BCLK (SCLK)	IO38	ビットクロック
LRCLK (WS)	IO47	左右チャンネルクロック
DOUT (DAC)	IO48	シリアルデータ出力 (再生)
DIN (ADC)	IO40	シリアルデータ入力 (録音)

オーディオは I2S0 Standard Duplex モードを使用し、ES8311 Codec は録音と再生を同時にサポートします。

4.3 ES8311 I2C 制御

I2C 信号	GPIO	説明
SDA	IO41	カメラと I2C バスを共用
SCL	IO42	カメラと I2C バスを共用
アドレス	0x30	ES8311 8-bit I2C アドレス

五、電源システム

5.1 給電経路

Plaintext

USB-C (5V) ──→ 底板 NCE3401 P-MOSFET 反接保护 ──→ VDD50
                                              │
                    ┌─────────────────────────┤
                    ↓                         ↓
            核心板 ME6217C33 LDO            NS4150B 功放
                    │                  (5V 直供)
                    ↓
                 VDD33 (3.3V)
                    │
        ┌───────────┼───────────┐
        ↓           ↓           ↓
    ESP32-S3    ES8311 Codec   GD25Q128 Flash
    DVP摄像头   AP2718AT 麦    ME6211A18/28 LDO

5.2 主要部品

チップ	型番	機能
LDO	ME6217C33P5G (SOT-89-5)	5V→3.3V 安定化
LDO	ME6211A18M3G (SOT-23)	5V→1.8V (カメラコア)
LDO	ME6211A28M3G ×2 (SOT-23)	5V→2.8V (U6=AVDD, U7=DOVDD)
U1 入力フィルタ	C14 (10μF) + C15 (0.1μF)	ME6217C33 入力
U1 出力フィルタ	C1 (22μF)	ME6217C33 出力
逆接続保護	NCE3401 P-MOSFET	ベースボード電源入力保護
ゲート抵抗	R11 10KΩ	P-MOS ゲート接地

六、ベースボードと書き込み

図 2:コアボード裏面のピンシルク(RXD/TXD/SCL/SDA/5V/GND など)

6.1 USB-シリアル変換

パラメータ	仕様
チップ	CH340K
USB インターフェース	USB-C (USB1)
シリアル接続	TXD→U0RXD (IO44), RXD→U0TXD (IO43) (クロス)
USB 整合抵抗	R4, R5 22R/1% (D+/D- 直列)
DTR/RTS	ワンクリック書き込みで BOOT + EN を自動制御

図 3:ベースボード表面(USB-C と拡張インターフェース)

6.2 ワンクリックダウンロード回路

Q1、Q2 (S8050 NPN トランジスタ) を使用して自動書き込みを実現します:

CH340K 信号	制御	ターゲットピン
DTR	→ Q1 →	ESP32 EN (CHIP_PU)
RTS	→ Q2 →	ESP32 BOOT (IO0)

原理:USB 書き込みツールが DTR/RTS のトグルで BOOT と EN のタイミングを自動制御し、手動でのボタン操作が不要になります。

6.3 コアボード↔ベースボードコネクタピン表

ベースボードピンヘッダ	コアボードピンヘッダ	信号名	ESP32 GPIO	機能
P1-1	P1-1	VDD50	—	5V 電源出力
P1-2	P1-2	VDD50	—	5V 電源出力
P1-3	P1-3	GND	—	電源グラウンド
P1-4	P1-4	GND	—	電源グラウンド
P1-5	P1-5	SDA	IO41	I2C データ (カメラ/ES8311 と共用)
P1-6	P1-6	SCL	IO42	I2C クロック (カメラ/ES8311 と共用)
P1-7	P1-7	U0TXD	IO43	シリアル 0 送信 (CH340K RXD へ)
P1-8	P1-8	U0RXD	IO44	シリアル 0 受信 (CH340K TXD へ)
P2-1	P2-1	ESP_P	IO20	USB 差動データ正 (D+)
P2-2	P2-2	ESP_N	IO19	USB 差動データ負 (D-)
P2-3	P2-3	VDD33	—	3.3V 電源出力
P2-4	P2-4	VDD33	—	3.3V 電源出力
P2-5	P2-5	GND	—	電源グラウンド
P2-6	P2-6	GND	—	電源グラウンド
P2-7	P2-7	BOOT	IO0	ブートモード/書き込み
P2-8	P2-8	CHIP_PU	EN	チップリセット制御

図 4:ベースボード裏面のピンシルク

6.4 ベースボード拡張インターフェース

インターフェース	引き出し信号	用途
P3 (I2C, 4Pin)	5V1, GND, SDA, SCL	外部 I2C デバイス
P4 (UART, 4Pin)	5V1, GND, ESP_P, ESP_N	外部 USB/シリアルデバイス

七、完全な GPIO 使用表

合計: 33 個の GPIO が使用中で、使用可能な GPIO は約 8 個です。

GPIO	機能	信号	備考
IO0	BOOT	BOOT	ブートモード/書き込み (S2 ボタン, 10K プルアップ + 0.1μF チャタリング防止)
IO1	DVP D2	CAM_Y4	ピクセルデータ bit2
IO2	DVP D1	CAM_Y3	ピクセルデータ bit1
IO3	DVP D3	CAM_Y5	ピクセルデータ bit3
IO4	DVP D0	CAM_Y2	ピクセルデータ bit0
IO5	DVP D4	CAM_Y6	ピクセルデータ bit4
IO6	DVP PCLK	CAM_PCLK	ピクセルクロック入力
IO7	DVP D5	CAM_Y7	ピクセルデータ bit5
IO8	DVP D6	CAM_Y8	ピクセルデータ bit6
IO9	DVP XCLK	CAM_XCLK	カメラマスタークロック (24MHz)
IO10	DVP D7	CAM_Y9	ピクセルデータ bit7
IO11	DVP HREF	CAM_HREF	行同期
IO12	DVP PWDN	CAM_PWDN	カメラ電源断制御
IO13	DVP VSYNC	CAM_VSYNC	フレーム同期
IO14	DVP RESET	CAM_RESET	カメラリセット
IO18	WS2812	RGB_LED_DIN	WS2812 RGB LED データ入力
IO19	USB 差動	D- (ESP_N)	USB 差動データ負 (D-)
IO20	USB 差動	D+ (ESP_P)	USB 差動データ正 (D+)
IO21	WS2812 DOUT	RGB_LED_DOUT	WS2812 カスケード出力 (未使用時は利用可能)
IO29	SPI CS	Flash_CS	外付け Flash チップセレクト
IO30	SPI SCLK	Flash_CLK	外付け Flash クロック
IO31	SPI SO	Flash_DO	外付け Flash データ出力
IO32	SPI SI	Flash_DI	外付け Flash データ入力
IO33	SPI HOLD	Flash_HOLD	外付け Flash ホールド
IO34	SPI WP	Flash_WP	外付け Flash 書き込み保護
IO38	I2S BCLK	I2S_BCLK	ES8311 ビットクロック
IO39	I2S MCLK	I2S_MCLK	ES8311 マスタークロック
IO40	I2S DIN	I2S_DIN	ES8311 ADC データ入力
IO41	I2C SDA	I2C_SDA	カメラ + ES8311 + 外部 I2C 共用
IO42	I2C SCL	I2C_SCL	カメラ + ES8311 + 外部 I2C 共用
IO43	UART0 TX	UTXD	シリアル 0 送信 (ベースボード CH340K)
IO44	UART0 RX	URXD	シリアル 0 受信 (ベースボード CH340K)
IO47	I2S WS	I2S_WS	ES8311 ワードセレクト (LRCK)
IO48	I2S DOUT	I2S_DOUT	ES8311 DAC データ出力
EN	CHIP_PU	RST/EN	イネーブル/リセット (S1 ボタン, 10K プルアップ)

使用可能な GPIO(未使用、拡張可能)

GPIO	特性	推奨用途
IO15	汎用 IO	拡張
IO16	汎用 IO	拡張
IO17	汎用 IO	拡張
IO35	汎用 IO	拡張
IO36	汎用 IO	拡張
IO37	汎用 IO	拡張
IO45	汎用 IO	拡張
IO46	汎用 IO	拡張

⚠️ 使用中の GPIO: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,18,19,20,21,29,30,31,32,33,34,38,39,40,41,42,43,44,47,48
使用可能数: 8 個の GPIO

八、主要な設計制約

8.1 I2S ペリフェラル設定

ESP32-S3 には 2 つの I2S コントローラがあります:
- I2S0: ES8311 Codec に割り当て済み (MCLK=IO39, BCLK=IO38, WS=IO47, DOUT=IO48, DIN=IO40)、双方向 I2S Duplex で録音と再生を同時にサポート
ES8311 I2C 制御: SDA=IO41, SCL=IO42, デバイスアドレス 0x30

8.2 DVP と I2S DMA の共存

DVP は LCD_CAM ペリフェラルの DMA チャンネルを使用
ES8311 は I2S0 DMA を使用 (単一 I2S インターフェースの双方向)
両者は競合しませんが、PSRAM 帯域に注意が必要 (8MB PSRAM で十分)
GPIO45/46 はオーディオに未接続のため他の用途に利用可能;GPIO47 は I2S WS に使用

8.3 I2C バス共有

IO41(SDA) + IO42(SCL) はカメラと外部 I2C インターフェースの両方に接続
I2C プルアップ抵抗: R12 (SDA, 4.7K/1%), R13 (SCL, 4.7K/1%)、VDD33 へプルアップ
カメラの I2C アドレスが外部デバイスと競合しないことを確認する必要があります
OV2640 のデフォルト I2C アドレス: 0x60 (書き込み) / 0x61 (読み取り) — ES8311 (0x30) とは競合しません

8.4 Flash 容量は十分

16MB Flash は容量に余裕があり、以下をサポートできます:
- OTA デュアルパーティション構成 (factory + ota_0 + ota_1)
- SPIFFS に Web 管理バックエンドを格納 (~1MB)
- 小智 AI 多言語リソースパック (.p3 ファイル)
- NVS 設定パーティション
- アップグレード用の予備領域
ファームウェアサイズを心配する必要はなく、マルチ Agent AI も完全に格納できます

8.5 DVP カメラ入力ピンの制約

D0-D7 および VSYNC/HREF/PCLK はすべて入力ピンで、カメラセンサーが駆動します
ドライバ開発時は、これらのピンを INPUT モードのみに設定する必要があります
I2S オーディオピン (38,39,40,47,48) は出力モードに設定可能 (ESP32-S3 が対応)

九、ESP-IDF 設定の推奨

9.1 sdkconfig の主要項目

Plaintext

# 芯片
CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S3=y
CONFIG_ESP32S3_DEFAULT_CPU_FREQ_240=y

# Flash (16MB)
CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_16MB=y
CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHMODE_QIO=y
CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHFREQ_80M=y

# PSRAM (8MB Octal)
CONFIG_SPIRAM=y
CONFIG_SPIRAM_MODE_OCT=y
CONFIG_SPIRAM_SPEED_80M=y
CONFIG_SPIRAM_MALLOC_ALWAYSINTERNAL=4096
CONFIG_SPIRAM_MALLOC_RESERVE_INTERNAL=49152
CONFIG_MBEDTLS_EXTERNAL_MEM_ALLOC=y

# Cache
CONFIG_ESP32S3_INSTRUCTION_CACHE_32KB=y
CONFIG_ESP32S3_DATA_CACHE_64KB=y
CONFIG_ESP32S3_DATA_CACHE_LINE_64B=y

# 摄像头
CONFIG_CAMERA_MODULE_CUSTOM=y
CONFIG_CAMERA_PIN_XCLK=9
CONFIG_CAMERA_PIN_PCLK=6
CONFIG_CAMERA_PIN_VSYNC=13
CONFIG_CAMERA_PIN_HREF=11
CONFIG_CAMERA_PIN_SIOD=41
CONFIG_CAMERA_PIN_SIOC=42
CONFIG_CAMERA_PIN_PWDN=12
CONFIG_CAMERA_PIN_RESET=14
CONFIG_CAMERA_PIN_Y2=4
CONFIG_CAMERA_PIN_Y3=2
CONFIG_CAMERA_PIN_Y4=1
CONFIG_CAMERA_PIN_Y5=3
CONFIG_CAMERA_PIN_Y6=5
CONFIG_CAMERA_PIN_Y7=7
CONFIG_CAMERA_PIN_Y8=8
CONFIG_CAMERA_PIN_Y9=10
CONFIG_CAMERA_XCLK_FREQ=24000000

# 音频 (ES8311 Codec, I2S0)
# ES8311 I2S: MCLK=39, BCLK=38, WS=47, DOUT=48, DIN=40
# ES8311 I2C: SDA=41, SCL=42, addr=0x30

9.2 カメラ設定

// esp32-camera 引脚配置
camera_config_t config = {
    .pin_pwdn  = 12,
    .pin_reset = 14,
    .pin_xclk  = 9,
    .pin_siod  = 41,
    .pin_sioc  = 42,
    .pin_d7    = 10,
    .pin_d6    = 8,
    .pin_d5    = 7,
    .pin_d4    = 5,
    .pin_d3    = 3,
    .pin_d2    = 1,
    .pin_d1    = 2,
    .pin_d0    = 4,
    .pin_vsync = 13,
    .pin_href  = 11,
    .pin_pclk  = 6,
    .xclk_freq_hz = 24000000,
    .pixel_format = PIXFORMAT_RGB565,  // 或 PIXFORMAT_JPEG
    .frame_size   = FRAMESIZE_QVGA,    // 320x240
    .jpeg_quality = 12,
    .fb_count     = 2,
    .fb_location  = CAMERA_FB_IN_PSRAM,
    .grab_mode    = CAMERA_GRAB_WHEN_EMPTY,
};

次のステップ

クイックスタート — 書き込み、ネットワーク接続、AI モード切替を 5 ステップでマスター
シリアルプロトコルマニュアル — 完全な AT コマンドリファレンス

マルチボード例

I2C 通信

シリアル通信

ROS サンプル

AI ビジョンチュートリアル(全 11 章)

ESP32-NanoCam ハードウェア仕様書

一、ハードウェア概要

二、メイン MCU とストレージ

2.1 メイン MCU

2.2 Flash ストレージ

三、カメラサブシステム

3.1 DVP インターフェース

3.2 DVP ピン全マッピング

3.3 カメラ信号グループ一覧

四、オーディオサブシステム

4.1 オーディオアーキテクチャ

4.2 ES8311 Codec I2S ピン

4.3 ES8311 I2C 制御

五、電源システム

5.1 給電経路

5.2 主要部品

六、ベースボードと書き込み

6.1 USB-シリアル変換

6.2 ワンクリックダウンロード回路

6.3 コアボード↔ベースボードコネクタピン表

6.4 ベースボード拡張インターフェース

七、完全な GPIO 使用表

使用可能な GPIO(未使用、拡張可能)

八、主要な設計制約

8.1 I2S ペリフェラル設定

8.2 DVP と I2S DMA の共存

8.3 I2C バス共有

8.4 Flash 容量は十分

8.5 DVP カメラ入力ピンの制約

九、ESP-IDF 設定の推奨

9.1 sdkconfig の主要項目

9.2 カメラ設定

次のステップ

I2C 通信

シリアル通信

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2.1 メイン MCU ​

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三、カメラサブシステム ​

3.1 DVP インターフェース ​

3.2 DVP ピン全マッピング ​

3.3 カメラ信号グループ一覧 ​

四、オーディオサブシステム ​

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4.2 ES8311 Codec I2S ピン ​

4.3 ES8311 I2C 制御 ​

五、電源システム ​

5.1 給電経路 ​

5.2 主要部品 ​

六、ベースボードと書き込み ​

6.1 USB-シリアル変換 ​

6.2 ワンクリックダウンロード回路 ​

6.3 コアボード↔ベースボード コネクタピン表 ​

6.4 ベースボード拡張インターフェース ​

七、完全な GPIO 使用表 ​

使用可能な GPIO(未使用、拡張可能) ​

八、主要な設計制約 ​

8.1 I2S ペリフェラル設定 ​

8.2 DVP と I2S DMA の共存 ​

8.3 I2C バス共有 ​

8.4 Flash 容量は十分 ​

8.5 DVP カメラ入力ピンの制約 ​

九、ESP-IDF 設定の推奨 ​

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9.2 カメラ設定 ​

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一、ハードウェア概要

二、メイン MCU とストレージ

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2.2 Flash ストレージ

三、カメラサブシステム

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3.2 DVP ピン全マッピング

3.3 カメラ信号グループ一覧

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4.1 オーディオアーキテクチャ

4.2 ES8311 Codec I2S ピン

4.3 ES8311 I2C 制御

五、電源システム

5.1 給電経路

5.2 主要部品

六、ベースボードと書き込み

6.1 USB-シリアル変換

6.2 ワンクリックダウンロード回路

6.3 コアボード↔ベースボードコネクタピン表

6.4 ベースボード拡張インターフェース

七、完全な GPIO 使用表

使用可能な GPIO(未使用、拡張可能)

八、主要な設計制約

8.1 I2S ペリフェラル設定

8.2 DVP と I2S DMA の共存

8.3 I2C バス共有

8.4 Flash 容量は十分

8.5 DVP カメラ入力ピンの制約

九、ESP-IDF 設定の推奨

9.1 sdkconfig の主要項目

9.2 カメラ設定

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