Especificações de hardware do ESP32-NanoCam

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1. Visão geral do hardware

O material de hardware desta secção tem como base os esquemas NanoCamModule.pdf + NanoCamBASE.pdf. Arquitetura do conjunto: a placa de núcleo (ESP32-S3 + câmara + áudio) encaixa na placa base (alimentação USB + gravação pela porta série).

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                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

Figura 1: frente da placa de núcleo (ESP32-S3 / câmara / áudio)

2. MCU e armazenamento

2.1 Chip principal

Parâmetro	Especificação
Modelo	ESP32-S3 N16R8
Encapsulamento	QFN56
CPU	Xtensa LX7 dual-core 240MHz
PSRAM	8MB (Octal SPI, sufixo R8)
Flash	16MB (sufixo N16, Flash SPI externa de 128M-bit)
Relógio	Cristal passivo de 40MHz + 2 condensadores de adaptação de 10pF

2.2 Armazenamento Flash

Parâmetro	Especificação
Modelo	GD25Q128ESIG
Capacidade	128M-bit = 16MB
Interface	SPI (quatro fios padrão)
Marca	GigaDevice

Sinal da Flash	GPIO do ESP32-S3	Função
CS	IO29	Seleção de chip
SO (DO)	IO31	Saída de dados
SI (DI)	IO32	Entrada de dados
SCLK	IO30	Relógio
WP	IO34	Proteção contra escrita
HOLD	IO33	Hold

3. Subsistema de câmara

3.1 Interface DVP

Parâmetro	Especificação
Tipo de interface	FPC 0.5 WS 24P (conector FPC de 24 pinos)
Sensores suportados	GC2145 (predefinido) / OV2640 / OV5640 e outras câmaras DVP
Barramento de configuração I2C	SDA=IO41, SCL=IO42 (partilhado com o I2C externo)
Formato de píxel	RGB565 / JPEG / YUV422, etc.

Figura 5: desenho de dimensões do módulo de câmara GC2145 (campo de visão de 68°)

3.2 Mapeamento completo dos pinos DVP

Categoria do sinal	Nome do sinal	GPIO do ESP32	Notas
Relógio do sistema	XCLK	IO9	Saída de relógio principal 24MHz
Relógio de píxel	PCLK	IO6	Entrada de relógio de píxel da câmara
Sincronização de quadro	VSYNC	IO13	Sincronização vertical
Sincronização de linha	HREF	IO11	Referência horizontal
Controlo	PWDN	IO12	Controlo de desligamento da câmara
Controlo	RESET	IO14	Reset da câmara
I2C	SDA	IO41	Dados I2C da câmara (partilhado com o ES8311)
I2C	SCL	IO42	Relógio I2C da câmara (partilhado com o ES8311)
Dados D0	Y2	IO4	Dados de píxel bit0
Dados D1	Y3	IO2	Dados de píxel bit1
Dados D2	Y4	IO1	Dados de píxel bit2
Dados D3	Y5	IO3	Dados de píxel bit3
Dados D4	Y6	IO5	Dados de píxel bit4
Dados D5	Y7	IO7	Dados de píxel bit5
Dados D6	Y8	IO8	Dados de píxel bit6
Dados D7	Y9	IO10	Dados de píxel bit7

3.3 Resumo do grupo de sinais da câmara

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

4. Subsistema de áudio

4.1 Arquitetura de áudio

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

Componente	Modelo	Tipo	Interface
Microfone	AP2718AT	Microfone MEMS de silício analógico	Analógico diferencial → ADC do ES8311
Codec	ES8311	Codec de áudio (I2S+I2C)	I2S=MCLK=39,BCLK=38,WS=47,DOUT=48,DIN=40, I2C=41/42, addr=0x30
Amplificador	NS4150B	Amplificador analógico classe D	Saída DAC do ES8311 → entrada analógica → altifalante

4.2 Pinos I2S do codec ES8311

Sinal I2S	GPIO do ESP32	Função
MCLK	IO39	Relógio principal
BCLK (SCLK)	IO38	Relógio de bits
LRCLK (WS)	IO47	Relógio dos canais esquerdo/direito
DOUT (DAC)	IO48	Saída de dados série (reprodução)
DIN (ADC)	IO40	Entrada de dados série (gravação)

O áudio utiliza o modo I2S0 Standard Duplex; o codec ES8311 suporta gravação e reprodução em simultâneo.

4.3 Controlo I2C do ES8311

Sinal I2C	GPIO	Descrição
SDA	IO41	Barramento I2C partilhado com a câmara
SCL	IO42	Barramento I2C partilhado com a câmara
Endereço	0x30	Endereço I2C de 8 bits do ES8311

5. Sistema de alimentação

5.1 Cadeia de alimentação

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 Componentes principais

Chip	Modelo	Função
LDO	ME6217C33P5G (SOT-89-5)	Regulação 5V→3.3V
LDO	ME6211A18M3G (SOT-23)	5V→1.8V (núcleo da câmara)
LDO	ME6211A28M3G ×2 (SOT-23)	5V→2.8V (U6=AVDD, U7=DOVDD)
Filtragem de entrada do U1	C14 (10μF) + C15 (0.1μF)	Entrada do ME6217C33
Filtragem de saída do U1	C1 (22μF)	Saída do ME6217C33
Proteção contra polaridade inversa	NCE3401 P-MOSFET	Proteção da entrada de alimentação da placa base
Resistência de gate	R11 10KΩ	Gate do P-MOS ligado à terra

6. Placa base e gravação

Figura 2: serigrafia dos pinos no verso da placa de núcleo (RXD/TXD/SCL/SDA/5V/GND, etc.)

6.1 Conversor USB-série

Parâmetro	Especificação
Chip	CH340K
Interface USB	USB-C (USB1)
Ligação série	TXD→U0RXD (IO44), RXD→U0TXD (IO43) (cruzada)
Resistências de adaptação USB	R4, R5 22R/1% (em série com D+/D-)
DTR/RTS	Controlo automático de BOOT + EN na gravação com um clique

Figura 3: frente da placa base (USB-C e interfaces de expansão)

6.2 Circuito de gravação com um clique

Utiliza Q1 e Q2 (transístores NPN S8050) para a gravação automática:

Sinal do CH340K	Controlo	Pino de destino
DTR	→ Q1 →	ESP32 EN (CHIP_PU)
RTS	→ Q2 →	ESP32 BOOT (IO0)

Princípio: a ferramenta de gravação USB alterna DTR/RTS para controlar automaticamente a sequência de BOOT e EN, sem necessidade de premir botões manualmente.

6.3 Tabela de pinos do conector placa de núcleo ↔ placa base

Pino da placa base	Pino da placa de núcleo	Nome do sinal	GPIO do ESP32	Função
P1-1	P1-1	VDD50	—	Saída de alimentação 5V
P1-2	P1-2	VDD50	—	Saída de alimentação 5V
P1-3	P1-3	GND	—	Terra de alimentação
P1-4	P1-4	GND	—	Terra de alimentação
P1-5	P1-5	SDA	IO41	Dados I2C (partilhado com a câmara/ES8311)
P1-6	P1-6	SCL	IO42	Relógio I2C (partilhado com a câmara/ES8311)
P1-7	P1-7	U0TXD	IO43	Transmissão da porta série 0 (ligada ao RXD do CH340K)
P1-8	P1-8	U0RXD	IO44	Receção da porta série 0 (ligada ao TXD do CH340K)
P2-1	P2-1	ESP_P	IO20	Dados diferenciais USB positivo (D+)
P2-2	P2-2	ESP_N	IO19	Dados diferenciais USB negativo (D-)
P2-3	P2-3	VDD33	—	Saída de alimentação 3.3V
P2-4	P2-4	VDD33	—	Saída de alimentação 3.3V
P2-5	P2-5	GND	—	Terra de alimentação
P2-6	P2-6	GND	—	Terra de alimentação
P2-7	P2-7	BOOT	IO0	Modo de arranque/gravação
P2-8	P2-8	CHIP_PU	EN	Controlo de reset do chip

Figura 4: serigrafia dos pinos no verso da placa base

6.4 Interfaces de expansão da placa base

Interface	Sinais expostos	Utilização
P3 (I2C, 4Pin)	5V1, GND, SDA, SCL	Dispositivos I2C externos
P4 (UART, 4Pin)	5V1, GND, ESP_P, ESP_N	Dispositivos USB/série externos

7. Tabela completa de ocupação de GPIO

Total: 33 GPIO ocupados, cerca de 8 GPIO disponíveis.

GPIO	Função	Sinal	Notas
IO0	BOOT	BOOT	Modo de arranque/gravação (botão S2, pull-up de 10K + 0.1μF de debounce)
IO1	DVP D2	CAM_Y4	Dados de píxel bit2
IO2	DVP D1	CAM_Y3	Dados de píxel bit1
IO3	DVP D3	CAM_Y5	Dados de píxel bit3
IO4	DVP D0	CAM_Y2	Dados de píxel bit0
IO5	DVP D4	CAM_Y6	Dados de píxel bit4
IO6	DVP PCLK	CAM_PCLK	Entrada de relógio de píxel
IO7	DVP D5	CAM_Y7	Dados de píxel bit5
IO8	DVP D6	CAM_Y8	Dados de píxel bit6
IO9	DVP XCLK	CAM_XCLK	Relógio principal da câmara (24MHz)
IO10	DVP D7	CAM_Y9	Dados de píxel bit7
IO11	DVP HREF	CAM_HREF	Sincronização de linha
IO12	DVP PWDN	CAM_PWDN	Controlo de desligamento da câmara
IO13	DVP VSYNC	CAM_VSYNC	Sincronização de quadro
IO14	DVP RESET	CAM_RESET	Reset da câmara
IO18	WS2812	RGB_LED_DIN	Entrada de dados do LED RGB WS2812
IO19	USB diferencial	D- (ESP_N)	Dados diferenciais USB negativo (D-)
IO20	USB diferencial	D+ (ESP_P)	Dados diferenciais USB positivo (D+)
IO21	WS2812 DOUT	RGB_LED_DOUT	Saída em cascata do WS2812 (disponível quando não há cascata)
IO29	SPI CS	Flash_CS	Seleção de chip da Flash externa
IO30	SPI SCLK	Flash_CLK	Relógio da Flash externa
IO31	SPI SO	Flash_DO	Saída de dados da Flash externa
IO32	SPI SI	Flash_DI	Entrada de dados da Flash externa
IO33	SPI HOLD	Flash_HOLD	Hold da Flash externa
IO34	SPI WP	Flash_WP	Proteção contra escrita da Flash externa
IO38	I2S BCLK	I2S_BCLK	Relógio de bits do ES8311
IO39	I2S MCLK	I2S_MCLK	Relógio principal do ES8311
IO40	I2S DIN	I2S_DIN	Entrada de dados do ADC do ES8311
IO41	I2C SDA	I2C_SDA	Partilhado entre câmara + ES8311 + I2C externo
IO42	I2C SCL	I2C_SCL	Partilhado entre câmara + ES8311 + I2C externo
IO43	UART0 TX	UTXD	Transmissão da porta série 0 (CH340K da placa base)
IO44	UART0 RX	URXD	Receção da porta série 0 (CH340K da placa base)
IO47	I2S WS	I2S_WS	Seleção de palavra do ES8311 (LRCK)
IO48	I2S DOUT	I2S_DOUT	Saída de dados do DAC do ES8311
EN	CHIP_PU	RST/EN	Ativação/reset (botão S1, pull-up de 10K)

GPIO disponíveis (não ocupados, expansíveis)

GPIO	Característica	Utilização sugerida
IO15	IO de uso geral	Expansão
IO16	IO de uso geral	Expansão
IO17	IO de uso geral	Expansão
IO35	IO de uso geral	Expansão
IO36	IO de uso geral	Expansão
IO37	IO de uso geral	Expansão
IO45	IO de uso geral	Expansão
IO46	IO de uso geral	Expansão

⚠️ GPIO ocupados: 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
Quantidade disponível: 8 GPIO

8. Restrições de projeto essenciais

8.1 Configuração do periférico I2S

O ESP32-S3 tem dois controladores I2S:
- I2S0: atribuído ao codec ES8311 (MCLK=IO39, BCLK=IO38, WS=IO47, DOUT=IO48, DIN=IO40), I2S Duplex bidirecional, com suporte simultâneo a gravação e reprodução
Controlo I2C do ES8311: SDA=IO41, SCL=IO42, endereço do dispositivo 0x30

8.2 Coexistência entre o DVP e o DMA do I2S

O DVP utiliza o canal DMA do periférico LCD_CAM
O ES8311 utiliza o DMA do I2S0 (interface I2S única bidirecional)
Não há conflito entre os dois, mas é preciso atenção à largura de banda da PSRAM (8MB de PSRAM é suficiente)
GPIO45/46 não têm ligação ao áudio e podem ser usados para outros fins; GPIO47 é usado para I2S WS

8.3 Partilha do barramento I2C

IO41 (SDA) + IO42 (SCL) ligam-se simultaneamente à câmara e à interface I2C externa
Resistências de pull-up do I2C: R12 (SDA, 4.7K/1%), R13 (SCL, 4.7K/1%), ligadas a VDD33
É necessário garantir que o endereço I2C da câmara não entra em conflito com dispositivos externos
Endereço I2C predefinido do OV2640: 0x60 (escrita) / 0x61 (leitura) — sem conflito com o ES8311 (0x30)

8.4 Capacidade de Flash suficiente

16MB de Flash — espaço amplo, que permite suportar:
- Esquema OTA de partição dupla (factory + ota_0 + ota_1)
- SPIFFS para o painel de administração Web (~1MB)
- Pacotes de recursos multilingues do XiaoZhi AI (ficheiros .p3)
- Partição de configuração NVS
- Espaço reservado para atualizações
Não é preciso preocupação com o tamanho do firmware; o AI multi-Agent cabe por completo

8.5 Restrições dos pinos de entrada da câmara DVP

D0-D7, VSYNC, HREF e PCLK são pinos de entrada, controlados pelo sensor da câmara
No desenvolvimento do controlador, é obrigatório garantir que estes pinos sejam configurados apenas no modo INPUT
Os pinos de áudio I2S (38,39,40,47,48) podem ser configurados como saída (suportado pelo ESP32-S3)

9. Sugestões de configuração do ESP-IDF

9.1 Itens essenciais do sdkconfig

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 Configuração da câmara

// 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,
};

Próximos passos

Início rápido — gravação, ligação à rede e alternância de modos de IA em cinco passos
Manual do protocolo serial — referência completa dos comandos AT

Tutorial de visão IA (11 capítulos)

Exemplos Multi-Placa

Comunicação I2C

Comunicação Serial

Exemplos ROS

Especificações de hardware do ESP32-NanoCam

1. Visão geral do hardware

2. MCU e armazenamento

2.1 Chip principal

2.2 Armazenamento Flash

3. Subsistema de câmara

3.1 Interface DVP

3.2 Mapeamento completo dos pinos DVP

3.3 Resumo do grupo de sinais da câmara

4. Subsistema de áudio

4.1 Arquitetura de áudio

4.2 Pinos I2S do codec ES8311

4.3 Controlo I2C do ES8311

5. Sistema de alimentação

5.1 Cadeia de alimentação

5.2 Componentes principais

6. Placa base e gravação

6.1 Conversor USB-série

6.2 Circuito de gravação com um clique

6.3 Tabela de pinos do conector placa de núcleo ↔ placa base

6.4 Interfaces de expansão da placa base

7. Tabela completa de ocupação de GPIO

GPIO disponíveis (não ocupados, expansíveis)

8. Restrições de projeto essenciais

8.1 Configuração do periférico I2S

8.2 Coexistência entre o DVP e o DMA do I2S

8.3 Partilha do barramento I2C

8.4 Capacidade de Flash suficiente

8.5 Restrições dos pinos de entrada da câmara DVP

9. Sugestões de configuração do ESP-IDF

9.1 Itens essenciais do sdkconfig

9.2 Configuração da câmara

Próximos passos

Comunicação I2C

Comunicação Serial

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2. MCU e armazenamento ​

2.1 Chip principal ​

2.2 Armazenamento Flash ​

3. Subsistema de câmara ​

3.1 Interface DVP ​

3.2 Mapeamento completo dos pinos DVP ​

3.3 Resumo do grupo de sinais da câmara ​

4. Subsistema de áudio ​

4.1 Arquitetura de áudio ​

4.2 Pinos I2S do codec ES8311 ​

4.3 Controlo I2C do ES8311 ​

5. Sistema de alimentação ​

5.1 Cadeia de alimentação ​

5.2 Componentes principais ​

6. Placa base e gravação ​

6.1 Conversor USB-série ​

6.2 Circuito de gravação com um clique ​

6.3 Tabela de pinos do conector placa de núcleo ↔ placa base ​

6.4 Interfaces de expansão da placa base ​

7. Tabela completa de ocupação de GPIO ​

GPIO disponíveis (não ocupados, expansíveis) ​

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8.3 Partilha do barramento I2C ​

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3.2 Mapeamento completo dos pinos DVP

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4.1 Arquitetura de áudio

4.2 Pinos I2S do codec ES8311

4.3 Controlo I2C do ES8311

5. Sistema de alimentação

5.1 Cadeia de alimentação

5.2 Componentes principais

6. Placa base e gravação

6.1 Conversor USB-série

6.2 Circuito de gravação com um clique

6.3 Tabela de pinos do conector placa de núcleo ↔ placa base

6.4 Interfaces de expansão da placa base

7. Tabela completa de ocupação de GPIO

GPIO disponíveis (não ocupados, expansíveis)

8. Restrições de projeto essenciais

8.1 Configuração do periférico I2S

8.2 Coexistência entre o DVP e o DMA do I2S

8.3 Partilha do barramento I2C

8.4 Capacidade de Flash suficiente

8.5 Restrições dos pinos de entrada da câmara DVP

9. Sugestões de configuração do ESP-IDF

9.1 Itens essenciais do sdkconfig

9.2 Configuração da câmara

Próximos passos