ESP32-NanoCam 硬體規格書

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一、硬體總覽

本節硬體資料來源於 NanoCamModule.pdf + NanoCamBASE.pdf 原理圖。整機架構：核心板（ESP32-S3 + 攝像頭 + 音頻）插接在底板（USB 供電 + 串口燒錄）上。

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

圖 1:核心板正面(ESP32-S3 / 攝像頭 / 音頻)

二、主控與存儲

2.1 主控芯片

參數	規格
型號	ESP32-S3 N16R8
封裝	QFN56
CPU	Xtensa LX7 雙核 240MHz
PSRAM	8MB (Octal SPI, R8 後綴)
Flash	16MB (N16 後綴, 外掛 128M-bit SPI Flash)
時鐘	40MHz 無源晶體 + 10pF×2 匹配電容

2.2 Flash 存儲

參數	規格
型號	GD25Q128ESIG
容量	128M-bit = 16MB
接口	SPI (標準四線)
品牌	GigaDevice

Flash 信號	ESP32-S3 GPIO	功能
CS	IO29	片選
SO (DO)	IO31	數據輸出
SI (DI)	IO32	數據輸入
SCLK	IO30	時鐘
WP	IO34	寫保護
HOLD	IO33	保持

三、攝像頭子系統

3.1 DVP 接口

參數	規格
接口類型	FPC 0.5 WS 24P (24Pin FPC 排座)
支援 Sensor	GC2145(默認) / OV2640 / OV5640 等 DVP 攝像頭
I2C 配置總線	SDA=IO41, SCL=IO42 (與外部 I2C 共用)
像素格式	RGB565 / JPEG / YUV422 等

圖 5:GC2145 攝像頭模組尺寸圖(68° 視場角)

3.2 DVP 引腳全映射

信號類別	信號名	ESP32 GPIO	備註
系統時鐘	XCLK	IO9	主時鐘輸出 24MHz
像素時鐘	PCLK	IO6	攝像頭像素時鐘輸入
幀同步	VSYNC	IO13	垂直同步
行同步	HREF	IO11	水平參考
控制	PWDN	IO12	攝像頭斷電控制
控制	RESET	IO14	攝像頭復位
I2C	SDA	IO41	攝像頭 I2C 數據 (與 ES8311 共用)
I2C	SCL	IO42	攝像頭 I2C 時鐘 (與 ES8311 共用)
數據 D0	Y2	IO4	像素數據 bit0
數據 D1	Y3	IO2	像素數據 bit1
數據 D2	Y4	IO1	像素數據 bit2
數據 D3	Y5	IO3	像素數據 bit3
數據 D4	Y6	IO5	像素數據 bit4
數據 D5	Y7	IO7	像素數據 bit5
數據 D6	Y8	IO8	像素數據 bit6
數據 D7	Y9	IO10	像素數據 bit7

3.3 攝像頭信號組匯總

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、音頻子系統

4.1 音頻架構

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

器件	型號	類型	接口
麥克風	AP2718AT	模擬 MEMS 硅麥	差分模擬 → ES8311 ADC
編解碼器	ES8311	音頻 Codec (I2S+I2C)	I2S=MCLK=39,BCLK=38,WS=47,DOUT=48,DIN=40, I2C=41/42, addr=0x30
功放	NS4150B	D 類模擬功放	ES8311 DAC 輸出 → 模擬輸入 → 揚聲器

4.2 ES8311 Codec I2S 引腳

I2S 信號	ESP32 GPIO	功能
MCLK	IO39	主時鐘
BCLK (SCLK)	IO38	位時鐘
LRCLK (WS)	IO47	左右聲道時鐘
DOUT (DAC)	IO48	串行數據輸出 (播放)
DIN (ADC)	IO40	串行數據輸入 (錄音)

音頻使用 I2S0 Standard Duplex 模式，ES8311 Codec 同時支援錄音和播放。

4.3 ES8311 I2C 控制

I2C 信號	GPIO	說明
SDA	IO41	與攝像頭共用 I2C 總線
SCL	IO42	與攝像頭共用 I2C 總線
地址	0x30	ES8311 8-bit I2C 地址

五、電源系統

5.1 供電鏈路

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 關鍵器件

芯片	型號	功能
LDO	ME6217C33P5G (SOT-89-5)	5V→3.3V 穩壓
LDO	ME6211A18M3G (SOT-23)	5V→1.8V (攝像頭核心)
LDO	ME6211A28M3G ×2 (SOT-23)	5V→2.8V (U6=AVDD, U7=DOVDD)
U1 輸入濾波	C14 (10μF) + C15 (0.1μF)	ME6217C33 輸入
U1 輸出濾波	C1 (22μF)	ME6217C33 輸出
反接保護	NCE3401 P-MOSFET	底板電源輸入保護
柵極電阻	R11 10KΩ	P-MOS 柵極接地

六、底板與燒錄

圖 2:核心板背面引腳絲印(RXD/TXD/SCL/SDA/5V/GND 等)

6.1 USB 轉串口

參數	規格
芯片	CH340K
USB 接口	USB-C (USB1)
串口連接	TXD→U0RXD (IO44), RXD→U0TXD (IO43) (交叉)
USB 匹配電阻	R4, R5 22R/1% (D+/D- 串聯)
DTR/RTS	一鍵燒錄自動控制 BOOT + EN

圖 3:底板正面(USB-C 與擴展接口)

6.2 一鍵下載電路

使用 Q1、Q2 (S8050 NPN 三極管) 實現自動燒錄：

CH340K 信號	控制	目標引腳
DTR	→ Q1 →	ESP32 EN (CHIP_PU)
RTS	→ Q2 →	ESP32 BOOT (IO0)

原理：USB 燒錄工具通過 DTR/RTS 翻轉自動控制 BOOT 和 EN 時序，無需手動按鍵。

6.3 核心板↔底板連接器引腳表

底板排針	核心板排針	信號名	ESP32 GPIO	功能
P1-1	P1-1	VDD50	—	5V 電源輸出
P1-2	P1-2	VDD50	—	5V 電源輸出
P1-3	P1-3	GND	—	電源地
P1-4	P1-4	GND	—	電源地
P1-5	P1-5	SDA	IO41	I2C 數據 (與攝像頭/ES8311 共用)
P1-6	P1-6	SCL	IO42	I2C 時鐘 (與攝像頭/ES8311 共用)
P1-7	P1-7	U0TXD	IO43	串口 0 發送 (接 CH340K RXD)
P1-8	P1-8	U0RXD	IO44	串口 0 接收 (接 CH340K TXD)
P2-1	P2-1	ESP_P	IO20	USB 差分數據正 (D+)
P2-2	P2-2	ESP_N	IO19	USB 差分數據負 (D-)
P2-3	P2-3	VDD33	—	3.3V 電源輸出
P2-4	P2-4	VDD33	—	3.3V 電源輸出
P2-5	P2-5	GND	—	電源地
P2-6	P2-6	GND	—	電源地
P2-7	P2-7	BOOT	IO0	啟動模式/燒錄
P2-8	P2-8	CHIP_PU	EN	芯片復位控制

圖 4:底板背面引腳絲印

6.4 底板擴展接口

接口	引出信號	用途
P3 (I2C, 4Pin)	5V1, GND, SDA, SCL	外部 I2C 設備
P4 (UART, 4Pin)	5V1, GND, ESP_P, ESP_N	外部 USB/串口設備

七、完整 GPIO 佔用表

總計: 33 個 GPIO 被佔用，可用 GPIO 約 8 個。

GPIO	功能	信號	備註
IO0	BOOT	BOOT	啟動模式/燒錄 (S2 按鍵, 10K 上拉 + 0.1μF 消抖)
IO1	DVP D2	CAM_Y4	像素數據 bit2
IO2	DVP D1	CAM_Y3	像素數據 bit1
IO3	DVP D3	CAM_Y5	像素數據 bit3
IO4	DVP D0	CAM_Y2	像素數據 bit0
IO5	DVP D4	CAM_Y6	像素數據 bit4
IO6	DVP PCLK	CAM_PCLK	像素時鐘輸入
IO7	DVP D5	CAM_Y7	像素數據 bit5
IO8	DVP D6	CAM_Y8	像素數據 bit6
IO9	DVP XCLK	CAM_XCLK	攝像頭主時鐘 (24MHz)
IO10	DVP D7	CAM_Y9	像素數據 bit7
IO11	DVP HREF	CAM_HREF	行同步
IO12	DVP PWDN	CAM_PWDN	攝像頭斷電控制
IO13	DVP VSYNC	CAM_VSYNC	幀同步
IO14	DVP RESET	CAM_RESET	攝像頭復位
IO18	WS2812	RGB_LED_DIN	WS2812 RGB LED 數據輸入
IO19	USB 差分	D- (ESP_N)	USB 差分數據負 (D-)
IO20	USB 差分	D+ (ESP_P)	USB 差分數據正 (D+)
IO21	WS2812 DOUT	RGB_LED_DOUT	WS2812 級聯輸出 (未級聯時可用)
IO29	SPI CS	Flash_CS	外置 Flash 片選
IO30	SPI SCLK	Flash_CLK	外置 Flash 時鐘
IO31	SPI SO	Flash_DO	外置 Flash 數據輸出
IO32	SPI SI	Flash_DI	外置 Flash 數據輸入
IO33	SPI HOLD	Flash_HOLD	外置 Flash Hold
IO34	SPI WP	Flash_WP	外置 Flash 寫保護
IO38	I2S BCLK	I2S_BCLK	ES8311 位時鐘
IO39	I2S MCLK	I2S_MCLK	ES8311 主時鐘
IO40	I2S DIN	I2S_DIN	ES8311 ADC 數據輸入
IO41	I2C SDA	I2C_SDA	攝像頭 + ES8311 + 外部 I2C 共用
IO42	I2C SCL	I2C_SCL	攝像頭 + ES8311 + 外部 I2C 共用
IO43	UART0 TX	UTXD	串口 0 發送 (底板 CH340K)
IO44	UART0 RX	URXD	串口 0 接收 (底板 CH340K)
IO47	I2S WS	I2S_WS	ES8311 字選擇 (LRCK)
IO48	I2S DOUT	I2S_DOUT	ES8311 DAC 數據輸出
EN	CHIP_PU	RST/EN	使能/復位 (S1 按鍵, 10K 上拉)

可用 GPIO（未佔用，可擴展）

GPIO	特性	建議用途
IO15	通用 IO	擴展
IO16	通用 IO	擴展
IO17	通用 IO	擴展
IO35	通用 IO	擴展
IO36	通用 IO	擴展
IO37	通用 IO	擴展
IO45	通用 IO	擴展
IO46	通用 IO	擴展

⚠️ 已佔用 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
可用數量: 8 個 GPIO

八、關鍵設計約束

8.1 I2S 外設配置

ESP32-S3 有兩個 I2S 控制器：
- I2S0: 已分配給 ES8311 Codec (MCLK=IO39, BCLK=IO38, WS=IO47, DOUT=IO48, DIN=IO40)，雙向 I2S Duplex，同時支援錄音和播放
ES8311 I2C 控制: SDA=IO41, SCL=IO42, 器件地址 0x30

8.2 DVP 與 I2S DMA 共存

DVP 使用 LCD_CAM 外設的 DMA 通道
ES8311 使用 I2S0 DMA (單 I2S 接口雙向)
兩者不衝突，但需注意 PSRAM 帶寬（8MB PSRAM 足夠）
GPIO45/46 與音頻無連接，可作其他用途；GPIO47 用於 I2S WS

8.3 I2C 總線共享

IO41(SDA) + IO42(SCL) 同時連接攝像頭和外部 I2C 接口
I2C 上拉電阻: R12 (SDA, 4.7K/1%), R13 (SCL, 4.7K/1%)，上拉至 VDD33
需確保攝像頭 I2C 地址與外部設備不衝突
OV2640 默認 I2C 地址: 0x60 (寫) / 0x61 (讀) — 與 ES8311 (0x30) 不衝突

8.4 Flash 容量充足

16MB Flash 空間充裕，可以支援：
- OTA 雙分區方案 (factory + ota_0 + ota_1)
- SPIFFS 存放 Web 管理後台 (~1MB)
- 小智 AI 多語言資源包 (.p3 文件)
- NVS 配置分區
- 預留升級空間
無需擔心固件體積，多 Agent AI 可以完整裝入

8.5 DVP 攝像頭輸入引腳約束

D0-D7 及 VSYNC/HREF/PCLK 均為輸入引腳，由攝像頭傳感器驅動
驅動程序開發時必須確保這些引腳僅配置為 INPUT 模式
I2S 音頻引腳 (38,39,40,47,48) 可配置為輸出模式 (ESP32-S3 支援)

九、ESP-IDF 配置建議

9.1 sdkconfig 關鍵項

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 攝像頭配置

// 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,
};

下一步

快速開始 — 五步跑通燒錄、聯網與 AI 模式切換
串口協議手冊 — 完整 AT 指令參考

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多板卡示例

I2C 通信

串口通信

ROS 示例

ESP32-NanoCam 硬體規格書

一、硬體總覽

二、主控與存儲

2.1 主控芯片

2.2 Flash 存儲

三、攝像頭子系統

3.1 DVP 接口

3.2 DVP 引腳全映射

3.3 攝像頭信號組匯總

四、音頻子系統

4.1 音頻架構

4.2 ES8311 Codec I2S 引腳

4.3 ES8311 I2C 控制

五、電源系統

5.1 供電鏈路

5.2 關鍵器件

六、底板與燒錄

6.1 USB 轉串口

6.2 一鍵下載電路

6.3 核心板↔底板連接器引腳表

6.4 底板擴展接口

七、完整 GPIO 佔用表

可用 GPIO（未佔用，可擴展）

八、關鍵設計約束

8.1 I2S 外設配置

8.2 DVP 與 I2S DMA 共存

8.3 I2C 總線共享

8.4 Flash 容量充足

8.5 DVP 攝像頭輸入引腳約束

九、ESP-IDF 配置建議

9.1 sdkconfig 關鍵項

9.2 攝像頭配置

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3.2 DVP 引腳全映射 ​

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4.3 ES8311 I2C 控制 ​

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6.2 一鍵下載電路 ​

6.3 核心板↔底板 連接器引腳表 ​

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8.1 I2S 外設配置 ​

8.2 DVP 與 I2S DMA 共存 ​

8.3 I2C 總線共享 ​

8.4 Flash 容量充足 ​

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3.2 DVP 引腳全映射

3.3 攝像頭信號組匯總

四、音頻子系統

4.1 音頻架構

4.2 ES8311 Codec I2S 引腳

4.3 ES8311 I2C 控制

五、電源系統

5.1 供電鏈路

5.2 關鍵器件

六、底板與燒錄

6.1 USB 轉串口

6.2 一鍵下載電路

6.3 核心板↔底板連接器引腳表

6.4 底板擴展接口

七、完整 GPIO 佔用表

可用 GPIO（未佔用，可擴展）

八、關鍵設計約束

8.1 I2S 外設配置

8.2 DVP 與 I2S DMA 共存

8.3 I2C 總線共享

8.4 Flash 容量充足

8.5 DVP 攝像頭輸入引腳約束

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