Modul gateway WT32-ETH01 ESP32, Ethernet 10/100 Mbps, Wi-Fi, Bluetooth, tápfeszültség 5V vagy 3.3V

A WT32-ETH01 egy ESP32-alapú kártya Ethernet-porttal. Olyan projektekben használják, ahol a vezetékes kapcsolatnak stabilabbnak kell lennie, mint a Wi-Fi-nek, például automatizálási csomópontoknál, soros eszközök átjáróinál vagy megfigyelő paneleknél. Ebben a bemutatóban csak magát a modult használjuk, az Arduino IDE-ből, az ESP32 Dev Module kártyatípussal programozva, más fejlesztőkártya nélkül.

A modulnak nincs USB-portja, ezért egy 3.3 V-os logikájú CP2102 USB-TTL adapteren keresztül programozzuk. A végeredmény egy olyan program lesz, amely elindítja az Ethernetet, kiírja a routertől kapott IP-címet, és rendszeresen ellenőrzi, hogy a hálózat válaszol-e.

Működés:

Az ESP32 tartalmazza az Ethernet MAC-vezérlőjét, a kártyán lévő LAN8720A áramkör pedig a fizikai réteg (PHY), amely a kábelen keresztül kommunikál. A kettő között az RMII interfész köti össze őket, amelyhez 50 MHz-es referencia-órajel szükséges. Ezt az órajelet a kártyán lévő oszcillátor adja, amelyet az ESP32 az IO16 lábon indít, a jel pedig az IO0 lábon lép be az ESP32-be. Ezért a programban az IO16 lábat a PHY tápláló lábaként deklaráljuk, az órajelet pedig ETH_CLOCK_GPIO0_IN-re állítjuk.

Az IO23 (MDC) és az IO18 (MDIO) lábak alkotják a menedzsment buszt, amelyen keresztül az ESP32 konfigurálja a LAN8720A-t, a PHY címe pedig 1. Az adatok tényleges továbbítása az IO19, IO21, IO22, IO25, IO26 és IO27 RMII lábakon történik, ezeket a kártya belsőleg használja, így a sorkapcsokon nem jelennek meg.

Néhány hasznos számítás. A 115200 baud-os soros port átvitelenként bájtonként 10 bitet küld (egy start bit, 8 adatbit és egy stop bit), ezért nagyjából 115200 / 10 = 11520 bájt másodpercenként. A 100 Mbps-os Ethernet elméleti sebessége 100 / 8 = 12.5 MB másodpercenként, ami több mint 1000-szer nagyobb. Az átlagos fogyasztás 80 mA, de a tápegységnek legalább 500 mA-t kell tudnia leadni a Wi-Fi és az Ethernet áramcsúcsaihoz. Egy USB-port 500 mA-t biztosít, ez tehát elegendő.

Csatlakoztatás:

A modult a CP2102 adapter +5V lábáról tápláljuk, amely az USB 5 V-os feszültségét közvetlenül átengedi. Az adapter 3V3 lábát nem használjuk, mert a stabilizátora kis áramot ad, ami nem elég egy Wi-Fi-s ESP32-nek. A jelek 3.3 V-osak, ezért nincs szükség szintillesztőre, de soha ne kapcsoljon 5 V-ot a jellábakra. A soros vonal keresztbe van kötve: az adapter TXD lába az RX0-ra, az adapter RXD lába a TX0-ra megy. Az IO0 lábat csak a programfeltöltés idejére kösse GND-re.

Gombok, beállítások és jelzőfények:

A kártyán nincs gomb, potenciométer, jumper vagy kapcsoló. A programozó módba az IO0 és a GND közötti vezetékkel léphet, az újraindítást pedig az EN lábbal végezheti. A kártya állapotát három LED jelzi.

Programozó mód. Az IO0 és a GND közötti vezetéket a kártya tápra kapcsolása vagy újraindítása előtt csatlakoztassa. Miután az Arduino IDE befejezte a feltöltést, húzza ki a vezetéket, és indítsa újra a tápellátást. Ha a soros monitor a waiting for download üzenetet írja ki, a vezeték még be van dugva, vagy a kártyát nem indították újra.

Újraindítás. Ha a programot úgy szeretné újraindítani, hogy nem veszi le a tápellátást, érintse röviden az EN lábat egy vezetékkel a GND-hez. A program elölről indul, és a soros monitoron újra látja az indulási üzeneteket.

A POWER LED. Az adapter USB-re csatlakoztatásakor azonnal fel kell gyulladnia. Ez az első jel arra, hogy a tápellátás és a föld rendben van.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben a Tools > Board menüből válassza az ESP32 Dev Module kártyát az esp32 by Espressif Systems csomagból, amelyet a Boards Manager-ből telepített. A csomag nem része az Arduino IDE-nek, ezért először a File > Preferences menüben, az Additional boards manager URLs mezőbe adja meg a https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json címet. A program az ESP32 csomag 2.0.x és 3.x verzióihoz készült. Állítsa az Upload Speed értékét 115200-ra.

A program csak az ESP32 csomaggal érkező könyvtárakat használja (WiFi.h, ETH.h és WiFiClient.h), ezért a Library Manager-ből nem kell könyvtárat telepíteni.

A kód:

A program elindítja az Ethernet-interfészt a WT32-ETH01 kártyára jellemző paraméterekkel, kiírja a hálózati eseményeket és az IP-címet, majd 5 másodpercenként TCP-kapcsolatot próbál létesíteni a hálózat átjárójához, vagyis a routerhez, a 80-as porton.

/*
  WT32-ETH01 Ethernet test: prints the IP address and checks the router
  Board (Arduino IDE, Tools > Board): ESP32 Dev Module
  Board package (Boards Manager): esp32 by Espressif Systems, versions 2.0.x or 3.x
  Boards Manager URL (File > Preferences):
    https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json
  Libraries: none to install. WiFi.h, ETH.h and WiFiClient.h come with the ESP32 package.
  Wiring (CP2102 USB to TTL adapter, 3.3 V logic):
    Adapter +5V -> module 5V pin (row 1)
    Adapter GND -> module GND pin next to 5V (row 1)
    Adapter TXD -> module RX0
    Adapter RXD -> module TX0
    Module IO0  -> module GND next to IO0 (row 2), only while uploading
    RJ45 port   -> router or switch with DHCP
*/
#include <WiFi.h>
#include <ETH.h>
// Ethernet PHY (LAN8720A) settings specific to the WT32-ETH01
#define WT_PHY_ADDR  1   // PHY address
#define WT_PHY_POWER 16  // GPIO16 enables the 50 MHz oscillator
#define WT_PHY_MDC   23  // Management clock pin
#define WT_PHY_MDIO  18  // Management data pin
static bool ethConnected = false;       // True after an IP address is received
static unsigned long lastCheck = 0;     // Time of the last network check
const unsigned long CHECK_INTERVAL = 5000;  // Check every 5 seconds
// Called by the system for every network event
void onEvent(WiFiEvent_t event) {
  switch (event) {
    case ARDUINO_EVENT_ETH_START:
      Serial.println("ETH started");
      ETH.setHostname("wt32-eth01");  // Name shown on the router
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_CONNECTED:
      Serial.println("ETH cable connected");
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_GOT_IP:
      Serial.print("ETH MAC: ");
      Serial.println(ETH.macAddress());
      Serial.print("IP address: ");
      Serial.println(ETH.localIP());
      Serial.print("Subnet mask: ");
      Serial.println(ETH.subnetMask());
      Serial.print("Gateway: ");
      Serial.println(ETH.gatewayIP());
      ethConnected = true;
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_DISCONNECTED:
      Serial.println("ETH cable disconnected");
      ethConnected = false;
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_STOP:
      Serial.println("ETH stopped");
      ethConnected = false;
      break;
    default:
      break;
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);  // Serial monitor on TX0 / RX0
  delay(500);
  Serial.println("WT32-ETH01 Ethernet test");
  WiFi.onEvent(onEvent);  // Register the event handler
  // The order of the arguments changed in version 3 of the ESP32 package
#if ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR >= 3
  ETH.begin(ETH_PHY_LAN8720, WT_PHY_ADDR, WT_PHY_MDC, WT_PHY_MDIO, WT_PHY_POWER, ETH_CLOCK_GPIO0_IN);
#else
  ETH.begin(WT_PHY_ADDR, WT_PHY_POWER, WT_PHY_MDC, WT_PHY_MDIO, ETH_PHY_LAN8720, ETH_CLOCK_GPIO0_IN);
#endif
}
void loop() {
  if (millis() - lastCheck < CHECK_INTERVAL) {
    return;  // Not time yet
  }
  lastCheck = millis();
  if (!ethConnected) {
    Serial.println("Waiting for an IP address...");
    return;
  }
  // Show the link speed and duplex mode
  Serial.print("Link: ");
  Serial.print((unsigned int)ETH.linkSpeed());
  Serial.print(" Mbps, ");
  Serial.println(ETH.fullDuplex() ? "full duplex" : "half duplex");
  // Try a TCP connection to the router on port 80 with a 3 second timeout
  WiFiClient client;
  if (client.connect(ETH.gatewayIP(), 80, 3000)) {
    Serial.println("Router reachable on port 80");
    client.stop();  // Close the connection
  } else {
    Serial.println("Router did not accept the connection on port 80");
  }
}

A kód működése:

Elöl a PHY paramétereit definiáljuk: a WT_PHY_ADDR a LAN8720A 1-es címe, a WT_PHY_POWER az oszcillátort indító 16-os láb, a WT_PHY_MDC és a WT_PHY_MDIO pedig a menedzsment busz 23-as és 18-as lába. Az ethConnected változó tárolja, hogy kaptunk-e IP-címet, a lastCheck pedig az utolsó ellenőrzés időpontját.

Az onEvent függvényt a rendszer minden hálózati eseménynél meghívja. Az ARDUINO_EVENT_ETH_START eseménynél az ETH.setHostname függvénnyel beállítjuk a gazdagép nevét. Az ARDUINO_EVENT_ETH_CONNECTED eseménynél tudjuk, hogy a kábel csatlakoztatva van. Az ARDUINO_EVENT_ETH_GOT_IP eseménynél kiírjuk az IP-címet, az alhálózati maszkot és az átjárót, az ethConnected változót pedig true-ra állítjuk. Az ARDUINO_EVENT_ETH_DISCONNECTED eseménynél az ethConnected értéke false lesz.

A setup függvényben elindítjuk a soros monitort 115200 baud-on, regisztráljuk az onEvent függvényt a WiFi.onEvent hívással, majd meghívjuk az ETH.begin függvényt. Az ETH.begin argumentumainak sorrendje az ESP32 csomag 3-as verziójában megváltozott, ezért a hívást az ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR direktívával választjuk ki.

A loop függvényben a millis segítségével 5 másodpercenként ellenőrizzük, hogy az Ethernet csatlakoztatva van-e. Ha igen, kiírjuk a kapcsolat sebességét az ETH.linkSpeed függvénnyel és a duplex módot, majd létrehozunk egy WiFiClient objektumot, és a client.connect hívással csatlakozunk az ETH.gatewayIP() címre a 80-as porton, 3000 ms-os időkorláttal. Ha a router elfogadja a kapcsolatot, a hálózat teljesen működik, a kapcsolatot pedig a client.stop hívással zárjuk le.

Eredmény:

Nyissa meg a soros monitort 115200 baud-on, miután eltávolította az IO0 - GND összekötést, és újraindította a kártyát. Néhány másodperc múlva megjelennek az alábbi üzenetek, a routertől kapott IP-címmel.

WT32-ETH01 Ethernet test
ETH started
ETH cable connected
ETH MAC: 24:6F:28:A1:5C:7E
IP address: 192.168.1.57
Subnet mask: 255.255.255.0
Gateway: 192.168.1.1
Link: 100 Mbps, full duplex
Router reachable on port 80
Link: 100 Mbps, full duplex
Router reachable on port 80

Gyakori problémák:

A feltöltés a Failed to connect to ESP32 hibaüzenettel megáll. Ennek oka általában az, hogy az IO0 nincs GND-re kötve indításkor, vagy a TX és RX vezetékek nincsenek keresztbe kötve. Kösse az IO0-t GND-re, ellenőrizze, hogy az adapter TXD lába az RX0-ra, az RXD lába pedig a TX0-ra megy, majd indítsa újra a kártyát, és ismételje meg a feltöltést.

A feltöltés után a soros monitor a waiting for download üzenetet írja ki. Az IO0 és a GND közötti vezeték még be van dugva. Húzza ki, és indítsa újra a tápellátást.

A soros monitoron értelmetlen karakterek jelennek meg. A soros monitor sebessége nem 115200 baud. Állítsa be ezt a sebességet a monitor jobb alsó sarkában.

Megjelenik az ETH started üzenet, de nem jelenik meg IP-cím. A kábel nincs csatlakoztatva, a routeren nincs bekapcsolva a DHCP, vagy a port hibás. Ellenőrizze a kábelt, próbáljon ki másik portot a routeren, és figyelje, megjelenik-e a kábel csatlakoztatva üzenet.

A modul magától újraindul vagy indításkor lefagy. A tápellátás nem elegendő, vagy a feszültség túl lassan nő. Használja az adapter +5V lábát vagy legalább 500 mA-es 5 V-os tápegységet, kerülje az adapter 3V3 lábáról való táplálást, és használjon rövid tápvezetékeket.

A program nem fordul le, és az ETH.begin függvénynél hibát ad. A telepített ESP32 csomag más verziójú, mint amit a program vár. Használjon 2.0.x vagy 3.x verziót, és maradjon kiválasztva az ESP32 Dev Module kártya.

Korlátok és tanácsok:

A modulnak egyetlen 10/100 Mbps-os Ethernet-portja van, a hálózati kábelen keresztüli tápellátás (PoE) nincs, ezért mindig külön tápellátásra van szüksége. Az IO34 - IO39 lábak csak bemenetek, a sorkapcsokon pedig csak az IO35, IO36 és IO39 érhető el. Az ADC2 bemenetek (IO2, IO4, IO12, IO14, IO15) nem olvashatók, amíg a Wi-Fi be van kapcsolva. Az IO0, IO2 és IO12 lábak indítólábak, indításkor nem szabad őket kényszeríteni.

A logikai szint 3.3 V, ezért 5 V-os eszközökhöz szintillesztőt kell használni. A modul -40 °C és +85 °C között üzemeltethető, de célszerű védeni a nedvességtől és a rezgésektől.

A továbbiakban építhet soros-Ethernet átjárót a TXD és RXD lábakkal, webszervert relék vezérléséhez, MQTT csomópontot automatizálásokhoz, vagy hálózaton keresztül, OTA módon frissíthető firmware-rel rendelkező eszközt.