本書是《超圖解 Arduino 互動設計入門》系列作品, 專為想要深度運用 ESP32 的讀者所撰寫, 從基本的 GPIO、內建的磁力感測器、電容觸控開關、物聯網 IoT 運用、低功率藍牙、低耗電睡眠模式、底層 FreeRTOS 作業系統等等, 都透過作者精心設計的實驗, 以及本系列作品最具特色的超圖解方式說明, 包含以下主題:
內建電容觸控開關與霍爾效應磁力感測器
硬體 / 計時器中斷處理與記憶體配置
OLED 顯示器中英文顯示以及圖形顯示
QR code 製作與顯示
Wi-Fi 無線網路物聯網 IoT 應用
HTTP GET/POST 與網路 API 使用
動態資料圖表網頁
WebSocket 網路即時資料傳輸
RTC 即時時鐘與 GPS 精準對時
ESP32 睡眠模式與定時喚醒、觸碰喚醒
SPIFFS 檔案系統與 SD 記憶卡的使用
網路音樂 / podcast 串流播放、文字轉語音播放
mDNS 區域網域名稱
BLE 低功耗藍牙應用
BLE 藍牙鍵盤、滑鼠人機介面輸入裝置製作
藍牙立體聲播放器
經典藍牙序列埠通訊 (SPP)
藍牙裝置電量顯示
HTTPS 加密網路連線與網站建置
Web Bluetooth 網頁藍牙傳輸
Mesh 網路實作
FreeRTOS 作業系統
FreeRTOS 任務排程
看門狗 (watchdog)
FreeRTOS 訊息佇列
FreeRTOS 二元旗號 (semaphore) 與互斥旗號 (mutex)
OTA 無線韌體更新
物件導向程式設計與自製程式庫
Backtrace 除錯訊息解析
電壓偵測與電流偵測
在學習的過程中, 也帶著讀者動手做出許多有趣實用的實驗, 包括:
煙霧濃度偵測
磁石開關
人體移動警報器
即時天氣顯示器
網頁式遙控調光器
網頁動態圖表
休眠省電定時上傳感測資料
網路收音機
氣溫語音播報機
藍牙立體聲音播放器
藍牙多媒體旋鈕控制器
藍牙多媒體鍵盤
電腦桌面自動切換器
投籃遊戲機
網頁式藍牙遙控車
本書特色
ESP32 是一系列高效能雙核心、低功耗、整合 Wi-Fi 與藍牙的 32 位元微控器, 適合物聯網、可穿戴設備與行動裝置應用。ESP32 的功能強大, 涉及的程式以及應用場域相關背景知識也較為廣泛, 本書的目的是把晦澀的技術內容, 用簡單可活用的形式傳達給讀者。
ESP32 支援多種程式語言, 本書採用最受電子 Maker 熟知的 Arduino 語言。但因為處理器架構不同, 所以某些程式指令, 像是控制伺服馬達以及發出音調的 PWM 輸出指令, 操作語法和典型的 Arduino (泛指在 Arduino 官方的開發板, 如:Uno 板執行的程式) 不一樣, 這意味著某些 Arduino 範例和程式庫無法直接在 ESP32 上執行。
相對地, ESP32 的獨特硬體架構也需要專門的程式庫和指令才能釋放它的威力, 例如, 低功耗藍牙 (BLE) 無線通訊、可輸出高品質數位音效的 I2S(序列音訊介面)、DAC(數位類比轉換器)、Mesh(網狀) 網路、HTTPS 安全加密連網...等。
更有意思的是, ESP32 開發工具引入了 FreeRTOS 即時作業系統, 可運行多工任務 (同時執行多個程式碼), 而 ESP32 Arduino 程式其實就是運作在 FreeRTOS 上的一個任務。因此, 書中除了含括 Arduino 語言外, 也會適時帶入 ESP32 官方開發工具鏈 ESP-IDF 的功能, 除了可操控底層 FreeRTOS 作業系統外, 也可運用 Arduino 中未提供的 ESP32 專屬功能。
本書假設讀者已閱讀過《超圖解 Arduino 互動設計入門》第三或四版, 所以本書的內容不包含基本電子學 (像電阻分壓電路、電晶體開關電路、運算放大器的電路原理分析..等), 也不教導 Arduino 程式入門 (如:條件判斷、迴圈、陣列、指標..等), 而是以《超圖解 Arduino 互動設計入門》為基礎, 將篇幅依照 ESP32 應用的需要, 在程式設計方面說明物件導向 (OOP)、類別繼承、虛擬函式、回呼函式、指標存取結構、堆疊與遞迴...等進階主題。
另外, 本書也不僅僅只是探討 Arduino 程式, 由於微控器是物聯網應用當中的一個環節, 以『透過網頁瀏覽器控制某個裝置』的應用來說, 呈現在瀏覽器的內容是採用 HTML 和 JavaScript 語言開發的互動網頁, 和微控器的 Arduino 程式語言完全不同, 在相關章節也會對這些主題有所著墨。
開發微電腦應用程式, 偶爾會用到一些小工具程式, 例如, 呈現在 OLED 顯示器上的中英文字體與影像, 都必須先經過『轉檔』才能嵌入 Arduino 程式碼, 除了使用現成的工具軟體, 書中也示範採用廣受歡迎的 Python 語言編寫批次轉換字體和影像檔的工具程式。書中提及的 Python 程式屬於進階應用, 是假設讀者閱讀過《超圖解 Python 程式設計入門》, 具備運用 Python 操作檔案目錄、解析命令行參數、轉換影像、執行緒...等相關概念後的延伸學習, 可讓讀者練習善用各種程式語言綜合實踐的方法。
另外, 為了方便讀者查詢書中內容, 本書特別準備了線上版本的索引, 避免一般中文書缺乏索引的問題, 讓讀者可以快速找到所需的主題。希望這本厚實的作品能夠成為各位實作專案時最佳的工具書。
《超图解 STM32 嵌入式系统开发实战:从入门到精通》 内容简介 本书旨在为广大电子工程、自动化、计算机科学领域的学习者和工程师提供一套全面、深入且高度实用的STM32微控制器应用开发指南。STM32系列基于ARM Cortex-M内核,凭借其卓越的性能、丰富的外设接口和庞大的生态系统,已成为当前嵌入式系统设计的主流选择。本书不仅仅停留在理论介绍层面,而是紧密结合实际项目需求,以“图解”和“实战”为核心,确保读者能够快速上手,并掌握解决复杂工程问题的能力。 全书结构清晰,内容覆盖了从基础知识建立到高级功能实现的完整学习路径,共分为五大部分,辅以大量的项目案例和代码示例。 --- 第一部分:STM32 基础与开发环境搭建(奠定坚实基础) 本部分是所有后续深入学习的基石。我们首先会系统地介绍STM32微控制器的家族架构、存储器映射、不同系列(如L、F、H系列)的选型依据和核心优势。 1.1 STM32 架构解析: 深入剖析Cortex-M内核的流水线、中断机制(NVIC)和寄存器组。理解为什么STM32在性能和功耗之间能取得如此完美的平衡。 1.2 开发工具链的建立: 详细指导读者完成主流开发环境的安装与配置,包括Keil MDK、STM32CubeIDE(基于Eclipse)以及GCC工具链。重点讲解如何使用STM32CubeMX图形化配置工具,实现初始化代码的快速生成,显著提高开发效率。 1.3 固件编程入门: 介绍两种主要的编程范式:寄存器直接操作(Bare-Metal)和HAL/LL库编程。通过第一个“点亮LED”实例,对比两种方式的优劣,并建议初学者应先理解寄存器操作,再熟练运用抽象程度更高的库函数。 1.4 调试与烧录: 全面介绍使用ST-Link V2/V3进行在线调试的关键步骤,包括断点设置、单步执行、内存和寄存器查看。讲解Bootloader的工作原理及通过各种模式(IAP, ISP)下载程序的技巧。 --- 第二部分:核心外设的深度图解与应用(I/O与通信基石) 本部分聚焦于嵌入式系统中最为常用、最基础的硬件接口,每一项外设都配有详细的硬件连接图、寄存器级配置流程图和完整应用代码。 2.1 通用输入/输出 (GPIO): 详细阐述GPIO的八种工作模式(输入、推挽输出、开漏输出、复用功能),以及如何配置上拉/下拉电阻和防抖动处理。 2.2 定时器 (Timers): 定时器是嵌入式系统的“心脏”。我们将深入讲解基础定时器(如TIM2/3/4)的计数模式、预分频、自动重载寄存器(ARR)的计算,并实现精确的定时中断。重点讲解输入捕获用于测量脉冲宽度,以及输出比较/PWM用于电机控制和调光。 2.3 模数转换器 (ADC): 覆盖单次转换、连续转换、扫描模式、通道间隙配置。特别讲解如何利用DMA(直接内存访问)进行高速数据采集,避免CPU干预,实现高效的波形采集。 2.4 串行通信协议详解: USART/UART: 基础的异步通信,讲解波特率计算、奇偶校验位的设置,并实现PC端上位机的数据交互。 SPI: 深入分析主/从模式、时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的四种模式,并实战驱动OLED显示屏和SPI接口的EEPROM存储器。 I2C: 讲解总线仲裁机制、起止条件,并实现对常用温度传感器(如DS18B20)和EEPROM的读写操作。 --- 第三部分:实时性与数据流的高级控制(提升系统性能) 本部分将系统地引入实时操作系统(RTOS)的概念,并结合DMA和中断控制器,展示如何构建高响应速度和高吞吐量的数据处理系统。 3.1 中断系统与NVIC 深入: 详细分析中断优先级分组、抢占优先级和响应优先级的配置逻辑。讲解如何处理外部中断(EXTI)以及中断服务程序(ISR)中的最佳实践,如尽量少的在ISR内执行耗时操作。 3.2 DMA(直接内存访问)的高效运用: DMA是提升数据传输效率的关键。本书将通过图解方式清晰展示DMA的传输模式(普通、循环)、数据宽度、源/目标地址自增机制。通过一个高速ADC数据采集到内存的实例,展示零拷贝(Zero-Copy)的数据处理流程。 3.3 实时操作系统 (RTOS) 选型与实践: 引入FreeRTOS,讲解任务管理、任务状态切换、优先级反转问题。重点演示如何使用信号量(Semaphores)、互斥锁(Mutexes)和消息队列(Queues) 来安全地管理多任务间的资源共享和数据传递。每一个RTOS概念都将通过一个小型仿真项目进行验证。 --- 第四部分:网络与存储接口的集成(现代嵌入式系统的连接性) 本部分侧重于如何将STM32系统连接到外部网络和持久化存储,这是物联网(IoT)应用的基础。 4.1 文件系统与外部存储: 介绍SD卡接口(通过SPI或SDIO)。详细讲解如何移植和使用FatFs文件系统,实现文件的创建、读写和管理。对于内部Flash的扇区擦写和数据持久化也将进行详细说明。 4.2 以太网应用开发 (LwIP): 针对集成了ETH MAC的STM32系列,指导读者配置其内部PHY芯片,并移植轻量级TCP/IP协议栈LwIP。实现一个基本的TCP服务器和UDP客户端,用于局域网内的远程控制和数据上报。 4.3 蓝牙/Wi-Fi模块的驱动: 以主流的ESP8266或ESP32模块为例,通过UART/AT指令集的方式,指导STM32如何与其通信,实现Wi-Fi连接和MQTT协议接入云平台(如阿里云或私有服务器)。 --- 第五部分:项目实战与工程化实践(学以致用) 本部分将前述所有知识点融会贯通,通过两个大型、贴近工业应用的案例,展示完整的嵌入式项目开发流程。 5.1 智能环境监测站实战: 整合了I2C(传感器)、ADC(模拟输入)、定时器(数据采集周期)、UART(调试输出)和RTOS(任务调度)。重点展示如何设计模块化的代码结构,使得系统易于维护和扩展。 5.2 工业级PID电机控制系统: 采用高级定时器(如TIM1的互补PWM输出)驱动三相无刷电机(或直流电机)。结合编码器的输入捕获实现速度反馈,并利用数字PID算法进行闭环控制。讲解如何进行离线参数整定和在线系统自整定。 附录: 提供常用寄存器地址速查表、开发工具链常见错误排查手册,以及嵌入式系统可靠性设计的基础原则。 本书特点: 高度图示化: 流程图、时序图、硬件连接图贯穿始终,复杂概念一目了然。 注重底层理解: 不回避寄存器层级的细节,确保读者对硬件有深刻的认知。 强调工程规范: 引入代码注释规范、版本控制(Git)和模块化设计思想。 全系列覆盖: 示例代码兼容主流的F1、F4、L4系列,具有极高的迁移价值。