ESP32入门-电子墨水屏日历
Ianus Inferus
2022-04-10
前言
近年来智能手机和智能硬件越来越流行，而这些设备均非常封闭，用户无法像传统台式计算机一样，对这些设备进行完全掌握和再编程。这导致了很多问题，常见的比如：Android手机除了少数品牌外，大多数禁止解锁boot loader，而且即使能解锁boot loader，也有相当数量的硬件驱动是闭源的，导致用户无法自由更换操作系统，甚至很难升级操作系统版本，无法对抗手机制造商和硬件制造商有意和无意的强制植入广告、远程控制手机的行为；大量智能摄像头使用弱密码或存在安全漏洞，导致用户隐私受损。
考虑到形势的发展，不得不提倡用户应该掌握更多的软硬件知识，尽量使用开源软硬件，将命运掌握在自己手中，并以此对抗资本主义和帝国主义的压迫。
在此背景下，我决定学习更多的硬件开发知识，之前已经学习了很有希望的开源CPU架构RISC-V（制作以RISC-V为目标代码的编译器)，这次讲讲最近学习的ESP32芯片。
ESP32是由总部位于上海张江高科技园区的fabless半导体公司乐鑫科技(Espressif)开发的低成本、低功耗微控制器芯片。ESP32和上一代产品ESP8266都是流行的支持WiFi的微控制器。
硬件
这次折腾的硬件如下。
其中，驱动板上的ESP32的型号为ESP32-WROOM-32（Xtensa 32-bit LX6 MCU，520KB片上SRAM，4MB集成SPI flash存储），支持WiFi 802.11b/g/n和蓝牙(包括低功耗蓝牙)，支持低功耗模式。
需要注意的有三点：
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我拿到的驱动板使用USB接口上传固件需要长按一下BOOT按键才能进行，而乐鑫原厂的一些新版本的开发板应该是没有这个问题的。
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驱动板上没有JTAG接口，无法使用gdb进行调试，只能通过串口打印日志来调试。
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电子墨水屏每局部刷新几次一定需要进行一次全局刷新，而全局刷新会产生闪烁。
开发工具
Visual Studio Code
PlatformIO Platform: Espressif 32
最开始尝试使用Arduino IDE进行开发，不过后来发现PlatformIO的界面更现代，并且有项目文件，更具有可重复性，但初次使用需要进行网络下载，可能会存在障碍。
PlatformIO下载的平台包均位于<用户目录>/.platformio中。
功能
最初设计的功能为显示新日历（以冬至点为起点、去除月亮历影响的纯太阳历日历系统）和显示天气信息。在这两个功能的基础上，有如下难点：
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通过网络进行NTP时间同步
据说一般是使用pool.ntp.org，但由于网络原因，最后换成了腾讯的NTP服务器。
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通过网络获取天气信息
使用了中国气象局数据。最初发现是https的，还有一点担心，但后来发现http也可以用。此外，JSON解析使用了ArduinoJson。
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显示汉字字符
由于日历和天气中都有汉字，而天气中的字符是不确定的，所以需要做一个点阵字库。 字模使用了以前做汉化时写的工具Firefly字库图片生成器进行提取。 字符表使用了网上找到的Windows CP20936代码页(GB2312-1980)的内容。 遇到了一个比较麻烦的问题是字库数据的大小。字库中有字符7580个，每个大小为16*16，占用空间大致为7580*16*16/8=242560字节。做成字节数组放到程序中之后，导致编译的固件超过了默认的1280KB。后来发现可以修改
platformio.ini中的配置board_build.partitions = huge_app.csv，将存储的分区改成3072KB，就非常充足了。 -
电子墨水屏显示
微雪的示例中有一些很乱的代码，稍加整理，并参考文档，可以得到正确的使用方法。
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WiFi设置
网上的大部分示例都是使用固定的WiFi SSID和密码来连接的，需要直接写到代码中，不利于代码分享和部署。 因此使用了WiFiManager。这个库可以在首次使用时，创建一个WiFi热点，然后用户可以连接热点中的HTTP服务器进行WiFi设置。设置好后数据会存储到Flash中，断电后再次启动可以直接读取。
源代码
后记
大学的时候学习过Keil C51平台的微控制器，当时是以C代码为主来进行实现的，而且定时器都需要自己测量指令周期来实现。现在的ESP32，虽然使用了gcc，且版本很低，但可以直接使用C++，可以动态分配和释放内存，可以使用异常，可用的库大幅丰富，开发起来简单了很多。