ExpressLRS开源代码之硬件管脚定义

原创 已于 2023-09-03 09:52:15 修改 · 1.9k 阅读 · 5 ·
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#开源 #ELRS

于 2023-09-03 09:50:17 首次发布
本文围绕ExpressLRS开源的硬件管脚定义展开。硬件工程师做嵌入式智能产品时，需结合软件定义规划硬件IO。ExpressLRS开源代码从Arduino框架开发，通过json文件解耦硬件管脚定义。文中以generic系列产品为例，分析了产品、目标、目标抽象、MCU选型及管脚定义等内容。

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ExpressLRS开源代码之硬件管脚定义

1. 源由

硬件工程师更加侧重硬件设计，比如：sch, pcb layout, manufacture等相关方面的产品设计。

而往往很多时候再做嵌入式智能产品的时候，硬件需要结合既有软件的定义进行硬件IO的规划，比如：管脚定义。

同样的一个GPIO到底做什么用途，为什么要做这个用途，并非简单的硬件就能确定，往往需要从功能需求，在产品架构设计的时候就要考虑清楚。

随着嵌入式系统资源的日益丰富，嵌入式软件设计也慢慢从原有单片机汇编强耦合方式编程，逐步通过配置文件或者宏定义等方式来将软硬件管脚定义解耦。

下面我们就来谈谈ExpressLRS开源之硬件管脚定义。

2. 分析

ExpressLRS开源代码从软件设计的角度，是从Arduino框架进行应用开发的。在硬件管脚定义的解耦方面通过json文件格式进行定义。

从理解的角度，首先需要从ExpressLRS开源代码之工程结构开始入手，有兴趣的朋友可以走读下这个链接。

通过工程结构，可以非常快速的找到硬件和管脚定义的关联关系：

2.1 产品(product)

src\hardware\targets.json

e.g. plain

            "plain": {
                "product_name": "Generic ESP8285 SX127x 900MHz RX",
                "lua_name": "ELRS 900RX",
                "layout_file": "Generic 900.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_900_RX",
                "prior_target_name": "DIY_900_RX_ESP8285_SX127x"
            },

注：这里我们以generic这个系列产品为例，当然如果需要ELRS开发团队支持，那就需要按照ELRS要求的供应商规范，完成硬件认证。
届时，ELRS开发团队就会将系列产品添加到这个json文件中，作为认证通过的依据。

   "generic": {
        "name": "Generic targets used as a base",
        "tx_900": {
            "gemini": {
                "product_name": "Generic ESP32 900MHz Gemini TX",
                "lua_name": "Gemini 900TX",
                "layout_file": "Generic 900 Gemini.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "etx"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_900_TX",
                "prior_target_name": "Unified_ESP32_900_TX"
            }
        },
        "rx_900": {
            "plain": {
                "product_name": "Generic ESP8285 SX127x 900MHz RX",
                "lua_name": "ELRS 900RX",
                "layout_file": "Generic 900.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_900_RX",
                "prior_target_name": "DIY_900_RX_ESP8285_SX127x"
            },
            "pwmp": {
                "product_name": "Generic ESP8285 SX127x with PWM 900MHz RX",
                "lua_name": "ELRS PWMP 900RX",
                "layout_file": "Generic 900 PWMP.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_900_RX",
                "prior_target_name": "DIY_900_RX_PWMP"
            },
            "true_diversity": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity PA 900MHz RX",
                "lua_name": "Diversity 900RX",
                "layout_file": "Generic 900 True Diversity PA.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_900_RX"
            },
            "true_diversity_pwm16": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity 16xPWM 900MHz RX ",
                "lua_name": "16PWM TD 900RX",
                "layout_file": "Generic 900 True Diversity PWM 16.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_900_RX"
            }
        },
        "tx_2400": {
            "dupletx": {
                "product_name": "Generic Full-duplex 2.4GHz TX",
                "lua_name": "DupleTX",
                "layout_file": "DIY 2400 DupleTX.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "etx"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_TX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_TX_DUPLETX"
            },
            "dupletxesp": {
                "product_name": "Generic ESP8285 Full-duplex 2.4GHz RX as TX",
                "lua_name": "DupleTX ESP",
                "layout_file": "DIY 2400 DupleTX ESP.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_TX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_TX_DUPLETX_ESP"
            },
            "gemini": {
                "product_name": "Generic ESP32 2.4Ghz Gemini TX",
                "lua_name": "Gemini 2.4TX",
                "layout_file": "Generic 2400 Gemini.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "etx"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_TX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_TX_GEMINI"
            }
        },
        "rx_2400": {
            "pp": {
                "product_name": "Generic STM32 PP 2.4Ghz RX",
                "upload_methods": ["stlink", "betaflight"],
                "platform": "stm32",
                "firmware": "DIY_2400_RX_STM32_CCG_Nano_v0_5",
                "stlink": {
                    "cpus": ["STM32L432KCUx"],
                    "offset": "0x4000",
                    "bootloader": "sx1280_rx_nano_pcb_v0.5_bootloader.bin"
                }
            },
            "plain": {
                "product_name": "Generic ESP8285 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_RX_ESP8285_SX1280"
            },
            "pwm5": {
                "product_name": "Generic ESP8285 5xPWM 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+PWM 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 PWMP5.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_RX_PWMP"
            },
            "pwm6": {
                "product_name": "Generic ESP8285 6xPWM 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+PWM 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 PWMP6.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_RX_PWMPEX"
            },
            "pwm-vario": {
                "product_name": "Generic ESP32 PWM Vario 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "Vario 2400RX",
                "layout_file": "Vario 2400.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_RX_PWM_VARIO"
            },
            "pwm7": {
                "product_name": "Generic ESP8285 7xPWM 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+PWM 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 PWMP7.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX"
            },
            "pa": {
                "product_name": "Generic ESP8285 PA 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+PA 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 PA.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX"
            },
            "pa-rgb": {
                "product_name": "Generic ESP8285 RGB + PA 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+RGB 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 PA RGB.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX",
                "prior_target_name": "DIY_2400_PA_RGB_RX"
            },
            "diversity": {
                "product_name": "Generic ESP8285 Diversity PA 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "ELRS+D 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 Diversity PA.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp8285",
                "firmware": "Unified_ESP8285_2400_RX"
            },
            "frank": {
                "product_name": "Generic ESP32 2.4Ghz Franken RX",
                "lua_name": "Frank 2400RX",
                "layout_file": "Frank 2400.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "rx_vtx": {
                "product_name": "Generic ESP32 2.4Ghz Rx and VTx",
                "lua_name": "Rx+VTx 2400RX",
                "layout_file": "Generic 2400 Whoop Rx and VTx.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "true_diversity": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity PA 2.4Ghz RX",
                "lua_name": "Diversity 2.4RX",
                "layout_file": "Generic 2400 True Diversity PA.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "diversity_pa_vtx": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity PA 2.4Ghz RX and VTx",
                "lua_name": "Div+VTx 2.4RX",
                "layout_file": "Generic 2400 True Diversity PA and VTx.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "diversity_vtx": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity 2.4Ghz RX and VTx",
                "lua_name": "Div+VTx 2.4RX",
                "layout_file": "Generic 2400 True Diversity and VTx.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "true_diversity_pwm16": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity 16xPWM 2.4Ghz RX ",
                "lua_name": "16PWM TD 2.4RX",
                "layout_file": "Generic 2400 True Diversity PWM 16.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            },
            "true_diversity_pwm14": {
                "product_name": "Generic ESP32 True Diversity PA 14xPWM 2.4Ghz RX ",
                "lua_name": "14PWM TD 2.4RX",
                "layout_file": "Generic 2400 True Diversity PA PWM 14.json",
                "upload_methods": ["uart", "wifi", "betaflight"],
                "platform": "esp32",
                "firmware": "Unified_ESP32_2400_RX"
            }
        }
    },

2.2 目标(target)

src\targets\*.ini

e.g. diy_900.ini // 根据前面Generic系列，目标使用了DIY系列的配置DIY_900_RX_ESP8285_SX127x

注：这里取DIY系列产品中的一个900接收频段的接收机。

[env:DIY_900_RX_ESP8285_SX127x_via_UART]
extends = env:Unified_ESP8285_900_RX_via_UART
board_config = generic.rx_900.plain

[env:DIY_900_RX_ESP8285_SX127x_via_BetaflightPassthrough]
extends = env:DIY_900_RX_ESP8285_SX127x_via_UART

[env:DIY_900_RX_ESP8285_SX127x_via_WIFI]
extends = env:DIY_900_RX_ESP8285_SX127x_via_UART

2.3 目标抽象(Unified Target)

这里稍微提一下，src\targets\*.ini下的文件名很多都是直接产品系列(品牌)命名，个人感觉可能是开发者认为需要统一一下硬件描述文件，所以做了一个额外的抽象。

src\targets\unified.ini

e.g. Unified_ESP8285_900_RX_via_UART //根据前面的例子，可以知道这个抽象目标(通常开发者/生产会使用串口烧录)

[env:Unified_ESP8285_900_RX_via_UART]
extends = env_common_esp82xx, radio_900
build_flags =
	${env_common_esp82xx.build_flags}
	${radio_900.build_flags}
	${common_env_data.build_flags_rx}
	-include target/Unified_ESP_RX.h
build_src_filter = ${env_common_esp82xx.build_src_filter} -<tx_*.cpp>
board_build.ldscript = ./elrs.flash.1m64.ld

2.4 MCU选型

src\targets\common.ini

e.g. env_common_esp82xx //根据前面的例子，可以知道这个MCU选型

# ------------------------- COMMON ESP82xx DEFINITIONS -----------------
[env_common_esp82xx]
platform = espressif8266@4.2.0
board = esp8285-8285
build_flags =
	-D PLATFORM_ESP8266=1
	-D VTABLES_IN_FLASH=1
	-D PIO_FRAMEWORK_ARDUINO_MMU_CACHE16_IRAM48
	-D CONFIG_TCPIP_LWIP=1
	-D BEARSSL_SSL_BASIC
	-D USE_MSP_WIFI=1
	-O2
	-I ${PROJECTSRC_DIR}/hal
board_build.f_cpu = 160000000L
board_build.ldscript = eagle.flash.1m.ld
build_src_filter = ${common_env_data.build_src_filter} -<ESP32*.*> -<STM32*.*> -<WS281B*.*>
extra_scripts =
	${env.extra_scripts}
	pre:python/build_html.py
lib_deps =
	makuna/NeoPixelBus @ 2.7.0
	ottowinter/ESPAsyncWebServer-esphome @ 3.0.0
	bblanchon/ArduinoJson @ 6.19.4
upload_speed = 460800
monitor_speed = 420000
monitor_filters = esp8266_exception_decoder
upload_resetmethod = nodemcu

2.5 管脚定义

在2.1章节中已经给出管脚定义(layout_file)

src\hardware\RXGeneric 900.json

{
    "serial_rx": 3,
    "serial_tx": 1,
    "radio_dio0": 4,
    "radio_dio1": 5,
    "radio_miso": 12,
    "radio_mosi": 13,
    "radio_nss": 15,
    "radio_rst": 2,
    "radio_sck": 14,
    "power_min": 0,
    "power_high": 2,
    "power_max": 2,
    "power_default": 2,
    "power_control": 0,
    "power_values": [8,12,15],
    "led": 16,
    "button": 0
}

3. 总结

综上所述，Generic ESP8285 SX127x 900MHz RX产品使用：

  1. MCU：ESP8285
  2. IO Definition:
    "serial_rx": 3,
    "serial_tx": 1,
    "radio_dio0": 4,
    "radio_dio1": 5,
    "radio_miso": 12,
    "radio_mosi": 13,
    "radio_nss": 15,
    "radio_rst": 2,
    "radio_sck": 14,
    "led": 16,
    "button": 0

4. 参考资料

【1】[ExpressLRS开源之接收机固件编译烧录步骤](https://blog.youkuaiyun.com/lida2003/article/details/132518813）
【2】ExpressLRS开源之RC链路性能测试
【3】ExpressLRS开源之基本调试数据含义
【4】ExpressLRS开源代码之框架结构
【5】ExpressLRS开源代码之工程结构
【6】ExpressLRS开源代码之接收机代码框架结构
【7】ExpressLRS开源代码之发射机代码框架结构

ExpressLRS硬件实测性能分析
lida2003的专栏
04-13 2144
假设1：dynamic是起效果了，按照500mW计算可得：10mW500mW1R212.46km500mW10mW​2.46km1​R21​​R347mR = 347 mR347m假设2：dynamic未起效果了，按照50mW计算可得：10mW50mW1R212.46km50mW10mW​2.46km1​R21​​R1100mR = 1100 mR1100m。
esp8285原理图pcb（可直接打样）.zip
11-23
可以直接打样测试过效果很好
ExpressLRS开源之接收机固件编译烧录步骤
lida2003的专栏
08-27 8232
ExpressLRS是航模上目前比较流行的开源发射机和接收机开源代码之一。 其目的旨在提供最好的完全开放、高刷新率的无线电控制链路，同时以低延迟保持该速率下的最大可实现范围，在900MHz和2.4GHz频率下对硬件提供大量支持。 这个也是笔者一直使用的RC控制链路。从无人机的控制电传，图传以外，RC链路控制是非常重要的链路。 不过这里有一个非常痛苦的事情，就是编译。为什么？？？？ **耗时** 因此，本文主要的出发点是确保操作步骤的正确性，并针对常见问题进行必要且快速的解决方法。
ExpressLRS开源代码之工程结构
lida2003的专栏
09-01 2195
ExpressLRS开源代码基于Arduino框架设计，在所支持的硬件环境下，提供900/2400发射机和接收机硬件方案。 该设计提供了一个IO配置文件来更好的解耦软硬件设计，使得整个硬件设计工作和软件设计工作更加独立。 虽然系统复杂，工程结构的理解有一定难度，从方法论的角度看，这种解耦的设计本质上是为了更好的简化设计复杂度。
ExpressLRS开源代码之接收机代码框架结构
lida2003的专栏
09-01 1443
[ExpressLRS开源代码之框架结构](https://blog.csdn.net/lida2003/article/details/132621509)从硬件和软件设计角度，抽象整理了一个框架。 本章将结合接收机实际代码实现，进行相应的介绍。
探索无界：ExpressLRS，开启你的无线遥控新体验
gitblog_00779的博客
08-09 1149
探索无界：ExpressLRS，开启你的无线遥控新体验 项目地址:https://gitcode.com/gh_mirrors/ex/ExpressLRS ExpressLRS 是一款基于 LoRa 技术的开源无线遥控系统，专为追求极致性能的FPV赛车爱好者设计。这款系统以其出色的范围、超低的延迟以及广泛的硬件兼容性，成为当前市场上的热门选择。 项目技术分析 ExpressLRS 利用了Semt...
探索ExpressLRS Configurator：无线遥控的新纪元
gitblog_00039的博客
04-17 715
探索ExpressLRS Configurator：无线遥控的新纪元 项目简介 是一个为ExpressLRS系统设计的强大配置工具。ExpressLRS是一个开源的、高性能的远程控制系统，广泛应用于无人机、模型飞机和机器人等领域。这款配置器使用户能够轻松地定制和优化ExpressLRS设备，以满足他们的特定需求。 技术分析 ExpressLRS-Configurator基于现代Web技术构建，采用...
ExpressLRS开源代码之框架结构
lida2003的专栏
09-01 1430
最近为了理解[《ExpressLRS开源之基本调试数据含义》](https://blog.csdn.net/lida2003/article/details/132577001)，做了一些源代码的研读。 概念、文档、代码或多或少都存在一些变数，代码不仅仅从数值，量纲，以及出处可以了解的非常清晰，从而对于数据的含义达到更深的认识。
ExpressLRS开源之RC链路性能测试
lida2003的专栏
08-28 2207
基于ExpressLRS开源基本调试验证方法，对RC链路性能进行简单的性能测试。 修改设计总能够满足合理的需求，往往我们需要再不变更设计的基础上，进行相关验证。此时也是考研设计鲁棒性的一个维度。 开源代码有的时候往往比所谓专业的企业团队给出更好的设计就在于此。这里将借助开源代码的基本调试验证方法进行简单的性能测试。
ESP8285调试记录
huangling07031190的专栏
03-25 8754
引言 1.1. 目的 ESP8285模组ESP-IDF(Espressif IoT Development Framework）进行软件开发。包括编译环境搭建，客制化AT，API开发，调试下载等。 ESP-IDF介绍 2.1. 概述 ESP8285和ESP8266的代码是兼容的，8285是内置FlashSPI Mode（设置为DOUT模式），8266需要外挂Flash，两款芯片内置超低功耗 Tensilica L106 32 位 RISC 处理器，CPU 时钟速度最高可达 160 MHz，支持实时操..
ExpressLRS开源之基本调试数据含义
lida2003的专栏
08-30 1462
基于ExpressLRS开源代码对基本调试验证数据进行详细的研读理解，以期望更深入的理解相关数据的实际含义。
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arduino 处理elrs接收机信号
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