Hur man kopplar en e-paper display till ESP32

En e-paper display, även känd som elektronisk papperdisplay eller e-ink-display, är en unik typ av skärmteknologi som efterliknar utseendet av traditionellt bläck på papper. E-paper displays, som till exempel e-ink, fungerar genom att manipulera laddade pigmentpartiklar inom små mikrokapslar för att skapa synliga text- eller bildinnehåll. Denna teknik erbjuder flera fördelar, såsom låg energiförbrukning och en bred betraktningsvinkel. E-paper display är särskilt användbar för tillämpningar där statiskt eller långsamt förändrat innehåll räcker, som exempelvis e-läsare, elektroniska hyll etiketter och informationsskyltar.

En populär variant av e-paper display är den på 2,9 tum, som erbjuder en kompakt men ändå läsbar skärmarea. Denna typ av display kan enkelt kopplas till mikrokontroller som ESP32, vilket gör det möjligt att styra displayens innehåll och utseende. Genom att använda bibliotek som GxEPD2 kan utvecklare enkelt uppdatera displayen med ny information, skapa enkla grafiska element och visa textbaserat innehåll. För att visa information eller skapa grafik på en e-paper display behövs enbart mycket enkla kommandon och ett bra bibliotek som gör kommunikationen mellan ESP32 och displayen effektiv och smidig.

För att ansluta en e-paper display till en ESP32 används SPI-kommunikationsprotokollet. Tabellen nedan visar en guide för de nödvändiga anslutningarna:

E-paper Display Pins
ESP32 Pins
VCC – 3.3V
GND – GND
DIN – D23
CLK – D18
CS – D5
DC – D17
RST – D16
BUSY – D4

Efter att ha gjort dessa anslutningar behöver du installera nödvändiga bibliotek som GxEPD2_BW och Adafruit_GFX, samt de fontfiler som krävs för att kunna rendera text korrekt. När alla installationer är klara kan du ladda upp koden som gör att en "Hello World"-text visas på e-paper displayen. Koden är enkel och ser ut som följer:

cpp
Copy code
#include <GxEPD2_BW.h>

#include <Adafruit_GFX.h>
GxEPD2_BW display(GxEPD2_290(/*CS=*/ 5, /*DC=*/ 17, /*RST=*/ 16, /*BUSY=*/ 4));
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  display.init();
  display.setRotation(1);
}
void loop() {
  display.fillScreen(GxEPD_WHITE);
  display.setFont(&FreeMonoBold12pt7b);
  display.setTextColor(GxEPD_BLACK);

  display.setCursor((display.width() - 11) / 2, display.height() / 2);

  display.println("Hello World");
  display.display();
  delay(10000);
}

Denna kod använder två bibliotek: GxEPD2_BW, som används för att kommunicera med displayen, och Adafruit_GFX, som ger grafiska funktioner för att hantera text och grafik. Koden fyller skärmen med vitt, ställer in fonten och textfärgen, placerar texten "Hello World" i mitten av skärmen och uppdaterar displayen. Efter 10 sekunder återupprepas processen. Resultatet är en enkel men tydlig text på en e-paper display.

Jämförelse av olika skärmar

Det finns många olika skärmtyper som kan kopplas till en ESP32, och varje typ har sina egna fördelar och nackdelar beroende på användningsområdet. Här är en jämförelse av de vanligaste displayalternativen som kan användas med ESP32:

Denna tabell visar att SSD1306 OLED och ILI9341 TFT är bra alternativ för mer dynamiska och interaktiva projekt, medan e-paper displays är bäst för långvarig användning och där strömsnålhet är viktig. En TFT-touchskärm ger möjlighet till användarinteraktion och är bra för färggrafik, men den drar mer ström än en e-paper display. Om projektet kräver låg strömförbrukning och en skärm som kan användas under lång tid utan att behöva laddas om, är e-paper display det bästa alternativet.

Det är viktigt att förstå att varje displayteknologi har sina egna specifikationer som gör den mer eller mindre lämplig beroende på projektets krav. E-paper displays är de bästa för applikationer som behöver hög kontrast, långvarig synlighet och låg strömförbrukning. Däremot, om projektet kräver färg och beröring, skulle en TFT-display vara ett bättre val. Att förstå fördelarna och begränsningarna med varje skärmtyp kommer att hjälpa till att fatta det bästa beslutet för din specifika tillämpning.

Hur kan ESP-IDF och FreeRTOS förbättra din IoT-utveckling?

I den här delen av boken kommer vi att ta en närmare titt på hur ESP-IDF och FreeRTOS kan förbättra din utveckling inom IoT-applikationer och hur dessa teknologier skiljer sig från mer grundläggande alternativ, som Arduino IDE och Arduino ESP32-kärnan.

För att förstå potentialen i ESP32 är det viktigt att känna till de olika utvecklingsvägarna. Två av de mest populära vägarna är användningen av ESP32 Arduino-kärnan och ESP-IDF. Den förra är mer nybörjarvänlig och används i den här boken för att introducera ESP32, medan ESP-IDF är det officiella utvecklingsramverket för ESP32, vilket erbjuder mer funktioner och en mer avancerad nivå av utveckling.

ESP-IDF står för "Espressif IoT Development Framework" och är det officiella ramverket som ger utvecklare ett brett utbud av verktyg och bibliotek för att skapa IoT-applikationer. Det erbjuder en högre nivå av kontroll och funktionalitet jämfört med Arduino-kärnan, inklusive stöd för avancerad Bluetooth och Wi-Fi-anslutning, OTA (Over-the-Air) uppdateringar, samt integrering med FreeRTOS — ett realtidsoperativsystem (RTOS) för mikrokontroller.

Den största fördelen med ESP-IDF är dess kapabiliteter för att skapa mer effektiva och prestandaoptimerade lösningar. Eftersom ESP-IDF ger stöd för både C och C++, kan utvecklare dra nytta av den fulla kraften i dessa språk, vilket inte alltid är möjligt med Arduino IDE. Dessutom får ESP-IDF uppdateringar snabbare än Arduino-kärnan, vilket innebär att det är det bästa alternativet för att utnyttja de senaste funktionerna och förbättringarna i ESP32-mikrokontrollerna.

En annan stor fördel med ESP-IDF är dess hantering av minnesresurser och dess förmåga att hantera flera kärnor i ESP32-mikrokontrollerna, vilket gör det möjligt att skapa mer komplexa och effektiva IoT-applikationer. Eftersom ESP32 är en flertrådad mikrokontroller kan ESP-IDF utnyttja detta genom att möjliggöra verklig multitasking, vilket är en stor förbättring jämfört med Arduino-kärnan, som är mer begränsad till att köra på en enda tråd (eller kärna).

För att förstå hur dessa funktioner fungerar i praktiken kan vi titta på några exempel på skillnaderna mellan ESP-IDF och Arduino-kärnan. I Arduino-kärnan används "setup" och "loop" funktionerna för att köra programmet, vilket gör det enkelt att komma igång, men inte tillräckligt kraftfullt för mer avancerade applikationer. ESP-IDF å andra sidan, använder ett mer flexibelt och kraftfullt system där man kan skapa uppgifter (tasks) och hantera dessa parallellt, vilket leder till bättre prestanda och mer komplexa lösningar.

Vidare är FreeRTOS en central komponent i ESP-IDF. FreeRTOS är ett open source-operativsystem designat för att hantera tidskritiska uppgifter på mikrokontroller, vilket är en avgörande funktion i IoT-applikationer. Med FreeRTOS kan utvecklare skapa programvara som hanterar flera uppgifter parallellt och med exakt tidsstyrning. FreeRTOS är särskilt användbart i tillämpningar som kräver att olika processer körs samtidigt, till exempel vid hantering av sensorer eller när man ska hantera flera olika trådar i ett system.

FreeRTOS tillåter också en betydligt mer avancerad hantering av processorkraften. I en flertrådad systemdesign, som den som finns i ESP32, kan varje kärna användas för att utföra olika uppgifter samtidigt. Detta resulterar i mer effektiva och responsiva system, särskilt när man arbetar med realtidsapplikationer. På en enkel systemarkitektur, som ofta ses i Arduino-miljön, simuleras multitasking genom att dela upp processortid mellan olika uppgifter baserat på deras prioritet, men detta ger inte samma nivå av prestanda och kontroll.

För att förstå och arbeta med FreeRTOS är det också viktigt att ha en god förståelse för hur man strukturerar sina applikationer. FreeRTOS gör det möjligt för utvecklare att skapa så kallade "tasks" (uppgifter) som körs parallellt, vilket är en grundläggande skillnad mot den traditionella "superloop"-metoden, där alla uppgifter körs sekventiellt. Genom att använda FreeRTOS kan man definiera uppgifter med olika prioritet och låta systemet hantera körningen på ett mer effektivt sätt.

En annan viktig funktion hos ESP-IDF och FreeRTOS är deras förmåga att hantera minnet på ett effektivt sätt. ESP32 har flera minneshanteringsfunktioner som gör det möjligt att optimera användningen av systemresurser, vilket är avgörande för IoT-enheter som ofta har begränsade resurser. Genom att använda ESP-IDF kan utvecklare också dra nytta av inbyggda debugging-verktyg som hjälper till att identifiera och åtgärda problem i applikationerna.

Förutom de tekniska fördelarna med ESP-IDF och FreeRTOS är det också viktigt att notera att dessa verktyg erbjuder ett mer professionellt arbetsflöde för utvecklare. Medan Arduino-kärnan och IDE är mer inriktade på att vara lättillgängliga för nybörjare, erbjuder ESP-IDF ett mer kraftfullt och flexibelt verktyg för erfarna utvecklare som arbetar på större och mer komplexa projekt. Det innebär också att det kan finnas en inlärningströskel, men den långsiktiga vinsten i form av prestanda och kontroll är betydande.

En viktig aspekt som ofta förbises är att användningen av ESP-IDF och FreeRTOS möjliggör en mer robust och skalbar lösning för IoT-applikationer. Eftersom systemet är designat för att hantera många samtidiga uppgifter, är det särskilt användbart för applikationer som ska växa över tid och där prestanda är en kritisk faktor. Det gör det möjligt att bygga system som är mer framtidssäkrade och som kan hantera ökande belastningar utan att tumma på systemets stabilitet.

Hur man arbetar med ESP32 GPIO-pinnar och PWM för att styra elektroniska enheter

I en modern embedded system är det avgörande att förstå grundläggande kommunikationsprotokoll och hur man interagerar med både in- och utgångsenheter via GPIO (General Purpose Input Output) pinnar. ESP32, en kraftfull och mångsidig mikrokontroller, erbjuder en mängd funktioner för att koppla sensorer, aktuatörer och olika enheter till sina GPIO-pinnar. I detta avsnitt kommer vi att undersöka hur man använder ESP32 för att hantera grundläggande I/O-operationer och PWM (Pulse Width Modulation), samt hur dessa tekniker kan tillämpas i praktiska projekt.

En av de första sakerna man måste förstå när man arbetar med GPIO-pinnar på ESP32 är deras flexibilitet. Varje pinne kan konfigureras för att användas som ingång eller utgång, och de kan också stödja funktioner som PWM, ADC (analog till digital omvandling), DAC (digital till analog omvandling) och mycket mer. Genom att kombinera dessa funktioner kan vi skapa en mängd interaktiva system som reagerar på sensorinmatning eller styr elektroniska enheter baserat på programmerade parametrar.

Först ansluter vi en tryckknapp till en av GPIO-pinnarna (t.ex. D12) på ESP32 och den andra sidan till GND (jord). Samtidigt ansluter vi en LED till en annan GPIO-pin (t.ex. D13) och GND via ett strömbesparande motstånd. När vi sedan kör ett Arduino-program på ESP32 läser vi av statusen på knappen: om knappen är nedtryckt (LOW tillstånd) tänds LED-lampan, och om den inte är nedtryckt (HIGH tillstånd) släcks den.

Koden för detta program är ganska enkel:

cpp
Copy code
#define BUTTON_PIN 12

#define LED_PIN 13
void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);  // Sätt knappen som ingång
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);           // Sätt LED-lampan som utgång
}
void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);  // Läs knappens status
  if (buttonState == LOW) {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);  // Tänd LED-lampan
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);   // Släck LED-lampan
  }
}

I koden används ett inbyggt pull-up-motstånd för att säkerställa att pinnen dras till en hög logiknivå när knappen inte trycks ner. Detta förhindrar att ingången svävar, vilket annars kan leda till opålitliga läsningar.

Nästa steg i att förstå ESP32:s kraftfulla GPIO-pinnar är att arbeta med PWM, en teknik för att styra den genomsnittliga effekten som levereras till en last genom att variera pulslängden i en periodisk signal. PWM används för att kontrollera funktioner som LED-ljusstyrka, motorhastighet och mer. I vårt exempel ska vi använda PWM för att justera ljusstyrkan på en LED.

cpp
Copy code
#define PWM_PIN 13
void setup() {
  pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {

  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {

    analogWrite(PWM_PIN, dutyCycle);
    delay(10);  // Fördröjning för att se effekten
  }
}

I denna kod använder vi en for-loop för att gradvis öka värdet på dutyCycle från 0 till 255, vilket innebär att vi kontrollerar pulsbredden från helt av (0%) till helt på (100%). Den här typen av styrning är användbar för applikationer där vi behöver finjustera effekten på en last.

Det är också värt att notera att när vi använder PWM för att styra LED-ljusstyrka eller andra komponenter, kan det uppstå vissa effekter som flicker vid lägre värden på duty cycle. Detta kan påverka användarupplevelsen, särskilt om applikationen är visuell, så det är viktigt att noggrant välja lämplig frekvens och upplösning för PWM.

För att skapa ännu mer avancerade och precisa system kan man också utforska användningen av DAC (digital till analog omvandlare), som gör det möjligt att omvandla digitala värden till analogt utspott för att styra exempelvis ljud, ljus eller andra kontinuerliga signaler. Att kombinera PWM med DAC ger systemet möjlighet att simulera mer komplexa analoga beteenden.