ESP32のGPIO研究

概要

Arduino IDEでのGPIOまわりを調査しなおしてみました。pinMode()まわりやアナログ入力のときにはどんなGPIOかを意識して利用する必要があります。

GPIO一覧

GPIO	種類	アナログ入力	タッチ入力	RTC	PULL	pinMode初期値
GPIO0	I/O	ADC2_CH1	TOUCH1	RTC_GPIO11	○	PULLUP
GPIO1	I/O				○	PULLUP
GPIO2	I/O	ADC2_CH2	TOUCH2	RTC_GPIO12	○	PULLDOWN
GPIO3	I/O				○	PULLUP
GPIO4	I/O	ADC2_CH0	TOUCH0	RTC_GPIO10	○	PULLDOWN
GPIO5	I/O				○	PULLUP
GPIO6	I/O				○	PULLUP
GPIO7	I/O				○	PULLUP
GPIO8	I/O				○	PULLUP
GPIO9	I/O				○	PULLUP
GPIO10	I/O				○	PULLUP
GPIO11	I/O				○	PULLUP
GPIO12	I/O	ADC2_CH5	TOUCH5	RTC_GPIO15	○	PULLDOWN
GPIO13	I/O	ADC2_CH4	TOUCH4	RTC_GPIO14	○	INPUT
GPIO14	I/O	ADC2_CH6	TOUCH6	RTC_GPIO16	○	INPUT
GPIO15	I/O	ADC2_CH3	TOUCH3	RTC_GPIO13	○	PULLUP
GPIO16	I/O				○	INPUT
GPIO17	I/O				○	INPUT
GPIO18	I/O				○	INPUT
GPIO19	I/O				○	INPUT
GPIO21	I/O				○	INPUT
GPIO22	I/O				○	INPUT
GPIO23	I/O				○	INPUT
GPIO25	I/O	ADC2_CH8		RTC_GPIO6	○
GPIO26	I/O	ADC2_CH9		RTC_GPIO7	○
GPIO27	I/O	ADC2_CH7	TOUCH7	RTC_GPIO17	○	INPUT
GPIO32	I/O	ADC1_CH4	TOUCH9	RTC_GPIO9	○
GPIO33	I/O	ADC1_CH5	TOUCH8	RTC_GPIO8	○
GPIO34	I	ADC1_CH6		RTC_GPIO4	×
GPIO35	I	ADC1_CH7		RTC_GPIO5	×
GPIO36	I	ADC1_CH0		RTC_GPIO0	×
GPIO37	I	ADC1_CH1		RTC_GPIO1	×
GPIO38	I	ADC1_CH2		RTC_GPIO2	×
GPIO39	I	ADC1_CH3		RTC_GPIO3	×

種類

GPIO34以降は入力専用です。PULLUPやPULLDOWNもできません。

アナログ入力

アナログ入力する場合にはADCに接続されているGPIOを利用する必要があります。ただしWi-Fiなどの無線を利用する場合にはADC2が利用できなくなります。一度でも無線を利用すると、再起動するか内部レジスタを書き換えない限りADC2は利用できないので、注意してください。

タッチ入力

タッチセンサーを利用できるGPIOです。タッチセンサーは無線を利用しても、利用できるGPIOが制限されません。

ただし、実際に使ってみるとGPIO32とGPIO33が逆なようですが、おそらく修正されないので実験してから使ってみてください。

RTC

RTCは内部的なGPIOへのアクセス方法で、ULPからアクセスする場合に利用します。ADCが使えるGPIOは、RTCでも接続できます。つまり、ULPからアクセスする場合にはアナログ入力が可能であるGPIOである必要があります。

RTCの端子番号の並びがGPIOとも、ADCとも違うので注意してください。

PULL

ESP32はGPIOに対して、PULLUPとPULLDOWNを設定することができます。細かい設定はpinMode()で解説を行いますが、入力専用端子のGPIO34以降はPULL系の機能も使えないので注意してください。

pinMode初期値

GPIOの起動直後のピンモード設定です。ただしArduinoや、その他ライブラリなどにて再初期化されている場合があるので注意してください。

pinMode()一覧

モード	入力接続	入力値範囲	LOW出力	HIGH出力
INPUT	–	0 – 1	–	–
INPUT_PULLUP	3.3Vに抵抗経由で接続	0 – 1	–	–
INPUT_PULLDOWN	GNDに抵抗経由で接続	0 – 1	–	–
ANALOG	–	0 – 4095	–	–
OUTPUT	–	–	0V(GND)	3.3V
OUTPUT_OPEN_DRAIN	–	–	0V(GND)	Hi-Z

INPUT

デジタル入力としてLOW(0)かHIGH(1)を入力します。すべてのGPIOで利用可能です。ESP32は3.3V動作ですので、25%の0.825Vより低い電圧の場合LOWになり、75%の2.475Vより高いとHIGHになります。26%から74%までの間はどちらになるかわかりません。ただし、実測では大体50%の電圧で判定しています。

閾値に近い電圧の場合には、ノイズなので入力値が変わったりするのでなるべくGNDか3.3Vかを入力されるようにしてください。

未接続(フローティング)のGPIOに対して入力を行うと、端子の残っている静電気のようなものを入力してしまうので、値が信用できなくなりますので注意してください。

INPUT_PULLUP

INPUTと同じく、デジタル入力としてLOW(0)かHIGH(1)を入力します。入力専用のGPIO34以降のGPIOだと利用できないので注意してください。

電源の3.3Vに抵抗経由で接続されている端子で、通常はHIGHの入力になりますが、スイッチなどでGNDに落とすことでLOWに変化します。

未接続のGPIOでもHIGHが安定して入力することができます。通常がHIGHなので、ノイズの影響を受けにくいために利用されることがあります。

INPUT_PULLDOWN

INPUTと同じく、デジタル入力としてLOW(0)かHIGH(1)を入力します。入力専用のGPIO34以降のGPIOだと利用できないので注意してください。

GNDに抵抗経由で接続されている端子で、通常はLOWの入力になりますが、スイッチなどで電源に接続することでHIGHに変化します。

未接続のGPIOでもLOWが安定して入力することができます。通常のINPUTに比べるとノイズの影響は受けにくいです。

ANALOG

GPIO	ADC	無線未使用時	無線使用時
GPIO0	ADC2_CH1	○
GPIO2	ADC2_CH2	○
GPIO4	ADC2_CH0	○
GPIO12	ADC2_CH5	○
GPIO13	ADC2_CH4	○
GPIO14	ADC2_CH6	○
GPIO15	ADC2_CH3	○
GPIO25	ADC2_CH8	○
GPIO26	ADC2_CH9	○
GPIO27	ADC2_CH7	○
GPIO32	ADC1_CH4	○	○
GPIO33	ADC1_CH5	○	○
GPIO34	ADC1_CH6	○	○
GPIO35	ADC1_CH7	○	○
GPIO36	ADC1_CH0	○	○
GPIO37	ADC1_CH1	○	○
GPIO38	ADC1_CH2	○	○
GPIO39	ADC1_CH3	○	○

アナログ入力として0 – 4095の値を入力します。入力範囲はanalogReadResolution()にてADC取得解像度設定で、より荒い値に変更することができます。

0は0V、4095は3.3Vに対応していますが、精度はそれほど高くないので注意して利用してください。

ADCに接続されているGPIOでのみアナログ入力が可能です。GPIO32以降であればどんな状況でも利用可能です。無線を利用しない場合にはADC2に接続されている端子でも利用が可能です。

OUTPUT

デジタル出力としてLOW(0V, GND)かHIGH(3.3V)を出力します。入力専用を除き、GPIO0からGPIO33までのGPIOで利用可能です。

LOWの0Vに出力は、GPIOに接続されている端子をGNDとつなげることを意味します。外部からの電圧をそのGPIOに吸い込む方向になります。LEDなどのマイナス側をGPIOに接続して、LOWにすることでLEDを点灯させることが可能です。

OUTPUT_OPEN_DRAIN

デジタル出力としてLOW(0V, GND)かHIGH(Hi-Z, 未接続)を出力します。入力専用を除き、GPIO0からGPIO33までのGPIOで利用可能です。

HIGHのHi-Z(ハイインピーダンス)は未接続の状態です。I2Cなどで別の回路からPULLUPされている場合などにLOWを出力することでGNDに接続し、HIGHを出力した場合にはなにもしません。これは、PULLUPされている場合に3.3V出力をしても電源の無駄になるので、未接続にします。

未接続GPIOに注意

GPIOに何も接続していない場合に入力値が不安定になります。これはADCに静電気のような電荷が残っており、その値を取得しているため正しい値ではありません。

この値は不安定で、変わることもありますし、直前に入力したGPIOの値に引きづられることもあります。接続されていないGPIOの値は読み取らないか、INPUT_PULLUPかINPUT_PULLDOWNなどで内部的に接続することで、値が安定します。

また、ESP32のタッチセンサーは電荷をチャージして、その後入力値を取得することで、触っている場合には電荷が人に移動してLOWになったことを確認していたりします。

pinMode()の未設定に注意

アナログ入力の場合、pinMode()を設定していない場合、内部でアナログ入力モードに切り替わっておらず、デジタル入力相当の0か4095しか戻ってこないGPIOがあります。

起動時にアナログ入力に初期化されているGPIOもあるのですが、安全のためすべてのGPIOを利用前にpinMode()の設定をすることを心がけてください。

参考になるかもしれないページ

外部参考ページ

• ESP32-WROOM-32 – ＤＥＫＯのアヤシいお部屋。
• 意外と知られていない？INPUT_PULLUP – スイッチサイエンス
• ESP-WROOM-32に関するTIPS – スイッチサイエンス

ハードウエア解説

• ADC
• DAC
• GPIO(その他汎用機能)
• PWM(LED Control)
• タッチセンサー

関数解説

• アナログ入力(ADC)
• アナログ出力(DAC)
• デジタル入出力(GPIO)
• PWM(LEDC)
• タッチセンサー(touch)

まとめ

あまり日本語でESP32のpinMode()に関する資料がありません。とくに未設定の場合にアナログ入力が動いているように見えて、おかしな数値が戻ってくるので注意してください。

また、GPIO34以降の入力専用GPIOはPULLUPやPULLDOWNが利用できないのもはまりやすいので注意してください。