Interfaces MCU
El circuito de dos transistores de las placas de desarrollo de Espressif con el que esptool, Arduino IDE y PlatformIO reinician un ESP32 y arrancan su bootloader serie a través de las líneas DTR y RTS de un puente USB-UART, sin pulsar botones.
Resumen del circuito
Haz clic en cualquier componente del esquema para ver sus especificaciones eléctricas y función.
Es el bloque «auto program» del esquema de la Espressif ESP32-DevKitC V4, redibujado con su red de retardo en EN y los botones BOOT y EN. El ESP32 arranca su bootloader serie si IO0 está a nivel bajo en el momento en que sale del reinicio. Un puente USB-UART, como el CP2102N de la DevKitC o un CH340G, tiene dos salidas de control de módem libres, DTR y RTS, y las herramientas de grabación de firmware las conmutan para controlar EN e IO0. Los dos transistores NPN están acoplados en cruz, de modo que cada uno conduce solo cuando sus dos líneas de control difieren: si DTR y RTS están ambas a nivel alto o ambas a nivel bajo no ocurre nada, así que un programa de terminal que activa las dos líneas a la vez no reinicia el chip. La placa de referencia usa transistores SS8050; el 2N3904 de uso general dibujado aquí hace el mismo trabajo con estas corrientes. La resistencia de pull-up y el condensador de EN siguen los 10 kΩ y 1 µF que recomienda Espressif; la DevKitC V4 monta 0,1 µF. GPIO0 tiene un pull-up interno débil, por lo que el circuito no necesita resistencia en IO0.
| Nivel lógico de funcionamiento | 3,3 V (VDD33 en la DevKitC V4) |
|---|---|
| Tabla de verdad del control (niveles de pin) | DTR 1, RTS 0 → EN 0; DTR 0, RTS 1 → IO0 0; niveles iguales → EN 1, IO0 1 (esquema de la DevKitC V4) |
| Condición de reinicio | CHIP_PU por debajo de 0,6 V durante al menos 50 µs (Espressif Hardware Design Guidelines) |
| Red de retardo de EN | 10 kΩ y 1 µF recomendados por Espressif, τ = 10 ms (calculado); la DevKitC V4 monta 0,1 µF |
| Condición de arranque del bootloader | IO0 a nivel bajo al salir del reinicio; GPIO2 a nivel bajo o sin conectar (documentación de esptool) |
| Transistores | SS8050 en la DevKitC V4; aquí se dibuja el 2N3904 |
| Corriente de base | ≈ 0,26 mA por transistor con resistencias de base de 10 kΩ (calculado, suponiendo VBE ≈ 0,7 V) |
DTR y RTS son salidas activas a nivel bajo: cuando el software activa una línea, el pin pasa a 0 V; cuando la libera, vuelve a 3,3 V. Todo lo que sigue se describe en niveles de pin, como en la tabla de verdad impresa en el esquema de la DevKitC V4.
Q1 tiene la base en DTR a través de R1 y el emisor en RTS; su colector tira de EN. Q2 es su imagen especular: base en RTS a través de R2, emisor en DTR y colector en IO0. Un transistor conduce solo cuando el lado de su base está a nivel alto y el de su emisor a nivel bajo:
DTR = 1, RTS = 1: ambos transistores en corte, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 0: ambos transistores en corte, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 1, RTS = 0: Q1 conduce, EN = 0 (chip en reinicio), IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 1: Q2 conduce, EN = 1, IO0 = 0.
Como los niveles iguales no conmutan nada, abrir un puerto que activa las dos líneas a la vez no reinicia el chip. Cuando un transistor está en corte con el emisor a nivel alto y la base a nivel bajo, su unión base-emisor queda polarizada en inversa con 3,3 V, muy por debajo de la V(BR)EBO mínima de 6 V del 2N3904.
Primero esptool pone DTR = 1, RTS = 0. Q1 se satura, lleva EN a masa y descarga C1. El ESP32 se reinicia cuando CHIP_PU permanece por debajo de 0,6 V durante al menos 50 µs; esptool mantiene este estado 100 ms. Con R1 = 10 kΩ la corriente de base de Q1 es aproximadamente:
IB = (VDTR - VBE) / (R1) ≈ (3.3 V - 0.7 V) / (10 kΩ) = 0.26 mAlo que satura el transistor frente a los 0,33 mA que aporta R3.
Después esptool pone DTR = 0 y RTS = 1 en dos llamadas seguidas. Entre ellas ambas líneas quedan brevemente a nivel bajo y ambos transistores en corte; C1 ralentiza la subida de EN durante esa pausa, así que el chip sigue en reinicio cuando Q2 conduce y lleva IO0 a nivel bajo. Luego EN sube a través de R3 cargando C1:
\tau = R3 × C1 = 10 kΩ × 1\,µF = 10 msAl salir del reinicio, el chip lee sus pines de strapping. Al encontrar IO0 a nivel bajo, arranca el bootloader serie en lugar del programa de la flash. Para que el bootloader arranque, GPIO2 también debe estar a nivel bajo o sin conectar.
Pasados 50 ms esptool libera DTR, de modo que ambas líneas quedan a nivel alto, ambos transistores en corte e IO0 vuelve a nivel alto mediante su pull-up interno. El bootloader sigue en marcha y la carga continúa por TXD0 y RXD0. Para ejecutar el firmware nuevo, esptool da un pulso solo en RTS (DTR = 1, RTS = 0): un reinicio por hardware normal con IO0 a nivel alto.
Constante de tiempo de la subida de EN después de que Q1 o SW2 lo liberen.
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| R3 | Resistencia de pull-up de EN | 10kΩ |
| C1 | Condensador de retardo de EN | 1µF |
| τ | Constante de tiempo (calculada) | 10ms |
EN alcanza el 63% de la alimentación tras una constante de tiempo y cerca del 99% tras cinco (50 ms con los valores dibujados).
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VDD | Tensión de alimentación | 3.3V |
| τ | Constante de tiempo | 10ms |
Corriente de base del transistor que conduce cuando su línea de control está a nivel alto y la otra a nivel bajo.
| Símbolo | Parámetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VDD | Nivel alto de la línea de control | 3.3V |
| VBE | Tensión base-emisor (supuesta) | 0.7V |
| R1 | Resistencia de base | 10kΩ |
| IB | Corriente de base (calculada) | 0.26mA |
Todas las piezas necesarias para montar este circuito. Selecciona una referencia para inspeccionarla en el esquema.
| Ref. | Componente | Valor | Encapsulado | Función en el circuito | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Transistor NPN de pequeña señal SS8050-G en la DevKitC V4. Con estas corrientes sirve cualquier conmutador NPN pequeño. | 2N3904 | TO-92 | Lleva EN a nivel bajo | Transistor NPN de pequeña señal: pinout y hoja de datos | |
| Transistor NPN de pequeña señal SS8050-G en la DevKitC V4. | 2N3904 | TO-92 | Lleva IO0 a nivel bajo | Transistor NPN de pequeña señal: pinout y hoja de datos | |
| Resistencia R21 en la DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Resistencia de base de Q1 | — | |
| Resistencia R22 en la DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Resistencia de base de Q2 | — | |
| Resistencia R11 en la DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Pull-up de EN | — | |
| Condensador cerámico Valor recomendado por Espressif. La DevKitC V4 monta 0,1 µF (C9) y otros 0,1 µF en paralelo con el botón EN (C14). | 1µF | 0603 / 0805 | Retardo de EN | — | |
| Pulsador táctil La DevKitC V4 añade 0,1 µF en paralelo con él (C15). | BOOT | SMD / THT | IO0 a nivel bajo manualmente | — | |
| Pulsador táctil | EN | SMD / THT | Reinicio manual | — |
Trampas encontradas en montajes reales, con la solución de cada una.
Sin condensador entre EN y GND, o con uno muy pequeño, el reinicio automático no es fiable y esptool puede no conectar con el chip, sobre todo en Windows.
Coloque de 1 µF a 10 µF entre EN y GND, como recomienda la documentación de esptool; 1 µF con 10 kΩ coincide con las guías de diseño de hardware de Espressif.
Algunos programas de terminal y controladores activan RTS o DTR por su cuenta al abrir el puerto, y el control de flujo por hardware RTS/CTS maneja RTS. Según los niveles, la placa se reinicia o se queda en reinicio o en el bootloader. En Linux, un puerto inactivo puede activar RTS por defecto.
Desactive el control de flujo por hardware RTS/CTS en el programa de terminal. En Linux, quite HUPCL del puerto (stty -F /dev/ttyUSB0 -hupcl) como describe la documentación de esptool.
El ESP32 entra en el bootloader serie solo si, además de IO0 a nivel bajo, GPIO2 está a nivel bajo o sin conectar. Una resistencia de pull-up u otro circuito que mantenga GPIO2 a nivel alto impide que funcione el reinicio automático aunque los transistores conmuten correctamente.
Deje GPIO2 sin conectar o asegúrese de que esté a nivel bajo durante el reinicio; no le ponga una resistencia de pull-up.
Un condensador grande en IO0 mantiene el pin a nivel bajo durante un tiempo tras el encendido, y el chip puede arrancar el bootloader en lugar de su programa.
No añada condensadores de alto valor en IO0, como advierten las guías de diseño de hardware de Espressif; el circuito solo depende del pull-up interno débil.
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