Interfejsy MCU
Dwutranzystorowy układ z płytek rozwojowych Espressif, dzięki któremu esptool, Arduino IDE i PlatformIO resetują ESP32 i uruchamiają jego szeregowy bootloader liniami DTR i RTS mostka USB-UART, bez wciskania przycisków.
Przegląd układu
Kliknij dowolny element na schemacie powyżej, aby zobaczyć jego parametry elektryczne i rolę w układzie.
To blok „auto program” ze schematu Espressif ESP32-DevKitC V4, przerysowany razem z obwodem opóźniającym na EN oraz przyciskami BOOT i EN. ESP32 uruchamia szeregowy bootloader, jeśli w chwili wyjścia z resetu na IO0 jest stan niski. Mostek USB-UART, taki jak CP2102N na DevKitC albo CH340G, ma dwa wolne wyjścia sterowania modemem, DTR i RTS, a narzędzia do wgrywania firmware przełączają je, aby sterować EN i IO0. Dwa tranzystory NPN są połączone krzyżowo, więc każdy przewodzi tylko wtedy, gdy jego dwie linie sterujące mają różne stany: gdy DTR i RTS są obie wysokie albo obie niskie, nic się nie dzieje, dlatego program terminalowy ustawiający obie linie jednocześnie nie resetuje układu. Płytka referencyjna ma tranzystory SS8050; narysowany tu tranzystor ogólnego przeznaczenia 2N3904 spełnia to samo zadanie przy tych prądach. Rezystor podciągający i kondensator na EN mają wartości 10 kΩ i 1 µF zalecane przez Espressif; na DevKitC V4 zastosowano 0,1 µF. GPIO0 ma wewnętrzny słaby rezystor podciągający, więc układ nie potrzebuje rezystora na IO0.
| Roboczy poziom logiczny | 3,3 V (VDD33 na DevKitC V4) |
|---|---|
| Tabela prawdy sterowania (stany na pinach) | DTR 1, RTS 0 → EN 0; DTR 0, RTS 1 → IO0 0; jednakowe stany → EN 1, IO0 1 (schemat DevKitC V4) |
| Warunek resetu | CHIP_PU poniżej 0,6 V przez co najmniej 50 µs (Espressif Hardware Design Guidelines) |
| Obwód opóźniający EN | 10 kΩ i 1 µF zalecane przez Espressif, τ = 10 ms (obliczone); na DevKitC V4 zastosowano 0,1 µF |
| Warunek uruchomienia bootloadera | IO0 niski w chwili wyjścia z resetu; GPIO2 niski lub niepodłączony (dokumentacja esptool) |
| Tranzystory | SS8050 na DevKitC V4; tutaj narysowano 2N3904 |
| Prąd bazy | ≈ 0,26 mA na tranzystor przy rezystorach bazowych 10 kΩ (obliczone, przyjęto VBE ≈ 0,7 V) |
DTR i RTS to wyjścia aktywne stanem niskim: gdy oprogramowanie aktywuje linię, pin przechodzi na 0 V; gdy ją zwalnia, wraca do 3,3 V. Wszystko poniżej opisano stanami na pinach, jak w tabeli prawdy wydrukowanej na schemacie DevKitC V4.
Baza Q1 jest połączona z DTR przez R1, a emiter z RTS; kolektor ściąga EN. Q2 jest lustrzanym odbiciem: baza na RTS przez R2, emiter na DTR, kolektor na IO0. Tranzystor przewodzi tylko wtedy, gdy po stronie bazy jest stan wysoki, a po stronie emitera niski:
DTR = 1, RTS = 1: oba tranzystory wyłączone, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 0: oba tranzystory wyłączone, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 1, RTS = 0: Q1 przewodzi, EN = 0 (układ w resecie), IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 1: Q2 przewodzi, EN = 1, IO0 = 0.
Ponieważ jednakowe stany niczego nie przełączają, otwarcie portu, które aktywuje obie linie jednocześnie, nie resetuje układu. Gdy tranzystor jest wyłączony, a jego emiter ma stan wysoki i baza niski, złącze baza-emiter jest spolaryzowane zaporowo napięciem 3,3 V — z dużym zapasem względem minimalnego V(BR)EBO 6 V tranzystora 2N3904.
Najpierw esptool ustawia DTR = 1, RTS = 0. Q1 wchodzi w nasycenie, ściąga EN do masy i rozładowuje C1. ESP32 resetuje się, gdy CHIP_PU pozostaje poniżej 0,6 V przez co najmniej 50 µs; esptool utrzymuje ten stan przez 100 ms. Przy R1 = 10 kΩ prąd bazy Q1 wynosi około:
IB = (VDTR - VBE) / (R1) ≈ (3.3 V - 0.7 V) / (10 kΩ) = 0.26 mAco nasyca tranzystor wobec 0,33 mA dostarczanych przez R3.
Następnie esptool dwoma kolejnymi wywołaniami ustawia DTR = 0 i RTS = 1. Pomiędzy nimi obie linie są przez chwilę niskie, a oba tranzystory wyłączone; C1 spowalnia narastanie EN w tej przerwie, więc układ jest nadal w resecie, gdy Q2 zaczyna przewodzić i ściąga IO0 w stan niski. Potem EN rośnie przez R3, ładując C1:
\tau = R3 × C1 = 10 kΩ × 1\,µF = 10 msWychodząc z resetu, układ odczytuje swoje piny strapping (konfiguracyjne). Gdy zastanie niski stan na IO0, uruchamia szeregowy bootloader zamiast programu z pamięci flash. Aby bootloader się uruchomił, GPIO2 też musi być w stanie niskim albo niepodłączony.
Po 50 ms esptool zwalnia DTR, więc obie linie są wysokie, oba tranzystory wyłączone, a IO0 wraca do stanu wysokiego przez wewnętrzny rezystor podciągający. Bootloader działa dalej, a wgrywanie trwa przez TXD0 i RXD0. Aby uruchomić nowy firmware, esptool podaje impuls tylko na RTS (DTR = 1, RTS = 0) — zwykły reset sprzętowy przy wysokim IO0.
Stała czasowa narastania EN po zwolnieniu go przez Q1 lub SW2.
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| R3 | Rezystor podciągający EN | 10kΩ |
| C1 | Kondensator opóźniający EN | 1µF |
| τ | Stała czasowa (obliczona) | 10ms |
EN osiąga 63% napięcia zasilania po jednej stałej czasowej i około 99% po pięciu (50 ms dla narysowanych wartości).
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| VDD | Napięcie zasilania | 3.3V |
| τ | Stała czasowa | 10ms |
Prąd bazy przewodzącego tranzystora, gdy jego linia sterująca jest w stanie wysokim, a druga w niskim.
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| VDD | Stan wysoki linii sterującej | 3.3V |
| VBE | Napięcie baza-emiter (przyjęte) | 0.7V |
| R1 | Rezystor bazowy | 10kΩ |
| IB | Prąd bazy (obliczony) | 0.26mA |
Wszystkie elementy potrzebne do zbudowania tego układu. Wybierz oznaczenie, aby obejrzeć element na schemacie.
| Oznacz. | Komponent | Wartość | Obudowa | Rola w układzie | Dokumentacja |
|---|---|---|---|---|---|
| Małosygnałowy tranzystor NPN Na DevKitC V4 — SS8050-G. Przy tych prądach wystarczy dowolny mały klucz NPN. | 2N3904 | TO-92 | Ściąga EN w stan niski | Małosygnałowy tranzystor NPN: pinout i nota katalogowa | |
| Małosygnałowy tranzystor NPN Na DevKitC V4 — SS8050-G. | 2N3904 | TO-92 | Ściąga IO0 w stan niski | Małosygnałowy tranzystor NPN: pinout i nota katalogowa | |
| Rezystor Na DevKitC V4 — R21. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Rezystor bazowy Q1 | — | |
| Rezystor Na DevKitC V4 — R22. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Rezystor bazowy Q2 | — | |
| Rezystor Na DevKitC V4 — R11. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Podciąganie EN | — | |
| Kondensator ceramiczny Wartość zalecana przez Espressif. Na DevKitC V4 zastosowano 0,1 µF (C9) oraz dodatkowe 0,1 µF równolegle do przycisku EN (C14). | 1µF | 0603 / 0805 | Opóźnienie EN | — | |
| Przycisk taktowy Na DevKitC V4 równolegle do niego jest 0,1 µF (C15). | BOOT | SMD / THT | Ręczny stan niski na IO0 | — | |
| Przycisk taktowy | EN | SMD / THT | Ręczny reset | — |
Pułapki spotykane przy prawdziwym montażu wraz z rozwiązaniem każdej z nich.
Bez kondensatora między EN a GND albo z bardzo małym kondensatorem automatyczny reset jest zawodny i esptool może nie połączyć się z układem, najczęściej w systemie Windows.
Zastosuj od 1 µF do 10 µF między EN a GND, jak zaleca dokumentacja esptool; 1 µF z 10 kΩ odpowiada wytycznym projektowania sprzętu Espressif.
Niektóre programy terminalowe i sterowniki same ustawiają RTS lub DTR przy otwieraniu portu, a sprzętowa kontrola przepływu RTS/CTS steruje linią RTS. Zależnie od stanów płytka się resetuje albo pozostaje w resecie lub w bootloaderze. W systemie Linux bezczynny port może domyślnie aktywować RTS.
Wyłącz sprzętową kontrolę przepływu RTS/CTS w programie terminalowym. W systemie Linux wyczyść flagę HUPCL portu (stty -F /dev/ttyUSB0 -hupcl), jak opisuje dokumentacja esptool.
ESP32 wchodzi do szeregowego bootloadera tylko wtedy, gdy oprócz niskiego IO0 także GPIO2 jest niski lub niepodłączony. Rezystor podciągający lub inny obwód trzymający GPIO2 w stanie wysokim uniemożliwia automatyczny reset, mimo że tranzystory przełączają się poprawnie.
Pozostaw GPIO2 niepodłączony albo zapewnij na nim stan niski podczas resetu; nie dawaj na nim rezystora podciągającego.
Duży kondensator na IO0 przez pewien czas po włączeniu zasilania utrzymuje pin w stanie niskim i układ może uruchomić bootloader zamiast swojego programu.
Nie dodawaj kondensatorów o dużej pojemności na IO0, przed czym ostrzegają wytyczne projektowania sprzętu Espressif; układ polega wyłącznie na wewnętrznym słabym rezystorze podciągającym.
Zbudowałeś, zasymulowałeś lub przejrzałeś ten obwód? Potwierdź go albo zgłoś błędną część, wartość lub połączenie.
Otwiera publiczny formularz na GitHubie z już wpisaną tą stroną; potrzebne jest bezpłatne konto GitHub. Jak działają zgłoszenia i potwierdzenia
Dyskretny układ klucza dolnego na bipolarnym tranzystorze NPN do sterowania przekaźnikiem 12V z diodą gaszącą 1N4007, nasyceniem bazy i filtracją zasilania dla MCU 3.3V/5V.
Dwukierunkowy translator poziomów napięć magistrali I2C łączący domeny logiczne 3,3 V i 5 V za pomocą dwóch tranzystorów MOSFET z kanałem N onsemi BSS138 z rezystorami podciągającymi i odsprzęganiem zasilania.
Dyskretny układ klucza mocy DC 12V/24V po stronie masy do sterowania obciążeniami indukcyjnymi i rezystancyjnymi z tranzystorem N-MOSFET Infineon IRLZ44NPbF sterowanym bezpośrednio z logiki mikrokontrolera 3.3V lub 5V.