Interfaces MCU
O circuito de dois transistores das placas de desenvolvimento da Espressif com o qual o esptool, o Arduino IDE e o PlatformIO resetam um ESP32 e iniciam seu bootloader serial pelas linhas DTR e RTS de uma ponte USB-UART, sem apertar botões.
Visão geral do circuito
Clique em qualquer componente no esquema para ver seus parâmetros elétricos e função no circuito.
Este é o bloco “auto program” do esquema da Espressif ESP32-DevKitC V4, redesenhado com a rede de atraso do EN e os botões BOOT e EN. O ESP32 inicia o bootloader serial quando IO0 está em nível baixo no instante em que sai do reset. Uma ponte USB-UART, como o CP2102N da DevKitC ou um CH340G, tem duas saídas de controle de modem livres, DTR e RTS, e as ferramentas de gravação de firmware as alternam para controlar EN e IO0. Os dois transistores NPN são acoplados em cruz, de modo que cada um conduz somente quando suas duas linhas de controle diferem: se DTR e RTS estão ambas em nível alto ou ambas em nível baixo, nada acontece, e um programa de terminal que aciona as duas linhas juntas não reseta o chip. A placa de referência usa transistores SS8050; o 2N3904 de uso geral desenhado aqui faz o mesmo trabalho com essas correntes. O resistor de pull-up e o capacitor do EN seguem os 10 kΩ e 1 µF recomendados pela Espressif; a DevKitC V4 usa 0,1 µF. O GPIO0 tem um pull-up interno fraco, por isso o circuito não precisa de resistor no IO0.
| Nível lógico de operação | 3,3 V (VDD33 na DevKitC V4) |
|---|---|
| Tabela verdade do controle (níveis de pino) | DTR 1, RTS 0 → EN 0; DTR 0, RTS 1 → IO0 0; níveis iguais → EN 1, IO0 1 (esquema da DevKitC V4) |
| Condição de reset | CHIP_PU abaixo de 0,6 V por pelo menos 50 µs (Espressif Hardware Design Guidelines) |
| Rede de atraso do EN | 10 kΩ e 1 µF recomendados pela Espressif, τ = 10 ms (calculado); a DevKitC V4 usa 0,1 µF |
| Condição de início do bootloader | IO0 em nível baixo na saída do reset; GPIO2 em nível baixo ou desconectado (documentação do esptool) |
| Transistores | SS8050 na DevKitC V4; aqui está desenhado o 2N3904 |
| Corrente de base | ≈ 0,26 mA por transistor com resistores de base de 10 kΩ (calculado, supondo VBE ≈ 0,7 V) |
DTR e RTS são saídas ativas em nível baixo: quando o software aciona uma linha, o pino vai a 0 V; quando a libera, volta a 3,3 V. Tudo a seguir é descrito em níveis de pino, como na tabela verdade impressa no esquema da DevKitC V4.
Q1 tem a base no DTR através de R1 e o emissor no RTS; seu coletor puxa o EN. Q2 é a imagem espelhada: base no RTS através de R2, emissor no DTR e coletor no IO0. Um transistor conduz somente quando o lado da base está em nível alto e o lado do emissor em nível baixo:
DTR = 1, RTS = 1: ambos os transistores em corte, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 0: ambos os transistores em corte, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 1, RTS = 0: Q1 conduz, EN = 0 (chip em reset), IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 1: Q2 conduz, EN = 1, IO0 = 0.
Como níveis iguais não chaveiam nada, abrir uma porta que aciona as duas linhas juntas não reseta o chip. Quando um transistor está em corte com o emissor em nível alto e a base em nível baixo, sua junção base-emissor fica reversamente polarizada com 3,3 V, bem abaixo da V(BR)EBO mínima de 6 V do 2N3904.
Primeiro o esptool define DTR = 1, RTS = 0. Q1 satura, puxa o EN para o terra e descarrega C1. O ESP32 reseta quando o CHIP_PU permanece abaixo de 0,6 V por pelo menos 50 µs; o esptool mantém esse estado por 100 ms. Com R1 = 10 kΩ a corrente de base de Q1 é de aproximadamente:
IB = (VDTR - VBE) / (R1) ≈ (3.3 V - 0.7 V) / (10 kΩ) = 0.26 mAo que satura o transistor contra os 0,33 mA fornecidos por R3.
Em seguida o esptool define DTR = 0 e RTS = 1 em duas chamadas consecutivas. Entre elas as duas linhas ficam brevemente em nível baixo e os dois transistores em corte; C1 desacelera a subida do EN durante essa pausa, então o chip ainda está em reset quando Q2 conduz e puxa o IO0 para nível baixo. Depois o EN sobe através de R3, carregando C1:
\tau = R3 × C1 = 10 kΩ × 1\,µF = 10 msAo sair do reset, o chip lê seus pinos de strapping. Ao encontrar IO0 em nível baixo, ele inicia o bootloader serial em vez do programa na flash. Para o bootloader iniciar, o GPIO2 também precisa estar em nível baixo ou desconectado.
Após 50 ms o esptool libera o DTR, então as duas linhas ficam em nível alto, os dois transistores em corte e o IO0 volta a nível alto pelo pull-up interno. O bootloader continua rodando e a gravação segue por TXD0 e RXD0. Para executar o novo firmware, o esptool pulsa apenas o RTS (DTR = 1, RTS = 0): um reset por hardware comum com IO0 em nível alto.
Constante de tempo da subida do EN depois que Q1 ou SW2 o liberam.
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| R3 | Resistor de pull-up do EN | 10kΩ |
| C1 | Capacitor de atraso do EN | 1µF |
| τ | Constante de tempo (calculada) | 10ms |
O EN chega a 63% da alimentação após uma constante de tempo e a cerca de 99% após cinco (50 ms com os valores desenhados).
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VDD | Tensão de alimentação | 3.3V |
| τ | Constante de tempo | 10ms |
Corrente de base do transistor que conduz quando sua linha de controle está em nível alto e a outra em nível baixo.
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VDD | Nível alto da linha de controle | 3.3V |
| VBE | Tensão base-emissor (suposta) | 0.7V |
| R1 | Resistor de base | 10kΩ |
| IB | Corrente de base (calculada) | 0.26mA |
Todas as peças necessárias para montar este circuito. Selecione uma referência para inspecioná-la no esquema.
| Ref. | Componente | Valor | Encapsulamento | Função no circuito | Referência |
|---|---|---|---|---|---|
| Transistor NPN de pequenos sinais SS8050-G na DevKitC V4. Com essas correntes serve qualquer chave NPN pequena. | 2N3904 | TO-92 | Puxa o EN para nível baixo | Transistor NPN de pequenos sinais: pinagem e folha de dados | |
| Transistor NPN de pequenos sinais SS8050-G na DevKitC V4. | 2N3904 | TO-92 | Puxa o IO0 para nível baixo | Transistor NPN de pequenos sinais: pinagem e folha de dados | |
| Resistor fixo R21 na DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Resistor de base de Q1 | — | |
| Resistor fixo R22 na DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Resistor de base de Q2 | — | |
| Resistor fixo R11 na DevKitC V4. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Pull-up do EN | — | |
| Capacitor cerâmico Valor recomendado pela Espressif. A DevKitC V4 usa 0,1 µF (C9) e mais 0,1 µF em paralelo com o botão EN (C14). | 1µF | 0603 / 0805 | Atraso do EN | — | |
| Chave táctil A DevKitC V4 adiciona 0,1 µF em paralelo com ela (C15). | BOOT | SMD / THT | IO0 em nível baixo manualmente | — | |
| Chave táctil | EN | SMD / THT | Reset manual | — |
Armadilhas encontradas em montagens reais, com a solução de cada uma.
Sem capacitor entre EN e GND, ou com um muito pequeno, o reset automático não é confiável e o esptool pode não conseguir se conectar ao chip, principalmente no Windows.
Coloque de 1 µF a 10 µF entre EN e GND, como recomenda a documentação do esptool; 1 µF com 10 kΩ corresponde às diretrizes de projeto de hardware da Espressif.
Alguns programas de terminal e drivers acionam RTS ou DTR por conta própria ao abrir a porta, e o controle de fluxo por hardware RTS/CTS controla o RTS. Dependendo dos níveis, a placa reseta ou fica presa no reset ou no bootloader. No Linux, uma porta ociosa pode acionar o RTS por padrão.
Desative o controle de fluxo por hardware RTS/CTS no programa de terminal. No Linux, remova o HUPCL da porta (stty -F /dev/ttyUSB0 -hupcl), como descreve a documentação do esptool.
O ESP32 entra no bootloader serial somente se, além do IO0 em nível baixo, o GPIO2 também estiver em nível baixo ou desconectado. Um resistor de pull-up ou outro circuito que mantenha o GPIO2 em nível alto impede o reset automático, mesmo que os transistores chaveiem corretamente.
Deixe o GPIO2 desconectado ou garanta nível baixo nele durante o reset; não coloque resistor de pull-up nele.
Um capacitor grande no IO0 mantém o pino em nível baixo por algum tempo após a energização, e o chip pode iniciar o bootloader em vez do seu programa.
Não adicione capacitores de alto valor no IO0, como alertam as diretrizes de projeto de hardware da Espressif; o circuito depende apenas do pull-up interno fraco.
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