Інтерфейси MCU
Двотранзисторна схема з плат розробника Espressif, через яку esptool, Arduino IDE і PlatformIO скидають ESP32 і запускають його послідовний завантажувач (bootloader) лініями DTR і RTS моста USB-UART, без натискання кнопок.
Огляд схеми
Клікніть на будь-який компонент схеми вище, щоб переглянути його параметри, номінал і призначення.
Це блок «auto program» зі схеми Espressif ESP32-DevKitC V4, перемальований разом із RC-ланкою затримки на EN і кнопками BOOT та EN. ESP32 запускає послідовний завантажувач, якщо в момент виходу зі скидання на IO0 низький рівень. Міст USB-UART — CP2102N на DevKitC або CH340G — має два вільні виходи керування модемом, DTR і RTS, і програми для прошивки перемикають їх, щоб керувати EN та IO0. Два NPN-транзистори ввімкнено перехресно, тож кожен відкривається лише тоді, коли рівні двох ліній керування різні: якщо DTR і RTS обидві високі або обидві низькі, нічого не відбувається, і термінальна програма, що виставляє обидві лінії разом, не скидає чип. На еталонній платі стоять транзистори SS8050; показаний тут транзистор загального призначення 2N3904 виконує ту саму роботу за цих струмів. Підтягувальний резистор і конденсатор на EN мають значення 10 kΩ і 1 µF, які рекомендує Espressif; на DevKitC V4 стоїть 0,1 µF. GPIO0 має внутрішній слабкий підтягувальний резистор, тож резистор на IO0 схемі не потрібен.
| Робочий логічний рівень | 3,3 V (VDD33 на DevKitC V4) |
|---|---|
| Таблиця істинності керування (рівні на виводах) | DTR 1, RTS 0 → EN 0; DTR 0, RTS 1 → IO0 0; однакові рівні → EN 1, IO0 1 (схема DevKitC V4) |
| Умова скидання | CHIP_PU нижче 0,6 V щонайменше 50 µs (Espressif Hardware Design Guidelines) |
| RC-ланка затримки EN | 10 kΩ і 1 µF за рекомендацією Espressif, τ = 10 ms (розрахунок); на DevKitC V4 стоїть 0,1 µF |
| Умова запуску завантажувача | IO0 низький у момент виходу зі скидання; GPIO2 низький або непід'єднаний (документація esptool) |
| Транзистори | SS8050 на DevKitC V4; тут показано 2N3904 |
| Струм бази | ≈ 0,26 mA на транзистор з базовими резисторами 10 kΩ (розрахунок, прийнято VBE ≈ 0,7 V) |
DTR і RTS — виходи з активним низьким рівнем: коли програма активує лінію, вивід переходить на 0 V; коли відпускає — повертається до 3,3 V. Далі все описано рівнями на виводах, як у таблиці істинності, надрукованій на схемі DevKitC V4.
База Q1 під'єднана до DTR через R1, емітер — до RTS; колектор тягне EN. Q2 — дзеркальне відображення: база на RTS через R2, емітер на DTR, колектор на IO0. Транзистор відкривається лише тоді, коли на боці бази високий рівень, а на боці емітера — низький:
DTR = 1, RTS = 1: обидва транзистори закриті, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 0: обидва транзистори закриті, EN = 1, IO0 = 1.
DTR = 1, RTS = 0: Q1 відкритий, EN = 0 (чип у скиданні), IO0 = 1.
DTR = 0, RTS = 1: Q2 відкритий, EN = 1, IO0 = 0.
Оскільки однакові рівні нічого не перемикають, відкриття порту, яке активує обидві лінії разом, не скидає чип. Коли транзистор закритий, а його емітер має високий рівень і база низький, перехід база-емітер зміщений у зворотному напрямку на 3,3 V — із великим запасом до мінімальної V(BR)EBO 6 V транзистора 2N3904.
Спочатку esptool виставляє DTR = 1, RTS = 0. Q1 входить у насичення, тягне EN до землі й розряджає C1. ESP32 скидається, коли CHIP_PU тримається нижче 0,6 V щонайменше 50 µs; esptool утримує цей стан 100 ms. З R1 = 10 kΩ струм бази Q1 приблизно дорівнює:
IB = (VDTR - VBE) / (R1) ≈ (3.3 V - 0.7 V) / (10 kΩ) = 0.26 mAщо насичує транзистор проти 0,33 mA, які подає R3.
Далі esptool двома послідовними викликами виставляє DTR = 0 і RTS = 1. Між ними обидві лінії ненадовго низькі, а обидва транзистори закриті; C1 сповільнює наростання EN протягом цієї паузи, тож чип ще утримується у скиданні, коли Q2 відкривається й тягне IO0 до низького рівня. Потім EN зростає через R3, заряджаючи C1:
\tau = R3 × C1 = 10 kΩ × 1\,µF = 10 msВиходячи зі скидання, чип зчитує свої конфігураційні (strapping) піни. Знайшовши низький рівень на IO0, він запускає послідовний завантажувач замість програми у flash-пам'яті. Щоб завантажувач запустився, GPIO2 також має бути в низькому рівні або непід'єднаним.
Через 50 ms esptool відпускає DTR, тож обидві лінії високі, обидва транзистори закриті, а IO0 повертається до високого рівня через внутрішній підтягувальний резистор. Завантажувач продовжує працювати, і завантаження йде далі через TXD0 і RXD0. Щоб запустити нову прошивку, esptool подає імпульс лише на RTS (DTR = 1, RTS = 0) — звичайне апаратне скидання з високим рівнем на IO0.
Стала часу наростання EN після того, як Q1 або SW2 його відпускає.
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| R3 | Підтягувальний резистор EN | 10kΩ |
| C1 | Конденсатор затримки EN | 1µF |
| τ | Стала часу (розрахунок) | 10ms |
EN досягає 63% напруги живлення через одну сталу часу і близько 99% через п'ять (50 ms для показаних значень).
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| VDD | Напруга живлення | 3.3V |
| τ | Стала часу | 10ms |
Струм бази відкритого транзистора, коли його лінія керування має високий рівень, а інша — низький.
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| VDD | Високий рівень лінії керування | 3.3V |
| VBE | Напруга база-емітер (прийнята) | 0.7V |
| R1 | Базовий резистор | 10kΩ |
| IB | Струм бази (розрахунок) | 0.26mA |
Усі деталі, потрібні для складання цієї схеми. Оберіть позиційне позначення, щоб переглянути елемент на схемі.
| Позн. | Компонент | Номінал | Корпус | Роль у схемі | Довідка |
|---|---|---|---|---|---|
| Малосигнальний NPN-транзистор На DevKitC V4 — SS8050-G. За цих струмів підійде будь-який малопотужний NPN-ключ. | 2N3904 | TO-92 | Тягне EN до низького рівня | Малосигнальний NPN-транзистор: розпіновка та даташит | |
| Малосигнальний NPN-транзистор На DevKitC V4 — SS8050-G. | 2N3904 | TO-92 | Тягне IO0 до низького рівня | Малосигнальний NPN-транзистор: розпіновка та даташит | |
| Резистор На DevKitC V4 — R21. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Базовий резистор Q1 | — | |
| Резистор На DevKitC V4 — R22. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Базовий резистор Q2 | — | |
| Резистор На DevKitC V4 — R11. | 10kΩ | 0603 / 0805 / axial | Підтягування EN | — | |
| Керамічний конденсатор Значення за рекомендацією Espressif. На DevKitC V4 стоїть 0,1 µF (C9) і ще 0,1 µF паралельно кнопці EN (C14). | 1µF | 0603 / 0805 | Затримка EN | — | |
| Тактова кнопка На DevKitC V4 паралельно їй стоїть 0,1 µF (C15). | BOOT | SMD / THT | Ручний низький рівень на IO0 | — | |
| Тактова кнопка | EN | SMD / THT | Ручне скидання | — |
Пастки, на які натрапляють під час реального складання, і як їх уникнути.
Без конденсатора між EN і GND або з дуже малим конденсатором автоматичне скидання ненадійне, і esptool може не під'єднатися до чипа — найчастіше у Windows.
Поставте від 1 µF до 10 µF між EN і GND, як рекомендує документація esptool; 1 µF разом із 10 kΩ відповідає рекомендаціям Espressif щодо апаратного проєктування.
Деякі термінальні програми й драйвери самі виставляють RTS або DTR під час відкриття порту, а апаратне керування потоком RTS/CTS керує лінією RTS. Залежно від рівнів плата скидається або залишається у скиданні чи в завантажувачі. У Linux неактивний порт може за замовчуванням активувати RTS.
Вимкніть апаратне керування потоком RTS/CTS у термінальній програмі. У Linux зніміть прапорець HUPCL для порту (stty -F /dev/ttyUSB0 -hupcl), як описано в документації esptool.
ESP32 переходить у послідовний завантажувач, лише коли, крім низького IO0, GPIO2 теж низький або непід'єднаний. Підтягувальний резистор чи інша схема, що тримає GPIO2 у високому рівні, не дає автоматичному скиданню спрацювати, хоча транзистори перемикаються правильно.
Залиште GPIO2 непід'єднаним або забезпечте на ньому низький рівень під час скидання; не ставте на нього підтягувальний резистор.
Великий конденсатор на IO0 ще деякий час після ввімкнення живлення тримає вивід у низькому рівні, і чип може запустити завантажувач замість своєї програми.
Не ставте конденсатори великої ємності на IO0, як попереджають рекомендації Espressif щодо апаратного проєктування; схема покладається лише на внутрішній слабкий підтягувальний резистор.
Зібрали, змоделювали чи переглянули цю схему? Підтвердьте її або повідомте про неправильний компонент, номінал чи з’єднання.
Відкриває публічну форму на GitHub, де цю сторінку вже вказано; потрібен безкоштовний акаунт GitHub. Як працюють звіти й підтвердження
Дискретний ключ нижнього плеча на NPN-біполярному транзисторі для комутації котушки реле з демпферним діодом 1N4007, насиченим базовим керуванням та фільтрацією живлення для логіки 3.3V/5V.
Двонаправлений транслятор рівнів напруги шини I2C для зв'язку між логічними доменами 3,3 В та 5 В на двох N-канальних MOSFET onsemi BSS138 з підтягувальними резисторами та розв'язкою живлення.
Дискретний ключ постійного струму нижнього плеча 12V/24V для комутації потужних індуктивних та резистивних навантажень на N-канальному польовому транзисторі Infineon IRLZ44NPbF з прямим керуванням логікою 3.3V або 5V.