ESP32 自動下載原理分析

最近接觸一了一個(gè)開源項(xiàng)目，名字叫meshtastic。主要是以LoRa這種擴(kuò)頻通信的方式組建一個(gè)去中心化的網(wǎng)絡(luò)。在中國境內(nèi)的話，估計(jì)比較適合山區(qū)，救援等通信場景，畢竟咱們只要不進(jìn)入深山都是可以打電話的。

這個(gè)項(xiàng)目基本上都是使用了ESP32作為主控MCU和LoRa通信模塊來實(shí)現(xiàn)的，其原因在于ESP32的生態(tài)確實(shí)比較好，同時(shí)，ESP32具備了藍(lán)牙和WiFi功能，這使得我們可以輕松的通過手機(jī)APP來和設(shè)備的藍(lán)牙通信，打通了去中心化網(wǎng)絡(luò)的用戶界面。另一方面，基于WiFi鏈路，我們可以通過MQTT的服務(wù)將遠(yuǎn)距離的多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一張大網(wǎng)。

再開始設(shè)計(jì)這個(gè)開源項(xiàng)目的硬件時(shí)，首先遇到了程序下載問題，meshtastic項(xiàng)目提供了一個(gè)基于web端的頁面，可以直接調(diào)用串口，對我們的目標(biāo)板進(jìn)行Download。

這確實(shí)是一個(gè)很有意思的事情，web調(diào)用usb設(shè)備要是用Chrome瀏覽器，同時(shí)，對于USB 轉(zhuǎn)串口來說，我們需要使用它的DTR和RTS兩個(gè)引腳信號。利用這兩個(gè)引腳產(chǎn)生一個(gè)特殊的時(shí)序，用來激發(fā) ESP32 進(jìn)入 ISP 模式。

串口工具中的 DTR（Data Terminal Ready）和 RTS（Request to Send）是 RS-232C 接口標(biāo)準(zhǔn)中的兩個(gè)引腳，它們分別具有以下含義：

DTR（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好）：當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通常，DTR 信號由數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送給串口設(shè)備（如 Modem），以指示串口設(shè)備開始數(shù)據(jù)傳輸。

RTS（請求發(fā)送）：當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）請求串口設(shè)備（如 Modem）開始數(shù)據(jù)傳輸。通常，RTS 信號由數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送給串口設(shè)備，以請求啟動數(shù)據(jù)傳輸過程。

總之，DTR 和 RTS 是串口通信中用于控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵信號，它們分別表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備的準(zhǔn)備狀態(tài)和傳輸請求。通過這兩個(gè)信號，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備與串口設(shè)備之間的協(xié)同工作，完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，DTR 和 RTS 通常用于實(shí)現(xiàn)全雙工通信，即在同一時(shí)刻，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當(dāng) DTR 和 RTS 同時(shí)為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)，并請求串口設(shè)備開始接收數(shù)據(jù)。此時(shí)，串口設(shè)備收到 RTS 信號后，會啟動數(shù)據(jù)接收過程。

這里簡單說，就是計(jì)算機(jī)，也就是我們的上位機(jī)程序，可以控制這兩個(gè)引腳輸出高低電平。

那么，ESP32 若要進(jìn)入 ISP 模式，需要什么的電平和時(shí)序呢？

從官網(wǎng)手冊中查看，選擇 UART Download Boot 模式，這樣直接利用 uart0 進(jìn)行程序下載。這個(gè)模式的進(jìn)入方式就是，我們需要再芯片啟動的時(shí)候，拉低 GPIO0。具體的時(shí)序，官方也給出了規(guī)范，如下圖：

由此，我們可以確定，在芯片的 RST 引腳和 GPIO0 這兩個(gè)引腳上需要什么樣的時(shí)序。

這里，我主要研究了一下下面這個(gè)電路，它同時(shí)兼容了手動下載和自動下載兩種模式，比較方面的兼容了各種不同的下載軟件。

首先，電路圖的左邊比較簡單，就是使用兩個(gè)按鍵的配合，對 ESP32 的下載模式進(jìn)行控制。

然后，他右面的電路就是通過 USB 轉(zhuǎn)串口芯片的 DTR 和 RTS 兩個(gè)引腳進(jìn)行配置，其中 CHIP_PU就是 ESP32 的 EN 引腳，也就是 RST 復(fù)位引腳，而 R7 上端的 0 就是 GPIO0 的網(wǎng)絡(luò)。芯片 2N7002BKS 是一個(gè)雙MOS 管封裝的芯片，通過引腳名稱可以看出，它有兩對 GDS 這樣的MOS 管。

我把他簡化一下來分析

當(dāng) DTR=0，RTS=0 時(shí)，此時(shí) Q2 和 Q3 都截止，因此，EN 和 GPIO0 就會走手動下載的邏輯。

當(dāng) DTR=0，RTS=1 時(shí)，此時(shí) Q3 導(dǎo)通，Q2 截止，EN 保持外部狀態(tài)，GPIO0 則被拉低為 0 。

當(dāng) DTR=1，RTS=0 時(shí)，此時(shí) Q2 導(dǎo)通，Q3 截止，EN 被拉低為 0，GPIO0 保持外部狀態(tài)。

當(dāng) DTR=1，RTS=1 時(shí)，此時(shí) Q2 和 Q3 都截止，狀態(tài)回歸，都會變成外部保持狀態(tài)。

從時(shí)序圖中看，我們其實(shí)需要 EN 和 GPIO0 同時(shí)拉低的一段，但是從上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來看，并沒有實(shí)現(xiàn) EN 和 GPIO0 同時(shí)拉低的邏輯。

這里就要看一下電路圖的設(shè)計(jì)，我簡化的太多了，以至于把掛在 EN 引腳上的電容給忽略掉了。

有了這個(gè)電容后，默認(rèn)上電后，保持手動模式，此時(shí) GPIO0 和 EN 都被拉高。

我們發(fā)送串口狀態(tài)，拉高 DTR = 1，RTS = 0。這時(shí)GPIO0 保持外部狀態(tài)，被拉高。EN 就被拉低為 0。這時(shí)候 C10 已經(jīng)被充電。

然后，我們再拉高 RTS = 1，DTR = 0。此時(shí)，GPIO0 將被迅速拉低為 0 。但是 EN 引腳不會立刻變?yōu)楦唠娖剑驗(yàn)橛须娙莸拇嬖?，?DTR 為 0 。要想再次變?yōu)楦唠娖叫枰袀€(gè)放電充電過程。

于是，我們就獲得了一個(gè)上升邊沿，且此時(shí) GPIO0 已經(jīng)快速的被拉低為 0 了。