ESP32 自動下載原理分析

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

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

再開始設計這個開源項目的硬件時，首先遇到了程序下載問題，meshtastic項目提供了一個基于web端的頁面，可以直接調(diào)用串口，對我們的目標板進行Download。

這確實是一個很有意思的事情，web調(diào)用usb設備要是用Chrome瀏覽器，同時，對于USB 轉串口來說，我們需要使用它的DTR和RTS兩個引腳信號。利用這兩個引腳產(chǎn)生一個特殊的時序，用來激發(fā) ESP32 進入 ISP 模式。

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

DTR（數(shù)據(jù)終端準備好）：當該引腳為高電平時，表示數(shù)據(jù)終端設備（如計算機）已經(jīng)準備好進行數(shù)據(jù)傳輸。通常，DTR 信號由數(shù)據(jù)終端設備發(fā)送給串口設備（如 Modem），以指示串口設備開始數(shù)據(jù)傳輸。

RTS（請求發(fā)送）：當該引腳為高電平時，表示數(shù)據(jù)終端設備（如計算機）請求串口設備（如 Modem）開始數(shù)據(jù)傳輸。通常，RTS 信號由數(shù)據(jù)終端設備發(fā)送給串口設備，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鍵信號，它們分別表示數(shù)據(jù)終端設備的準備狀態(tài)和傳輸請求。通過這兩個信號，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端設備與串口設備之間的協(xié)同工作，完成數(shù)據(jù)傳輸任務。

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

這里簡單說，就是計算機，也就是我們的上位機程序，可以控制這兩個引腳輸出高低電平。

那么，ESP32 若要進入 ISP 模式，需要什么的電平和時序呢？

從官網(wǎng)手冊中查看，選擇 UART Download Boot 模式，這樣直接利用 uart0 進行程序下載。這個模式的進入方式就是，我們需要再芯片啟動的時候，拉低 GPIO0。具體的時序，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 這兩個引腳上需要什么樣的時序。

這里，我主要研究了一下下面這個電路，它同時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，就是使用兩個按鍵的配合，對 ESP32 的下載模式進行控制。

然后，他右面的電路就是通過 USB 轉串口芯片的 DTR 和 RTS 兩個引腳進行配置，其中 CHIP_PU就是 ESP32 的 EN 引腳，也就是 RST 復位引腳，而 R7 上端的 0 就是 GPIO0 的網(wǎng)絡。芯片 2N7002BKS 是一個雙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 DTR=0，RTS=0 時，此時 Q2 和 Q3 都截止，因此，EN 和 GPIO0 就會走手動下載的邏輯。

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

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

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

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

這里就要看一下電路圖的設計，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。

有了這個電容后，默認上電后，保持手動模式，此時 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GPIO0 保持外部狀態(tài)，被拉高。EN 就被拉低為 0。這時候 C10 已經(jīng)被充電。

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

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