ESP32 自动下载原理分析

EEPW · 公众号 · · 2025-01-08 11:20

正文

最近接触一了一个开源项目，名字叫meshtastic。主要是以LoRa这种扩频通信的方式组建一个去中心化的网络。在中国境内的话，估计比较适合山区，救援等通信场景，毕竟咱们只要不进入深山都是可以打电话的。

这个项目基本上都是使用了ESP32作为主控MCU和LoRa通信模块来实现的，其原因在于ESP32的生态确实比较好，同时，ESP32具备了蓝牙和WiFi功能，这使得我们可以轻松的通过手机APP来和设备的蓝牙通信，打通了去中心化网络的用户界面。另一方面，基于WiFi链路，我们可以通过MQTT的服务将远距离的多个子网络连接起来，形成一张大网。

再开始设计这个开源项目的硬件时，首先遇到了程序下载问题，meshtastic项目提供了一个基于web端的页面，可以直接调用串口，对我们的目标板进行Download。

这确实是一个很有意思的事情，web调用usb设备要是用Chrome浏览器，同时，对于USB 转串口来说，我们需要使用它的DTR和RTS两个引脚信号。利用这两个引脚产生一个特殊的时序，用来激发 ESP32 进入 ISP 模式。

串口工具中的 DTR（Data Terminal Ready）和 RTS（Request to Send）是 RS-232C 接口标准中的两个引脚，它们分别具有以下含义：

DTR（数据终端准备好）：当该引脚为高电平时，表示数据终端设备（如计算机）已经准备好进行数据传输。通常，DTR 信号由数据终端设备发送给串口设备（如 Modem），以指示串口设备开始数据传输。
RTS（请求发送）：当该引脚为高电平时，表示数据终端设备（如计算机）请求串口设备（如 Modem）开始数据传输。通常，RTS 信号由数据终端设备发送给串口设备，以请求启动数据传输过程。

总之，DTR 和 RTS 是串口通信中用于控制数据传输的关键信号，它们分别表示数据终端设备的准备状态和传输请求。通过这两个信号，可以实现数据终端设备与串口设备之间的协同工作，完成数据传输任务。

在实际应用中，DTR 和 RTS 通常用于实现全双工通信，即在同一时刻，可以实现数据的发送和接收。当 DTR 和 RTS 同时为高电平时，表示数据终端设备准备好发送数据，并请求串口设备开始接收数据。此时，串口设备收到 RTS 信号后，会启动数据接收过程。

这里简单说，就是计算机，也就是我们的上位机程序，可以控制这两个引脚输出高低电平。

那么，ESP32 若要进入 ISP 模式，需要什么的电平和时序呢？

从官网手册中查看，选择 UART Download Boot 模式，这样直接利用 uart0 进行程序下载。这个模式的进入方式就是，我们需要再芯片启动的时候，拉低 GPIO0。具体的时序，官方也给出了规范，如下图：

由此，我们可以确定，在芯片的 RST 引脚和 GPIO0 这两个引脚上需要什么样的时序。

这里，我主要研究了一下下面这个电路，它同时兼容了手动下载和自动下载两种模式，比较方面的兼容了各种不同的下载软件。

首先，电路图的左边比较简单，就是使用两个按键的配合，对 ESP32 的下载模式进行控制。

然后，他右面的电路就是通过 USB 转串口芯片的 DTR 和 RTS 两个引脚进行配置，其中 CHIP_PU就是 ESP32 的 EN 引脚，也就是 RST 复位引脚，而 R7 上端的 0 就是 GPIO0 的网络。芯片 2N7002BKS 是一个双MOS 管封装的芯片，通过引脚名称可以看出，它有两对 GDS 这样的MOS 管。

我把他简化一下来分析

当 DTR=0，RTS=0 时，此时 Q2 和 Q3 都截止，因此，EN 和 GPIO0 就会走手动下载的逻辑。

当 DTR=0，RTS=1 时，此时 Q3 导通，Q2 截止，EN 保持外部状态，GPIO0 则被拉低为 0 。

当 DTR=1，RTS=0 时，此时 Q2 导通，Q3 截止，EN 被拉低为 0，GPIO0 保持外部状态。

当 DTR=1，RTS=1 时，此时 Q2 和 Q3 都截止，状态回归，都会变成外部保持状态。

从时序图中看，我们其实需要 EN 和 GPIO0 同时拉低的一段，但是从上面的状态转移来看，并没有实现 EN 和 GPIO0 同时拉低的逻辑。

这里就要看一下电路图的设计，我简化的太多了，以至于把挂在 EN 引脚上的电容给忽略掉了。

有了这个电容后，默认上电后，保持手动模式，此时 GPIO0 和 EN 都被拉高。

我们发送串口状态，拉高 DTR = 1，RTS = 0。这时GPIO0 保持外部状态，被拉高。EN 就被拉低为 0。这时候 C10 已经被充电。

然后，我们再拉高 RTS = 1，DTR = 0。此时，GPIO0 将被迅速拉低为 0 。但是 EN 引脚不会立刻变为高电平，因为有电容的存在，且 DTR 为 0 。要想再次变为高电平需要有个放电充电过程。

于是，我们就获得了一个上升边沿，且此时 GPIO0 已经快速的被拉低为 0 了。

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