リセットとプログラム書き込み（ESP32）

Peripheral MCU で使用している ESP32の起動時の動作と、プログラム書き込みを説明します。

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ESP32 のリセット
- 遅延リセット（オプション）
ESP32の動作モード
GPIOピンによるモード選択
プログラムの書き込み
- 手動で書き込む場合
- 自動で書き込む場合
プリント基板上の実装（リセット回路）
USBシリアル変換モジュールの接続
接続コネクタ
プリント基板上の実装（プログラム書き込み用コネクタ）
参考情報
- このホームページ内
- 他のWebサイト

ESP32 のリセット

ESP32のリセットは ENピン（ Pin.3 ）を Lowします。

ENピンは、R71（10kΩ）を介して電源（+3.3V）に接続しています。電源の立ち上がりと同時に Hi になります。
C71（0.1uF）はリセットに必要な Low時間を確保するためのコンデンサです。（最低必要時間：50ms 〜 100ms ）

遅延リセット（オプション）

ESP32には電源 ON時にすぐにリセットスタートせずに、遅らせてリセットスタートする回路をプリント基板上に提供しています。電源 ON時に各回路が同時に ONになることにより電流が急激に増えることを抑えます。

タイマIC（ LMC555 ）を使用してリセット信号の立ち上がりを延ばす回路です。延ばす時間は R78 と C 78 で決めます。

ESP32の動作モード

ESP32は起動時に動作モードを選択できます。動作モードは以下の2種類です。GPIO0（ Pin.25 ）の電位により動作モードを選択します。

通常動作モード：　GPIO0 = High / 通常のプログラムの動作を行う。
プログラム書き込みモード：　GPIO0 = Low / フラッシュモード、プログラムを書き込む。

ESP32の主要なモードは以下のとおりです。

Normal Boot（通常起動モード）：　ESP32に書き込まれたプログラムを実行する標準的なモード
Flash Mode（書き込みモード）：　ESP32に新しいプログラムを書き込む際に使用
UART Download Mode：　UART経由でプログラムを書き込む特別なモード
OTA Update Mode（Over-The-Air更新モード）：　
SD Card Boot Mode：　SDカードからプログラムを実行するモード
Recovery Mode（リカバリーモード）：　SDカードからプログラムを実行するモード
Deep Sleep Mode（ディープスリープモード）：　不正なファームウェアや起動失敗時に使用されるモード
Light Sleep Mode（ライトスリープモード）：　一部の周辺機能を維持しつつ、電力消費を抑えるモード
Modem Sleep Mode：　Wi-Fiを低消費電力モードで動作させる場合に使用

GPIOピンによるモード選択

起動時に特定の GPIOピンの状態に応じてモードが決まります。

モード	GPIO0	GPIO2	GPIO15	その他の条件
Normal Boot	HIGH	Don’t care	Don’t care	通常起動
Flash Mode	LOW	HIGH	Don’t care	書き込みモード
Deep Sleep	–	–	–	プログラム制御で選択
OTA Update	–	–	–	プログラム制御で選択

プログラムの書き込み

前項のリセットと動作モードを組み合わせることによりプログラムの書き込みができます。
開発環境とプログラムの書き込みはこちらをご覧ください。

手動で書き込む場合

IO0ピンを Lowにした状態でリセットすると UARTからプログラムが書きこめるようになります。
操作としては、SW1（ EN = Reset ）と SW2（ Boot ）のスイッチを両方押して、SW1を離してから SW2 を離すことによりプログラム書き込みモードになります。その後に PC側でプログラム書き込み操作をします。

自動で書き込む場合

デバッグ中はプログラムを頻繁に書き込みます。毎回、手動で操作するのは煩雑です。

Arduino IDEなどの開発ツールには通信の制御線を使用して自動で動作モードの変更を行う機能を持たせたものがあります。この機能を使用することにより、自動的に動作モードの変更を行いプログラムの書き込みを行うことができます。

プリント基板上の実装（リセット回路）

Peripheral MCU（ ESP32 ）はリセット回路を内蔵しています。
リセットは動作モードと関連しています。プログラム書き込みも動作モードのひとつです。そのため、リセット回路とプログラム書き込み回路は連携しています。

手動操作による押しボタンスイッチ SW1と SW2もこの回路に含まれます。

隣接している U7（部品未搭載）は電源 ON時に起動電流を低減するために、起動を遅延する回路です。（オプションです。）

USBシリアル変換モジュールの接続

プログラムの書き込みは外部に追加した USBシリアル変換モジュールを介してPCと接続します。

Arduino IDE などの開発ツールによっては、IDE（開発ツール）からの操作により書き込みモードと通常起動モードを切り換えることができます。USBシリアル変換モジュールの RTSと DTRによりモード切換えをします。手動ブートリセット回路は押しボタンスイッチがありモードの選択をスイッチで行うこともできます。

接続コネクタ

シリアル変換モジュールとは以下のコネクタ CND1で接続します。コネクタは以下のとおりです。

CND1：　0010897120 / 2.54mm Pitch C-Grid Breakaway Header, Dual Row / Datasheet / Molex, LLC

Pin No.	Name	Category	Port / Pin	Source
1	+3.3V
2	+3.3V
3	RTS	UART
4	DTR	UART
5	RXD0	UART	IO3	Peripheral MCU
6	TXD0	UART	IO1	Peripheral MCU
7	JTAG-TDI	JTAG	IO12	Peripheral MCU
8	JTAG-TCK	JTAG	IO13	Peripheral MCU
9	JTAG-TMS	JTAG	IO14	Peripheral MCU
10	JTAG-TDO	JTAG	IO15	Peripheral MCU
11	GND
12	GND

Technical Considerations 　DTR と RTS
DTR、RTSは UART（シリアル通信）を使用したときに、データの受け渡しをスムースに行う制御のための信号線です。この信号線を流用して、動作モードの切り換えやリセットをおこないます。DTR、RTSの制御は開発ツール側の機能です。それに応えられるように Q1、Q2 で回路を構成しています。ここでは抵抗入りのトランジスタを使用してコンパクト（ PCB面積と部品点数の削減）にしています。
詳しい情報： ESP8266にDTRとRTSで自動書き込みをする：　こちらに詳しい情報があります。 / プログラミングな日々

Technical Considerations 　EN と Boot（ IO0 ）のプルアップ
ENにはプルアップ抵抗（ R71 ）が接続しています。Boot（ IO0 ）にもプルアップ抵抗が必要です。ESP32のGPIO0（IO0）は、起動時に動作モードを決定するためのピンとして使用されます。GPIO0の初期状態（リセット直後の状態）は通常、プルアップ（HIGH）されています。そのため外部にプルアップ抵抗はありません。

Design Considerations 　USB用ドライバICをどこに置くか
本体ボードに USB用ドライバICを設置していません。
USBドライバ用ICを本体ボードに搭載すると、直接 USBケーブルを接続できるため便利ですが、USBドライバICを設置しなかった理由は以下のとおりです。
・PCB面積と部品点数の削減
・USBシリアル変換モジュールを自由に選択（ PC側のドライバの対応 ）
・Peripheral MCUは周辺回路の制御が主目的であまり変更がないこと
・JTAGを同時使用した場合、USBを2系統持つIC（ FT2232など ）を使用することを想定

プリント基板上の実装（プログラム書き込み用コネクタ）

ESP32のプログラム書き込み用のコネクタ CND1 はメインボードの右下にあります。

コネクタはピンヘッダの形状です。ブレッドボード・ジャンパー線（メス – オス）で接続することもできますし、レセプタと接続することもできます。

レセプタ： 2.54mm Pitch C-Grid / Datasheet / Molex, LLC

隣接して Leafony に搭載する STM32の SWDデバッグ用コネクタ CND2, CND3 があります。

USBシリアル変換モジュールと CND1を接続した例

コネクタ CND1の周辺

参考情報

参考になる情報は以下のとおりです。

このホームページ内

複数のMCUをつなぐ：　このロボットには複数の MCUが搭載されています。その MCU間の接続の概要です。

他のWebサイト

SN74LVC1G3157 SPDT アナログスイッチ Datasheet
IO0 and IO2 pullup / pulldown resistors / Espressif Systems.