ESP32-S3 Pi Zero 2 W. USB-UART y USB-OTG. Parte I. Funciones.

USB-UART y USB-OTG

La placa de desarrollo se puede alimentar, y programar, de la misma manera que lo hace cualquier versión Pi Zero 2W, con dos puertos USB (USB-C en el caso de Orange Pi Zero 2W y Micro USB en el caso de Raspberry Pi Zero 2 W). En el diseño del ESP32-S3 Pi Zero 2 W se utilizan dos USB-C. Son más modernos y más versatiles. Están dispuestos a la misma distancia que los Micro USB de la Raspberry Pi Zero 2 W.

El estandar USB-C describe los conectores como reversibles y pueden existir con un número diferente de PINes, hasta 12+12. Dado que mécanicamente estamos usando dos puertos USB-C que funcionan como USB 2.0, solo necesitamos 4 pines (VBUS con GND y D- con D+) mas los pines CC1 y CC2 (Configuration Channel).

Los puertos están etiquetados como USB-OTG y USB-UART.

El situado a la izquierda (USB-OTG) es directo a los PINes USB_D- y USB_D+ en el ESP32-S3. El situado a la derecha, a través de un chip, CH343K, se puede utilizar como interfaz serie RS-232. Ambos son válidos para programar y alimentar el ESP32-S3 Pi Zero 2 W.

USB-OTG

El puerto USB-OTG es un interfaz USB Serial/JTAG nativo con capacidades OTG (On-The-Go). Esto permite disponer de un interfaz que permite que el ESP32-S3 cambie de rol según lo que necesites, bien sea, Host (Maestro) o Device (Esclavo).

Device (Esclavo)

Es el más común. Puedes conectar la placa al PC, y el ESP32-S3 se puede comportar como se desee:

HID: Un teclado, un ratón o un gamepad.
MSC: Una unidad de disco flash (puedes hacer que los 16MB de memoria interna aparezcan como un pendrive en tu PC).
CDC: Un puerto serie de alta velocidad (más rápido que el CH343K).
MIDI: Un instrumento musical digital.

Host (Maestro)

En este modo permite conectar periféricos USB al ESP32-S3 a través de cable adaptador OTG, algunos de estos podrían ser:

Un teclado USB y leer lo que se escribe.
Una cámara USB (UVC) y capturar imágenes.
Un pendrive y leer/escribir archivos en él.

No será viable conectar todos los dispositivos USB de está manera, no al menos de una manera simple, generalmente por problemas de alimentación. El USB funciona a 5V y el ESP32-S3 funciona a 3.3V, este no puede alimentar un dispostivo conectado en el puerto USB-C OTG a 5V. Existen soluciones a este asunto pero no están implementadas específicamente en esta placa.

Para poner el ESP32-S3 en modo ROM Bootloader Mode (Download Mode o Boot Mode), el ordenador envía un comando especial a través del protocolo USB (cambiando la velocidad de baudios a 1200 bps, que es el estándar para forzar el ROM Bootloader Mode). El chip ESP32-S3 entra en modo programación en ese momento, y es posible subir el nuevo firmware al chip.

USB-UART

El puerto USB-UART es un interfaz RS-232 (U0RXD, U0TXD, RTS y CTS/DTR), a través de un chip CH343K que se puede utilizar para programar el ESP32-S3, con funciones de auto reseto para no tener que pulsar la secuencia RESET/BOOT en el ESP32-S3. También como consola serie para depurar el programa.

El interfaz USB-UART puede ser más lento que USB-OTG pero dado que en un reseteo inesperado del ESP32-S3 este interfaz no desaparece del PC puede resultar más conveniente utilizarlo.

Para poner el ESP32-S3 en modo ROM Bootloader Mode (Download Mode o Boot Mode) existen dos alternativas.

Download Mode manual

Se puede establecer el modo programación manualmente siguiendo este procedimiento:

Se mantiene pulsado el botón BOOT, indicando al micro que se prepare para Boot Mode.
Se pulsa el botón RESET una vez, forzando un reseteo que leerá el estado Boot Mode.
Se puede soltar el botón BOOT.
El micro debería estar en Boot Mode.

Download Mode Automático

El proceso para establecer el modo programación automáticamente, se basa en utilizar los PINes, DTR (Data Terminal Ready) y RTS (Request To Send) del puerto RS-232 que originalmente servían para controlar módems de una forma particular.

Cuando el software de programación (esptool) quiere subir el código, manipula estas líneas DTR/RTS de forma precisa y en orden, a través del puerto USB-UART y el chip CH343K. Usando dos transitores, es posible replicar los pasos que se realizan en el modo Download Mode manual. Un esquema de como están conectados DTR y RTS es el siguiente:

(lib_symbols
	(symbol "Transistor_BJT:UMH3N"
		(pin_names
			(hide yes)
		)
		(exclude_from_sim no)
		(in_bom yes)
		(on_board yes)
		(property "Reference" "Q"
			(at 7.62 1.27 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(justify left)
			)
		)
		(property "Value" "UMH3N"
			(at 7.62 -1.27 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(justify left)
			)
		)
		(property "Footprint" "Package_TO_SOT_SMD:SOT-363_SC-70-6"
			(at 0.127 -11.176 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(hide yes)
			)
		)
		(property "Datasheet" "http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/datasheet/discrete/transistor/digital/emh3t2r-e.pdf"
			(at 3.81 0 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(hide yes)
			)
		)
		(property "Description" "0.1A Ic, 50V Vce, Dual NPN Input Resistor Transistors, SOT-363"
			(at 0 0 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(hide yes)
			)
		)
		(property "ki_keywords" "Dual NPN Transistor"
			(at 0 0 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(hide yes)
			)
		)
		(property "ki_fp_filters" "SOT?363*"
			(at 0 0 0)
			(effects
				(font (size 1.27 1.27))
				(hide yes)
			)
		)
		(symbol "UMH3N_0_1"
			(rectangle
				(start -6.35 0.508)
				(end -4.826 -0.508)
				(stroke (width 0) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(polyline
				(pts
					(xy -0.762 0) (xy -4.826 0)
				)
				(stroke (width 0) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(polyline
				(pts
					(xy -0.635 1.905) (xy -0.635 -1.905)
				)
				(stroke (width 0.508) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(polyline
				(pts
					(xy -0.635 0.635) (xy 1.27 2.54)
				)
				(stroke (width 0) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(polyline
				(pts
					(xy -0.635 -0.635) (xy 1.27 -2.54)
				)
				(stroke (width 0) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(polyline
				(pts
					(xy 0 -1.778) (xy 0.508 -1.27) (xy 1.016 -2.286) (xy 0 -1.778)
				)
				(stroke (width 0) (type default))
				(fill (type outline))
			)
		)
		(symbol "UMH3N_1_1"
			(circle
				(center 0 0)
				(radius 2.8194)
				(stroke (width 0.254) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(pin input line
				(at -8.89 0 0)
				(length 2.54)
				(name "B1"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "2"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
			(pin passive line
				(at 1.27 5.08 270)
				(length 2.54)
				(name "C1"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "6"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
			(pin passive line
				(at 1.27 -5.08 90)
				(length 2.54)
				(name "E1"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "1"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
		)
		(symbol "UMH3N_2_1"
			(circle
				(center 0 0)
				(radius 2.8194)
				(stroke (width 0.254) (type default))
				(fill (type none))
			)
			(pin input line
				(at -8.89 0 0)
				(length 2.54)
				(name "B2"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "5"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
			(pin passive line
				(at 1.27 5.08 270)
				(length 2.54)
				(name "C2"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "3"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
			(pin passive line
				(at 1.27 -5.08 90)
				(length 2.54)
				(name "E2"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
				(number "4"
					(effects
						(font (size 1.27 1.27))
					)
				)
			)
		)
		(embedded_fonts no)
	)
)
(junction
	(at 328.295 131.445)
	(diameter 0)
	(color 0 0 0 0)
	(uuid "150b4aa1-2123-41e5-bc4a-91fecac24893")
)
(junction
	(at 325.755 146.685)
	(diameter 0)
	(color 0 0 0 0)
	(uuid "63373a31-4c6c-4ca2-b034-f5b4f60de7ff")
)
(text_box "DTR  RTS   ==> CHIP_PU  GPIO0\n-----------------------------\n 1    1    |     1        1\n 0    0    |     1        1\n 1    0    |     0        1\n 0    1    |     1        0"
	(exclude_from_sim no)
	(at 357.505 130.175 0)
	(size 32.3635 15.24)
	(margins 0.9525 0.9525 0.9525 0.9525)
	(stroke (width 0) (type solid))
	(fill (type none))
	(effects
		(font (face "Consolas") (size 1.27 1.27) (bold yes))
	)
	(uuid "6d257ee7-f927-4fee-9fed-0df92a9dd366")
)
(wire
	(pts
		(xy 325.755 136.525) (xy 325.755 146.685)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "26e76958-49c7-4cae-8038-20fd8e1096f1")
)
(wire
	(pts
		(xy 328.295 131.445) (xy 332.105 131.445)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "2e85328b-6b22-4b16-b769-db5323a364f2")
)
(wire
	(pts
		(xy 328.295 139.065) (xy 342.265 139.065)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "453992d7-c28f-492b-815a-fb6a38ed2bd7")
)
(wire
	(pts
		(xy 320.675 131.445) (xy 328.295 131.445)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "4cfd7065-fe26-484f-90e4-22a4f9870233")
)
(wire
	(pts
		(xy 342.265 123.825) (xy 342.265 126.365)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "677e96a9-6082-484e-b317-d6dcc9a6d1df")
)
(wire
	(pts
		(xy 325.755 146.685) (xy 332.105 146.685)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "5ce6d5ee-f2e9-4479-89be-455991a9bffd")
)
(wire
	(pts
		(xy 328.295 139.065) (xy 328.295 131.445)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "90b6ffe4-b403-4ae7-b1b3-6e1095124b77")
)
(wire
	(pts
		(xy 342.265 141.605) (xy 342.265 139.065)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "90694444-5d45-4df8-8f94-8690d085234f")
)
(wire
	(pts
		(xy 348.615 151.765) (xy 342.265 151.765)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "b723bcf7-1733-4704-a073-5f5633c0e2f6")
)
(wire
	(pts
		(xy 348.615 123.825) (xy 342.265 123.825)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "c03479d2-932f-4a30-8893-543ebbb4614d")
)
(wire
	(pts
		(xy 320.675 146.685) (xy 325.755 146.685)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "e82516b3-0ab2-4eae-94a2-8bdffaf70a84")
)
(wire
	(pts
		(xy 325.755 136.525) (xy 342.265 136.525)
	)
	(stroke (width 0) (type default))
	(uuid "ec32cbbf-e93c-4d68-96e5-52ddd5d37836")
)
(label "RTS"
	(at 320.675 131.445 180)
	(effects
		(font (size 1.27 1.27))
		(justify right bottom)
	)
	(uuid "264fbe7d-7828-4a6c-830a-382f7e404266")
)
(label "CHIP_PU"
	(at 348.615 123.825 0)
	(effects
		(font (size 1.27 1.27))
		(justify left bottom)
	)
	(uuid "91ed6580-429d-4821-b7a7-bd1d5e4c7697")
)
(label "GPIO0"
	(at 348.615 151.765 0)
	(effects
		(font (size 1.27 1.27))
		(justify left bottom)
	)
	(uuid "9d053a69-f4f9-4f35-a524-2282ff94c5fc")
)
(label "DTR"
	(at 320.675 146.685 180)
	(effects
		(font (size 1.27 1.27))
		(justify right bottom)
	)
	(uuid "cdd7683f-f03b-4e71-9e7a-bfbd3a4255bf")
)
(symbol
	(lib_id "Transistor_BJT:UMH3N")
	(at 340.995 146.685 0)
	(mirror x)
	(unit 2)
	(exclude_from_sim no)
	(in_bom yes)
	(on_board yes)
	(dnp no)
	(uuid "942e85a3-3fb4-41ee-8473-56229cc0d346")
	(property "Reference" "Q1"
		(at 333.375 149.225 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(justify left)
		)
	)
	(property "Value" "UMH3N"
		(at 344.551 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(justify left)
		)
	)
	(property "Footprint" "Package_TO_SOT_SMD:SOT-363_SC-70-6_Handsoldering"
		(at 341.122 135.509 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Datasheet" "http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/datasheet/discrete/transistor/digital/emh3t2r-e.pdf"
		(at 344.805 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Description" "0.1A Ic, 50V Vce, Dual NPN Input Resistor Transistors, SOT-363"
		(at 340.995 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Manufacturer" "ROHM"
		(at 340.995 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "MFR.Part # HQ" "DS0127880"
		(at 340.995 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "MFR.Part # JLC" "C123008"
		(at 340.995 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Mfr. Part #" "UMH3NTN"
		(at 340.995 146.685 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(pin "2"
		(uuid "5cf6c15e-9dd2-479b-ba07-f3c0d61ea454")
	)
	(pin "6"
		(uuid "c552a60d-4694-4e99-8c6b-c0e626430407")
	)
	(pin "1"
		(uuid "ae3c17a6-bbad-47da-b344-c479a8ed538b")
	)
	(pin "5"
		(uuid "8570496f-8950-41db-bf13-895d9a6963cb")
	)
	(pin "3"
		(uuid "b5aac4b2-0ed7-4210-9e23-9c171ed68db5")
	)
	(pin "4"
		(uuid "c9599136-950d-47d2-b0ea-eba3c041d6da")
	)
	(instances
		(project ""
			(path ""
				(reference "Q1")
				(unit 2)
			)
		)
	)
)
(symbol
	(lib_id "Transistor_BJT:UMH3N")
	(at 340.995 131.445 0)
	(unit 1)
	(exclude_from_sim no)
	(in_bom yes)
	(on_board yes)
	(dnp no)
	(uuid "ccab0a8d-734d-4799-a05e-d76186ccd2e7")
	(property "Reference" "Q1"
		(at 333.375 128.905 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(justify left)
		)
	)
	(property "Value" "UMH3N"
		(at 344.805 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(justify left)
		)
	)
	(property "Footprint" "Package_TO_SOT_SMD:SOT-363_SC-70-6_Handsoldering"
		(at 341.122 142.621 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Datasheet" "http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/datasheet/discrete/transistor/digital/emh3t2r-e.pdf"
		(at 344.805 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Description" "0.1A Ic, 50V Vce, Dual NPN Input Resistor Transistors, SOT-363"
		(at 340.995 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Manufacturer" "ROHM"
		(at 340.995 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "MFR.Part # HQ" "DS0127880"
		(at 340.995 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "MFR.Part # JLC" "C123008"
		(at 340.995 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(property "Mfr. Part #" "UMH3NTN"
		(at 340.995 131.445 0)
		(effects
			(font (size 1.27 1.27))
			(hide yes)
		)
	)
	(pin "2"
		(uuid "5cf6c15e-9dd2-479b-ba07-f3c0d61ea455")
	)
	(pin "6"
		(uuid "c552a60d-4694-4e99-8c6b-c0e626430408")
	)
	(pin "1"
		(uuid "ae3c17a6-bbad-47da-b344-c479a8ed538c")
	)
	(pin "5"
		(uuid "8570496f-8950-41db-bf13-895d9a6963cc")
	)
	(pin "3"
		(uuid "b5aac4b2-0ed7-4210-9e23-9c171ed68db6")
	)
	(pin "4"
		(uuid "c9599136-950d-47d2-b0ea-eba3c041d6db")
	)
	(instances
		(project ""
			(path ""
				(reference "Q1")
				(unit 1)
			)
		)
	)
)

(lib_symbols

(symbol "Transistor_BJT:UMH3N"

(pin_names

(hide yes)

)

En el proximo articulo veremos como son los esquemáticos de los puertos USB-OTG y USB-UART.