ESP32-CAM: Guida Completa al Programmatore USB per Prototipazione Avanzata

ESP32-CAM Development Board è una speciale versione della popolare ESP-32, quindi una scheda di sviluppo e prototipazione basata su un SoC (System On Chip) ESP32, equipaggiata con una videocamera da 2MPixel (OV2640) di cui è possibile impostare il frame-rate, nonché provvista di uno slot per una memoria miniSD fino a 4GByte.

Sulla scheda è presente un LED ad alta luminosità che può essere impiegato come flash nelle fotografie o come illuminatore per la scena da riprendere, ma vi sono anche alcune linee GPIO configurabili da firmware per interfacciarsi con il mondo esterno, oltre alle connessioni per le più comuni interfacce di comunicazione.

Già in passato abbiamo ospitato nelle pagine della nostra rivista diverse applicazioni con questo modulo ed ora torniamo sull’argomento proponendo un progetto che interesserà a molti di voi: un programmatore dedicato, interfacciabile via USB, che permette di sfruttare al meglio le librerie che la Espressif ha rilasciato per la programmazione attraverso l’IDE di Arduino, rendendo così più accessibile il modulo a chi un tempo si fermava di fronte alla necessità di procurarsi un sistema di sviluppo dedicato.

Il programmatore è sostanzialmente una scheda progettata per ospitare il modulo ESP32-CAM e interfacciarla ad un Personal Computer tramite USB per caricare gli sketch ed eventualmente un bootloader; questa board, che possiamo considerare un adattatore sia fisico che elettronico, permette di adattare l’interfaccia UART nativa del modulo a quella più comune e versatile che è la USB, gestendo alcuni segnali di controllo come RTS e DTR.

Praticamente implementa quello che altrimenti andrebbe realizzato interfacciando la porta seriale (TXD/RXD) dell’ESP32-CAM con uno dei classici moduli convertitori USB to serial, risolvendo però a bordo anche il problema dell’adattamento dei livelli di tensione, che in alcuni moduli (per esempio l’FT782M della Futura Elettronica) non è possibile (cioè sul lato seriale lavorano a 0/5V, quindi su standard TTL) mentre in altri richiede l’impostazione di jumper (UC00A della Futura Elettronica).

SCHEMA ELETTRICO

Vedremo meglio questi dettagli analizzando lo schema elettrico del circuito, proposto in cima a questa pagina e centrato sull’integrato U1, che è un convertitore seriale/USB di tipo CH340C, molto diffuso perché utilizzato anche in alcune schede Arduino non originali.

Il CH340 è un chip di conversione dal bus USB alla classica porta seriale bidirezionale con linee TX ed RX. In modalità interfaccia seriale, CH340 fornisce il set di segnali per i tradizionali modem da linea commutata, utilizzato per estendere l’interfaccia seriale asincrona del computer o aggiornare direttamente il dispositivo affacciato con una seriale comune, mediante USB; per questo fa al caso nostro.

Il CH340 supporta la modalità USB full-speed conforme alle specifiche USB versione 2.0 ed è molto semplice da utilizzare e configurare, in quanto necessita solo di un quarzo e di due capacità esterni per il clock, ma può anche funzionare con l’oscillatore interno. L’interfaccia seriale hardware è di tipo full-duplex, imposta il buffer del ricetrasmettitore e supporta vari valori di baud-rate, da 50 bps a ben 2 Mbps.

Estrae e supporta il segnale di controllo della RS232 e quindi funziona da DTE (Data Terminal Equipment) disponendo dei segnali per il controllo dei comuni modem (DCE=Data Communication Equipment) che sono:

• RTS (Request To send), uscita utilizzata dal DTE per richiedere al dispositivo collegato (tipicamente un DCE) l’invio di dati; la linea RTS si connette alla CTS del dispositivo collegato;
• DTR (Data Terminal Ready) utilizzato per indicare al DCE che il terminale è pronto alla comunicazione;
• DCD (Data Carrier Detect) che indica quando è stata rilevata la portante che i dati modulano per la comunicazione;
• RI (Ring Indicator) che i modem utilizzano per avvisare il computer (o comunque il DTE dell’applicazione) dell’arrivo di una chiamata su linea commutata (PSTN);
• DSR (Data Set Ready) impiegato per indicare al DTE che i dati sono pronti;
• CTS (Clear To Send) che serve al DCE per comunicare al terminale (DTE) di essere pronto per l’invio dei dati.

Di queste linee utilizziamo RTS e DTR, come vedete dallo schema elettrico, sebbene la loro gestione non sia affidata in toto all’ESP32-CAM.

Naturalmente della porta UART del modulo usiamo il canale dati bidirezionale TX-RX.

Il lato USB dell’U1 è connesso al connettore USB Type-C (maschio da circuito stampato) per trasportare i segnali DP e DN del bus da e verso il convertitore.

Notate che avendo scelto un connettore USB tipo C e disponendo di un integrato che supporta l’USB 2.0, abbiamo configurato la connessione per l’utilizzo secondo questo protocollo e quindi vedete che i contatti DP1 e DP2 sono uniti e così pure DN1 e DN2.

L’unione dei pin è dovuta al fatto che sono sdoppiati perché per come sono disposti, qualunque sia il verso di inserimento del connettore femmina volante, la polarità rimane invariata.

Inoltre abbiamo portato a massa i contatti CC1 e CC2 del connettore, sia pure attraverso due resistenze di limitazione della corrente (rispettivamente R7 ed R8).

Ricordiamo che nello standard USB-C i pin CC1 e CC2 consentono la configurazione del canale dati (si chiamano, infatti, Configuration Channel) e, nello specifico, l’impostazione della modalità di trasporto dei dati, che nel nostro caso è quella conforme all’USB 2.0.

L’integrato CH340 si alimenta con una tensione continua di valore compreso fra 3,3 V e 5V.

Nel nostro circuito viene fatto funzionare con il potenziale fornito dal pin 5 (OUT) del regolatore integrato U2, un LDO siglato MIC5317-3.3, che partendo dalla tensione d’ingresso prelevata dalla linea VBUS del connettore USB-C (quindi 5 Vcc) ricava 3,3V ben stabilizzati.

Notate che, sebbene l’integrato preveda la possibilità di porlo in standby o accenderlo tramite l’apposita linea EN, in questo caso lo manteniamo sempre attivo e ciò lo facciamo connettendo fisso il suo pin 3 al VIN (1).

La linea di alimentazione a 3,3V come del resto quella a 5V VBUS, viene adeguatamente filtrata dai disturbi impulsivi mediante i condensatori ceramici C1 e C3.

Andiamo ora sul lato seriale RS232 del CH341 e vediamo che il chip rende disponibili il canale dati formato dalle linee TX (uscita dati verso l’ESP32-CAM) ed RX (ingresso dati in arrivo dall’ESP32-CAM) oltre ai criteri di controllo della comunicazione che servono a sincronizzare il flusso dei dati.

Nello specifico il nostro circuito fa uso dei soli RTS e DTR, interconnessi attraverso una rete formata da due transistor bipolari e disposti in modo da interagire con il modulo ESP32-CAM che prenderà posto nel connettore omonimo (lo vedete a destra nello schema elettrico).

Il circuito formato dai transistor ha il duplice scopo di accendere il modulo ESP32-CAM mediante il MOSFET a canale N siglato Q1.

Essendo quest’ultimo di tipo enhancement-mode, il suo terminale di drain entrerà praticamente in contatto con il source quando tra gate e quest’ultimo verrà a trovarsi una tensione di almeno 3 volt, accendendo il modulo perché in tale condizione le linee Vss verranno portate a massa.

Questa condizione si verificherà ogniqualvolta la linea DTR si troverà a livello basso e la RTS ad uno logico, quindi durante l’invio dei dati, giacché l’RTS viene attivato quando è necessario inviare una richiesta di invio dati all’ESP32-CAM e il DTR è invece a zero in tale condizione.

Per comprendere meglio la cosa considerate che i segnali di controllo sono negati, quindi attivi a zero.

Analizziamo dunque le varie combinazioni possibili: quando DTR è a zero logico e RTS a livello alto, i transistor T1 e T2 sono interdetti entrambi, perché il primo (che è un NPN) ha l’emettitore positivo rispetto alla base ed il secondo (PNP) ha la base positiva rispetto all’emettitore.

In queste condizioni il MOSFET è in stato di ON perché il suo gate viene portato a 3,3V (livello alto) dalla resistenza R2, quindi il suo canale è acceso.

Se il pin RTS passa a zero anch’esso, i transistor BJT sono ancora interdetti perché entrambi hanno una Vbe nulla, essendo i loro terminali di base ed emettitore equipotenziali.

Lo stesso accade se RTS e DTR sono tutti e due a livello logico alto.

Invece se RTS assume lo stato zero quando DTR è a livello alto, la base del T1 diviene positiva rispetto all’emettitore ed il transistor conduce, trascinando a poche centinaia di millivolt il gate del MOSFET, il quale andrà quindi in interdizione lasciando spegnere il modulo ESP32-CAM.

Anche T2 conduce, perché la sua base diviene negativa rispetto all’emettitore.

Dunque, il modulo viene acceso quando almeno DTR è a livello basso, ovvero quando da USB il computer comunica all’ESP32-CAM di essere pronto a comunicare dati, a prescindere da quale sia lo stato del Request To Send.

La funzione dei due transistor è quindi questa: T1 serve a controllare l’accensione del modulo ESP32-CAM intervenendo sulla polarizzazione di gate del MOSFET, quindi ogni volta che rimane interdetto (RTS a livello alto o DTR basso) il modulo viene alimentato, mentre se va in conduzione (RTS a livello basso e DTR nello stato logico alto) lo stesso viene privato della connessione di massa e si spegne.

Quanto al T2, funziona da interruttore statico per controllare la linea IO0, facente capo al pin 14 del connettore header della ESP32-CAM, la quale durante la programmazione deve essere tenuta a livello basso.

Quindi durante il periodo di caricamento del firmware il T2 deve rimanere interdetto, mentre negli altri momenti dev’essere in conduzione (condizione che si verifica quando il RTS è a zero logico e il DTR ad 1) per portare ad 1 logico (+3,3V) la predetta linea IO0.

I due pin U0TXD (TX) e U0RXD (RX) che permettono di caricare il nostro codice sul modulo ESP32-CAM sono esposti sul connettore esterno, sul quale è presente anche una seconda seriale U2RXD (RX) utilizzabile nel caso in cui serva ricevere dati tramite seriale.

Tali pin sono anche utilizzabili come GPIO, rispettivamente GPIO1 (UOTXD) e GPIO3 (UORXD) nelle applicazioni in cui non occorra utilizzare l’UART.

Per quanto riguarda la gestione da parte del Personal Computer, il chip CH340 utilizza dei driver software compatibili con il chip CH341, quindi la nostra scheda verrà riconosciuta dal sistema operativo Windows utilizzando direttamente il driver del CH341.

REALIZZAZIONE PRATICA

 

Ricordiamo che la ESP32-CAM va orientata in modo che il lato dello zoccolo per SD-Card sia rivolto dalla parte del connettore USB Type C della demoboard, come mostrato chiaramente dalla Fig. 1 in questa pagina.

Una volta completate le saldature e verificato che sia tutto a posto, la scheda del programmatore è pronta per assolvere alla propria funzione: potete quindi inserirvi la vostra ESP32-CAM, badando all’orientamento (state attenti che gli strip femmina sono in ugual numero e disposti parallelamente, quindi il modulo potrebbe anche entrare girato) connetterla ad un Personal Computer mediante un cavo USB/A-microUSB e iniziare a gestire i firmware, ovvero a programmare il modulo.

Rammentiamo che sulla linea di alimentazione, quindi dal connettore USB-C, l’insieme della scheda del programmatore e dell’ESP32-CAM assorbe un massimo di 360 milliampere: questa corrente può essere erogata da qualsiasi porta USB, ragion per cui non fatevi problemi a collegare il programmatore a un PC dotati di comuni porte USB mediante un adattatore, giacché non è obbligatorio utilizzare porte di tipo USB-C.

I driver per il converter USB/seriale si possono scaricare da Internet alla pagina www.wch-ic.com/downloads/CH341SER_EXE.html.