ESP32 – Utilizando o Brown Out Detector (BOD) para quedas de alimentação

Em muitos projetos precisamos gerenciar, com cautela, a alimentação do nosso sistema, evitando mal funcionamento ou até perda de dados na RAM. Podemos, por exemplo, entrar em Deep Sleep ou salvar dados presentes na RAM numa memória não-volátil quando detectamos uma queda de alimentação, assim evitando a perda destes dados, é ai que entra o Brown Out Detector (BOD). O ESP32 conta com um BOD internamente com níveis de tensões e modos de operações configuráveis, nos permitindo tomar atitudes em casos de queda ou má alimentação.

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O que é Brown Out Detector (BOD) ?

Brown Out Detector (BOD), é um hardware interno ou externo que detecta problemas na alimentação de um sistema. Muito dos microcontroladores atuais tem este item disponível, inclusive o ESP32.

Há algumas formas que o BOD pode funcionar e você deve analisar especificamente para o seu microcontrolador, entretanto, tudo que será explicado abaixo é relacionado ao ESP32, que pode mudar levemente para algum outro microcontrolador.

O BOD presente no ESP32 gera uma interrupção na CPU, nos permitindo tratar este “problema de alimentação”, como salvar variáveis da RAM em memória não-volátil, ligar/desligar saídas, ativar sistemas de emergência com SCR, etc. Também permite a configuração de alguns parâmetros para melhor aproveitamento do mesmo, veja uma pequena lista de funcionalidades:

Tensão de trigger configurável com precisão de +- 50mV: 2.43, 2.48, 2.58, 2.62, 2.67, 2.7, 2.77, 2.8V.
Desativação do circuito RF (WiFi/Bluetooth) e/ou FLASH interna, afim de aumentar o precioso tempo restante com energia disponível.

O tempo de funcionamento que será citado abaixo, é imaginando um caso em que a alimentação do sistema é completamente removida. Mesmo assim, o BOD ainda tem velocidade suficiente para gerar a interrupção e a CPU processar alguns dados antes que a tensão fique abaixo do limite absoluto (2.3V) quando o ESP32 é desligado. O WROOM é recomendado para funcionar no mínimo com 2.7V, então é interessante configurar o nível de trigger neste valor ou acima.

Se nós queremos obter um maior tempo de funcionamento, utilizaremos o nível de trigger mais alto (2.8V), mas se a alimentação no ESP32 for instável, isso pode gerar falsos alarmes até mesmo com WiFi ativo, uma vez que os picos de consumo pode fazer a tensão cair a este nível. Para contornar este problema, basta melhorar seu circuito de alimentação ou deixar o nível de trigger mais baixo como 2.43V (o que reduziria o tempo de funcionamento). Vamos observar tudo isso melhor na prática!

Mãos à obra – BOD

O código foi feito na Arduino IDE, entretanto, funciona da mesma forma na IDF, bastando remove os itens do Arduino como DigitalWrite().

Componentes necessários

1x Módulo ESP32

Programando

Você também pode obter o código (ou arquivo .ino) no repositório do GitHub: https://github.com/urbanze/vds_esp32_bod

extern "C"
{
    #include <driver/rtc_cntl.h>
}

#define LED 2

void setup()
{
    pinMode(LED, OUTPUT);
    init_bod();
}

void loop()
{
}

void IRAM_ATTR bod_isr(void*z)
{
    //Liga o LED
    digitalWrite(LED, 1);

    //Mostra no Serial Monitor. Voce nao conseguira ler nada se remover o cabo USB
    ets_printf("\nBOD Trigged (2.8V)\n");

    //Aborta a execucao, forcando o reinicio
    abort();
}

void init_bod()
{
    uint32_t value = 0;
    value |= (1<<30);//Ativa o BOD
    value |= (2<<16);//Ciclos de espera, precisa ser >1 & <1024
    value |= (1<<15);//Desativa o RF
    value |= (7<<27);//Nivel de trigger (2.8V). Para 2.43V ficaria (0<<27)

    //Configura o registrador do BOD
    (*(volatile uint32_t *)(0x3FF480D4)) |= value;

    //Configura a ISR (bod_isr) pro BOD
    rtc_isr_register(bod_isr, NULL, (1<<7));

    //Habilita a interrupcao do BOD
    (*(volatile uint32_t *)(0x3FF4803C)) |= (1<<7);
}

Colocando para funcionar

Para conseguir gravar um GIF, foi adicionado um capacitor na alimentação do ESP32, fazendo com que seu tempo de funcionamento dure mais e possamos capturar no GIF.

Ao remover o cabo de alimentação do computador, a tensão começa a cair e logo que chega em 2.8V, o BOD entra em ação, ativando o LED para que possamos visualizar.

Entendendo a fundo

Podemos observar o funcionamento de um BOD neste curto vídeo da Microchip, que mantém o microcontrolador em reset enquanto a tensão não é estabilizada acima do definido.

O BOD do ESP32 não funciona desta maneira, infelizmente. Apenas reinicia e é logo iniciado novamente (o que pode gerar alguns raros problemas) no exemplo deste código. O ideal é sempre utilizar um BOD externo.

Apesar da rápida interrupção quando é detectado a tensão baixa, provavelmente você não conseguirá salvar dados na flash do ESP32 com a maioria das API’s (bibliotecas) nativas (Arduino ou ESP-IDF) por não serem tão rápidas assim. Talvez utilizando as API’s de Low-Level (spi_flash) ou até outras memórias externas seja possível.

Considerações finais

O BOD é muito importante em diversos projetos onde necessitamos monitorar a alimentação presente no sistema, afim de conseguir tomar atitudes com dados voláteis e até acionar outros sistemas como alarmes e etc. O BOD interno não substitui um externo (dedicado), sendo indicado em projetos mais “sérios”.

Referências

ESP32 – Technical Reference Manual

ESP32 - Utilizando o Brown Out Detector (BOD) para quedas de alimentação