【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计

【ESP8266】ESP12S/12F 最小系统设计及typeC自动下载电路设计

0.引言

ESP8266面向物联网应用的,高性价比、高度集成的 Wi-Fi MCU
芯片ESP8266EX采用的QFN无引脚封装,且需要搭配FLASH使用,以及设计天线;使用起来比较麻烦。
我希望使用起来更加方便,便想到了使用ESP12S/12F这种集成模组(集成FLASH、天线)。
我只需设计一个最小系统及typeC自动下载电路设计,就可以愉快的用到自己的项目中了。

解决两个问题:
1.设计最小系统
2.type C自动下载电路

本文目录

    • 【ESP8266】ESP12S/12F 最小系统设计及typeC自动下载电路设计
      • 0.引言
      • 1.ESP8266 介绍
      • 2.ESP12S设计的关键信息
        • 2.1.ESP12S原理图
        • 2.2.封装尺寸
        • 2.3.ESP12S符号及管脚定义、PCB封装
          • 2.3.1.ESP12S符号
          • 2.3.2.ESP12S管脚功能说明
          • 2.3.3.模组启动模式的管脚电平要求
          • 2.3.4.PCB封装
      • 3.最小系统电路设计
        • 3.1.原理图
        • 3.2.最小系统解释
      • 4.type C自动下载电路设计
        • 4.1.自动下载电路原理图
        • 4.2.自动下载电路解析
          • 4.2.1 Type C接口
            • 4.2.1.1 Type C管脚定义
            • 4.2.1.2 Type C 选型
            • 4.2.1.3. Type C 16Pin接线总结
            • 4.2.1.4.16Pin typeC接线图
          • 4.2.2.CH340芯片
            • 4.2.2.1 CH340介绍
            • 4.2.2.2.CH340引脚定义
            • 4.2.1.3.CH340C接线图
          • 4.2.3.自动下载实现
            • 4.2.3.1.自动下载时序
            • 4.2.3.2.自动下载关键电路
      • 5.打样及实验验证

1.ESP8266 介绍

  • ESP8266EX 乐鑫官网的简介图
    【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第1张图片【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第2张图片
  • ESP12S模组
    ESP12S和ESP12F模组,主要是封装不同,其他没什么大的区别。
    ESP-12S 是由安信可公司开发的 Wi-Fi 模块,基于ESP8266EX高性能无线 SoC。该模块在较小尺寸封装中囊括了晶振、FLASH、天线等元件。支持80MHz和160MHz主频,完整的 TCP/IP 协议栈。该模块既可以嵌入到现有设备添加联网功能,也可以构建独立的网络控制器。
    【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第3张图片
    特性介绍如下。
    【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第4张图片
    主要参数说明
    【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第5张图片

2.ESP12S设计的关键信息

ESP12S采用SMD16封装,我们要设计的自己电路,需要了解一下模组的原理图、管教定义、封装尺寸等等。

2.1.ESP12S原理图

截取自 规格书。
【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第6张图片

2.2.封装尺寸

实物图,以及尺寸说明。
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2.3.ESP12S符号及管脚定义、PCB封装
2.3.1.ESP12S符号

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2.3.2.ESP12S管脚功能说明

管脚功能说明表:

脚序 名称 功能说明
1 RST 复位引脚,低电平有效
2 ADC A/D 转换结果。输入电压范围 0~1V,取值范围:0~1024
3 EN 芯片使能端,高电平有效
4 IO16 GPIO16,与 RST 管脚相连时可做 deep sleep 的唤醒
5 IO14 GPIO14/HSPI_CLK/IR_T/IC_SCL/I2SI_WS
6 IO12 GPIO12/HSPI_MISO
7 IO13 GPIO13/HSPI_MOSI/UART0_CTS
8 VCC 3.3V VDD;外部供电电源输出电流建议在 500mA 以上
9 GND 接地
10 IO15 GPIO15/I2SO_BCK/HSPICS/UART0_RTS
11 IO2 GPIO2/UART1_TXD/I2C_SDAˈI2SO_WS
12 IO0 GPIO0下载模式:外部拉低,运行模式:悬空或者外部拉高
13 IO4 GPIO4
14 RXD UART0_RXD/GPIO3/I2SO_DATA
15 IO5 GPIO5/IR_R
16 TXD UART0_TXD/GPIO1
2.3.3.模组启动模式的管脚电平要求

模组启动模式,对应的管脚电平要求说明。

模式 CH_PD(EN) RST GPIO15 GPIO0 GPIO2 TXD0
下载模式
运行模式

总结:
主要是GPIO0电平不同(低:下载;高:运行)。
其他管脚的高低电平使用上拉或下拉电阻控制。(见,前面的原理图)

2.3.4.PCB封装

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3.最小系统电路设计

3.1.原理图

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采用LDO供电。将USB输入的5V降压到3.3V,给系统供电。
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3.2.最小系统解释

参考引脚定义以及启动模式要求,依据推荐的应用电路设计,
ESP12S模组原理图并未说明上下拉电阻的大小,还是再加了一些上下拉电阻。
实测可以正常运行。(理论上,不加上下拉电阻也可以)

4.type C自动下载电路设计

自动下载实现思路:
使用CH340芯片将Type C的USB信号转换为TTL串口信号;
用DTR和RTS流控信号引脚,将ESP8266由运行模式变更为下载模式,这样就可以自动进入固件烧录而不需要手动复位等操作。

4.1.自动下载电路原理图

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4.2.自动下载电路解析
4.2.1 Type C接口
4.2.1.1 Type C管脚定义

type c全功能有24pin,上下各12个。(如下图所示)
【ESP8266 快速入门】硬件:ESP12S/ESP12F最小系统设计及typeC自动下载电路设计_第13张图片
引脚功能定义

Pin 名称 功能描述 Pin 名称 功能描述
A1 GND 接地 B12 GND 接地
A2 SSTXp1 SuperSpeed差分信号#1,TX,正 B11 SSRXp1 SuperSpeed差分信号#1,RX,正
A3 SSTXn1 SuperSpeed差分信号#1,TX,负 B10 SSRXn1 SuperSpeed差分信号#1,RX,负
A4 VBUS 总线电源 B9 VBUS 总线电源
A5 CC1 Configurationchannel B8SBU2 Sideband use(SBU)
A6 Dp1 USB2.0差分信号,position1,正 B7 Dn2 USB2.0差分信号,position2,负
A7 Dn1 USB2.0差分信号,position1,负 B6 Dp2 USB2.0差分信号,position2,正
A8 SBU1 Sidebanduse(SBU) B5 CC2 Configurationchannel
A9 VBUS 总线电源 B4 VBUS 总线电源
A10 SSRXn2 SuperSpeed差分信号#2,RX,负 B3 SSTXn2 SuperSpeed差分信号#2,TX,负
A11 SSRXp2 SuperSpeed差分信号#2,RX,正 B2 SSTXp2 SuperSpeed差分信号#2,TX,正
A12 GND 接地 B1 GND 接地
4.2.1.2 Type C 选型

这里只是用作MCU的USB 2.0下载电路,用不上全功能的24Pin的typeC;而6Pin的没有usb 2.0的通信引脚,一般只用作给MCU供电。

故采用16pin的TypeC接口最为合适。(实际只有12个焊盘,因为VBUS、GND对应合并成一个大焊盘)

16Pin TypeC24Pin的基础上阉割了USB3.0TX1/2、RX1/2,其他功能上区别不大,同样支持 PD快充、音频设备、HDMI传输、调试模式等功能。

当然,16Pin TypeC在价格、焊接难度上,比24Pin会更友好一些。

4.2.1.3. Type C 16Pin接线总结

16Pin Type C接线总结,如下表格所示。

名称 功能 接线说明
VBUS 电源总线 USB输入的电源,接网络V_USB
GND 接GND
CC1 Configurationchannel 5.1k下拉电阻接GND
CC2 Configurationchannel 5.1k下拉电阻接GND
Dp1 USB2.0差分信号,position1,正 接差分正极,网络D+
Dn1 USB2.0差分信号,position1,负 接差分负极,网络D-
SBU1 Sidebanduse(SBU) 用不上悬空
SBU2 Sidebanduse(SBU) 用不上悬空
SHELL 外壳的四个固定引脚 GND
4.2.1.4.16Pin typeC接线图

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注意:
做从机:CC1、CC2接5.1K电阻接地;做主机时:CC1、CC2接上拉电阻VBUS。
MCU这里用做从机,PC作主机。

4.2.2.CH340芯片
4.2.2.1 CH340介绍

CH340 是一个 USB 总线的转接芯片,实现 USB 转串口或者 USB 转打印口。
常用ch340封装总结如下。

实现自动下载电路需要用到DTR和RTS流控引脚,推荐使用CH340K芯片。由于CH340K比较贵,所以还是采用CH340C全功能的芯片。

4.2.2.2.CH340引脚定义

规格书中引脚定义如下。
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4.2.1.3.CH340C接线图

根据上面的CH340C引脚定义,接线图如下。
注意:
ESP12S采用3.3V供电,CH340C建议也保持一致,避免5V的串口信号损坏ESP12S里面的芯片。
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4.2.3.自动下载实现
4.2.3.1.自动下载时序

ESP8266EX 的 Pin7 CHIP_EN 为使能管脚,当为低电平时,ESP8266EX 会下电。此管脚
也可作为复位管脚,当输⼊电平低于 0.6 V 并持续 200 μs 以上时,ESP8266EX 会重启。
推荐使⽤ CHIP_EN 进⾏芯⽚复位。

使用DTR和RTS引脚,控制GPIO0和EN(CHIP_EN)实现自动下载。
自动下载的时序图。

在这里插入图片描述

4.2.3.2.自动下载关键电路

注意EN引脚必须接一个电容和一个上拉电阻,形成RC电路,借助电容充放电,延时EN达到高低电平的时间,以满足时序图的要求。
在下图中,C4 1uf(也可以选择10uf),10k的上拉电阻在ESP12S模组旁边。
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5.打样及实验验证

打样的电路如下:
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烧录验证参考:【ESP8266 快速入门】0.详细步骤-Arduino IDE开发环境搭建(基于安信可NodeMCU、C/C++)
根据上面的参考,搭建好开发Arduino IDE环境,烧录Blink例程。
成功烧录,且ESP12S板子LED正常闪烁。

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