代码收藏家 ESP8266 ESP12S/ESP12F 最小系统设计与 Type-C 自动下载电路实现
【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
1.ESP8266 介绍
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。
特性介绍如下。
主要参数说明
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。
2.2.封装尺寸
实物图，以及尺寸说明。
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
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 | 高 | 高 | 低 | 低 | 高 | 高 |
| 运行模式 | 高 | 高 | 低 | 高 | 高 | 高 |
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
3.最小系统电路设计
3.1.原理图
采用LDO供电。将USB输入的5V降压到3.3V，给系统供电。
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
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）
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 TypeC在24Pin的基础上阉割了USB3.0的TX1/2、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 | 地 | 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 | 接GND |
4.2.1.4.16Pin typeC接线图
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。
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。
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。
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。
5.打样及实验验证
打样的电路如下：
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。
