[每日电路图] 12、带自动烧写能力的 ESP8266 开发板制作

2024-02-24 16:20:16

前言
1、芯片先关信息
2、原理图介绍
3、PCB 效果展示
附录

前言

ESP8266 是乐鑫公司面向物联网应用的高性价比、高度集成的 WiFi MCU。乐鑫靠这颗芯片扭转了 WiFi SOC 的市场格局，甚至加速了国内智能家居产业的爆发。也因此乐鑫上市科创板受投资者看好，目前总市值达106.04亿人民币（最近一年下跌，购买需谨慎）。本文介绍如何用 KiCad 设计一个 ESP8266 最小开发板。

1、芯片先关信息

ESP8266EX 集成了 32 位 Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需很少的外围电路，可将所占 PCB 空间降低。
ESP8266EX 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了超低功耗。ESP8266EX 具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景。
ESP8266EX 内置超低功耗 Tensilica L106 32 位 RISC 处理器，CPU 时钟速度最高可达 160 MHz，支持实时操作系统 (RTOS) 和 Wi-Fi 协议栈，可将高达 80% 的处理能力留给应用编程和开发。

2、原理图介绍

我们这里直接采用 ESP-12F 模块来设计开发板，会简单不少，原理图如下：

2.1 供电电路

供电采用 ASM1117-3.3，能够将USB的 5V 转 3.3V。除此之外，我还用了一个 ASM1117-5.0 来产生 5V 的稳压，供其他外围电路使用（如舵机、马达等）。该芯片的参数如下：

常用封装：

2.2 串口电路

ESP8266 烧写和调试一般都是用串口的，因此我们开发板上需要集成一个串口电路，选择一颗比较便宜的：CH340。其典型电路：

典型封装为：SSOP-20

我们使用的电路没有那么复杂，只要电源部分加个滤波，RX 和 TX 各串一个470R 的电阻（这颗芯片偏大，还有更小一些的国产串口芯片，也非常好用）。

2.3 自动烧写电路

ESP8266工作模式

下载模式：芯⽚启动时，若 IO0 为低电平，芯⽚会进⼊下载模式；
运⾏模式：芯⽚启动时，若 IO0 为⾼电平，芯⽚会进⼊运⾏模式；

上图的逻辑关系如下：

DTR = 0，RTS = 0，此时Q1截止，Q2截止，EN = 1，IO0 = 1；
DTR = 0，RTS = 1，此时Q1截止，Q2导通，EN = 1，IO0 = DTR = 0；
DTR = 1，RTS = 0，此时Q1导通，Q2截止，EN = RTS = 0，IO0 = 1；
DTR = 1，RTS = 1，此时Q1截止，Q2截止，EN = 1，IO0 = 1；

显然，这种逻辑关系下 EN 和 IO0 不可能同时为 0
然而，ESP8266 进入下载模式却需要如下条件：

EN = 0，IO0 = 0，ESP8266 芯片掉电复位；
EN = 1，IO0 = 0，保持 IO0 为低电平重新上电

此时要看下 esp8266 的下载烧录脚本(esptool.py)：

def _connect_attempt(self, mode='default_reset', esp32r0_delay=False):
        """ A single connection attempt, with esp32r0 workaround options """
        # esp32r0_delay is a workaround for bugs with the most common auto reset
        # circuit and Windows, if the EN pin on the dev board does not have
        # enough capacitance.
        #
        # Newer dev boards shouldn't have this problem (higher value capacitor
        # on the EN pin), and ESP32 revision 1 can't use this workaround as it
        # relies on a silicon bug.
        #
        # Details: https://github.com/espressif/esptool/issues/136
        last_error = None

        # If we're doing no_sync, we're likely communicating as a pass through
        # with an intermediate device to the ESP32
        if mode == "no_reset_no_sync":
            return last_error

        # issue reset-to-bootloader:
        # RTS = either CH_PD/EN or nRESET (both active low = chip in reset
        # DTR = GPIO0 (active low = boot to flasher)
        #
        # DTR & RTS are active low signals,
        # ie True = pin @ 0V, False = pin @ VCC.
        if mode != 'no_reset':
            self._setDTR(False)  # IO0=HIGH
            self._setRTS(True)   # EN=LOW, chip in reset
            time.sleep(0.1)
            if esp32r0_delay:
                # Some chips are more likely to trigger the esp32r0
                # watchdog reset silicon bug if they're held with EN=LOW
                # for a longer period
                time.sleep(1.2)
            self._setDTR(True)   # IO0=LOW
            self._setRTS(False)  # EN=HIGH, chip out of reset
            if esp32r0_delay:
                # Sleep longer after reset.
                # This workaround only works on revision 0 ESP32 chips,
                # it exploits a silicon bug spurious watchdog reset.
                time.sleep(0.4)  # allow watchdog reset to occur
            time.sleep(0.05)
            self._setDTR(False)  # IO0=HIGH, done

        for _ in range(5):
            try:
                self.flush_input()
                self._port.flushOutput()
                self.sync()
                return None
            except FatalError as e:
                if esp32r0_delay:
                    print('_', end='')
                else:
                    print('.', end='')
                sys.stdout.flush()
                time.sleep(0.05)
                last_error = e
        return last_error

其中：

利用 RTS 控制 EN 或 nRST，因为它们都是低电平触发芯片复位；
利用 DTR 控制 IO0，低电平启动则进入下载模式；

# ie True = pin @ 0V, False = pin @ VCC.

注意，此处 True 为低电平，False 为高电平
程序解析如下：

self._setDTR(False)  # IO0=HIGH
self._setRTS(True)   # EN=LOW, chip in reset

.
设置 DTR = 1，RTS = 0，此时 Q1 导通，Q2 截止，EN = RTS = 0，IO0 = 1，芯片掉电复位；

time.sleep(0.1)

延时 100ms，为了确保 EN 为低电平，因为 EN 附近有一个 RC 电路，充放电都是需要时间的。

例如低电平为 0.25VCC，则由高电平放电至低电平需要的时间可按如下公式计算：

此处，t ≈ 0.29ms，延时 100ms 绰绰有余

self._setDTR(True)   # IO0=LOW
self._setRTS(False)  # EN=HIGH, chip out of reset

.
设置 DTR = 0，RTS = 1，此时 Q1 截止，Q2 导通，EN = 1，IO0 = 0，芯片重新上电，由于 IO0 为低电平，芯片进入下载模式；

time.sleep(0.05)

延时 50ms，为了确保 EN 为高电平:(高电平认为 0.75V，用上面公式计算，t ≈ 1.39ms，延时 50ms 绰绰有余)

self._setDTR(False)  # IO0=HIGH, done

设置 DTR = 1，RTS = 1，此时 Q1 导通，Q2 导通，EN = 1，IO0 = 1，确保下载完成后再复位芯片正常运行。
补充一下，不点击下载按钮的话，实际测试 DTR 和 RTS 均为高电平，也就是说不会影响 ESP8266 芯片的正常运行。

3、PCB 效果展示

附录

[1]. 乐鑫官网
 [2]. CSDN ESP8266 自动烧录原理分析

: 希望这个简单的小 DEMO 能帮助你快速上手画 ESP8266 最新开发板～: 后续还有更多实用 IoT 技术文章～

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