创客造｜国产主控芯片打造 USB 提醒器
本帖最后由 zoologist 于 2021-5-10 15:08 编辑对于现在的电脑来说，USB是外部通讯的不二选择，通过这个接口可以引出键盘鼠标等等外部设备。这次尝试使用国产的CH55X 系列单片机来做一个 USB 提醒器，通过这个设备能够做到LED发光提示还有蜂鸣器声音提示。首先介绍一下 CH55X 系列芯片是南京沁恒（WCH）出品的带有USB功能的系列单片机【参考1】，提起这家公司的名称大多数人会感到陌生，但是如果提起CH340/CH341芯片大家都会非常熟悉，这款低成本的USB串口转换芯片就是这家公司的产品。这次设计用到的 CH552 和 CH551/CH554 是同一个系列。他们主要的差别是：CH551是最低端的，工作频率是24Mhz,FLASH 有 10K (可以看作是单片机的 ROM)，内存是512+256字节，只能做 USB Device；CH552比前者配置稍微高了一些，FLASH空间有16K，内存有1K+256字节，只能做 USB Device；CH554比前面都高级，FLASH和 内存和 CH552 相同，但是可以当作 USB Host 使用能够实现解析USB键盘鼠标这样设备的工作。可以看出，相比 Atmel 的 32U4 (Arduino Leonardo)，主要缺点是内存太小。但是胜在价格便宜，引脚简单（这样容易焊接）。在立创商城上面的芯片价格如下（CH552/4 不同封装引脚数量不同，所以价格是在一个范围内）：
CH551G 2.475元CH552 2.7-2.78元Ch554 5.43-7.03元32u4 23.51元
因此，如果CH55X系列芯片能够满足你的需求，能够大大降低成品的成本。同时， CH55X 系列单片机对于外围元件要求极低，无须晶振，只要合适的贴片电容即可工作起来。
这次设计使用CH552G芯片是 SOP16 封装，同样的 CH554 也有SOP16封装可以直接替换（CO-Layout）
电路设计如下：主控部分
这个芯片使用C1/C2两个 0.1uF的电容即可工作，5V供电，从 VCC/VDD 引脚进入。上图中 V33 经过 R1 (10K)连接到 USB+引脚上，其中的 PAD1无须上键在这里作为开关使用用于控制芯片进入 Bootloader Mode。板子上还有一个 WS2812B MINI(3.5x3.5mm) 用于提供灯光提示，同样的这个元件无须外围配合，直接用CH55X P1.5即可控制：
外围有一个蜂鸣器，因为CH55X引脚提供电流有限，所以使用S8050这个三极管扩流，同时外加R3用于限流，主要是避免声音太大。CH55XP3.4 Pin 用于控制蜂鸣器开关。因为该引脚是 PWM 引脚，因此这里即可以使用有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器的含义是“内部有震荡源”，类似于电动机，有了供电就能发声；与其相反，无源蜂鸣器含义是“内部没有震荡源”，因此需要用引脚电流变换来驱动它。对于有源蜂鸣器，P3.4当作普通的GPIO即可；对于无源蜂鸣器，需要设定为 PWM 然后给他设置占空比和频率（默认即可）。
PCB 设计如下：
切换为 3D 模式预览如下（这次设计的 Symbol使用的都是嘉立创的，所以自带了3D 模型，非常直观）：
正面
背面
拿到手的 PCB和焊接后的照片如下：
接下来就开始软件设计了。这个芯片原本设计使用 C51 来进行变成，用户可以通过 Keil 这样的集成开发环境进行编程，但是对于我们来说C51还是过于复杂。这里使用 Github上的一个开源项目：ch55xduino【参考2】，能够让我们像开发 Arduino 一样为 CH551/2/4 进行开发。首先介绍一下项目的安装：和其他的所有的第三方板卡一样,在 Preferences --> Additional Boards Manager URLs 中加入这个板卡的地址https://raw.githubusercontent.com/DeqingSun/ch55xduino/ch55xduino/package_ch55xduino_mcs51_index.json
之后打开 Boards Manager
搜索这个项目
Install 安装之后在 Boards Manager 中能够看到这个板卡，编译时，CH551使用 CH551 Board, CH552/4 使用 CH552 Board
接下来就是如何编译一个程序，可以在Example 中看到专用的例子，比如下面就是关于 USB 设备的例子：
打开一个例子尝试编译，完成后就需要做上传的准备工作了。刚拿到手 ，板子上没有Bootloader，需要短接板子背面 PAD 处（电路图中是0.1uF电容，实际上不上件预留为空），这样V33会通过10K 电阻后进入 D+ Pin，板子会进入 Bootloader Mode。
属性如下：
使用 Zadig 给他安装一个驱动，勾选 Edit
重命名为 USB Module
安装之后：
编译后会自动搜索名为 “USB Module”的设备并且上传
需要注意的是：如果你的代码没有实现 USB 串口，那么只能短接PAD让板子进入 BootLoader Mode再次上传。了解了上面的知识，即可着手设计代码实现提醒器的功能。我们设计了2种提醒方式：LED和蜂鸣器，分别通过2个命令进行设置，形式如下：1. R/G/B分别是红绿蓝的取值，例如，命令 （ASCII）5B 63 31 32 33 5D （十六进制）会将 LED RGB 分别设置为 0x31 0x32 0x33；命令5B 63 FF 00 00 5D （十六进制）会设置为全红；2. Vhigh和 Vlow 分别是设置的时间高位和地位，例如， 命令 （ASCII）5B 62 31 32 5D （十六进制）将会设置蜂鸣器在 0x32 * 0x10 +0x32=0x342 (834秒)后响起来；命令5B 62 01 00 5D （十六进制）将会设置蜂鸣器在 0x01 * 0x100 +0x00=0x100 (256秒)后响起来；可以看出，可以设置最大 0xFFFF （65535秒）后响起来。
完整代码如下：
#define BEEPERPIN 34
#define LEDPIN 15
#define TX(LedColor) {\
if (((LedColor)&0x80)==0) {\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
(LedColor)=(LedColor)<<1;\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
}else{\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
XdigitalWriteFast(1,5,HIGH);\
(LedColor)=(LedColor)<<1;\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
XdigitalWriteFast(1,5,LOW);\
}\
}
#ifndef USER_USB_RAM
#error "This example needs to be compiled with a USER USB setting"
#endif
#include "src/userUsbCdc/USBCDC.h"
void setup() {
// 设置蜂鸣器Pin 为Low (停止发声)
pinMode(BEEPERPIN,OUTPUT);
digitalWrite(BEEPERPIN,LOW);
// 设置LED 控制Pin
pinMode(LEDPIN,OUTPUT);
digitalWrite(LEDPIN,LOW);
USBInit();
}
byte Status=0;
byte RValue,GValue,BValue;
byte THigh=0,TLow=0;
unsigned long CounterDown=0xFFFFFFFF;
void loop() {
while (USBSerial_available()) {
// 接收来自USB串口的字符
char serialChar = USBSerial_read();
if ((serialChar == '[')&&(Status==0)) { Status=1; continue;}
if ((serialChar == 'c')&&(Status==1)) {Status=2; continue;}
if (Status==2) {RValue=serialChar; Status=3; continue;}
if (Status==3) {GValue=serialChar; Status=4; continue;}
if (Status==4) {BValue=serialChar; Status=5; continue;}
if (Status==5) {
if (serialChar == ']') {Status=6;continue;}
else {Status=0; continue;}
}
if ((serialChar == 'b')&&(Status==1)) {Status=7; continue;}
if (Status==7) {THigh=serialChar; Status=8; continue;}
if (Status==8) {TLow=serialChar; Status=9; continue;}
if (Status==9) {
if (serialChar == ']') {Status=10; continue;}
else {
// 如果最后收到的字符不是 [ 那么需要重新开始
Status=0; continue;
}
}
}
// 根据收到的 cRGB 设置 LED 颜色
if (Status==6) {
USBSerial_println_s("RGB");
USBSerial_println_i(RValue);
USBSerial_println_i(GValue);
USBSerial_println_i(BValue);
USBSerial_flush();
// 设置 WS2812 颜色, 特别注意这里和时许非常相关，具体数值都是示波器测量取得
//Send Green value from Bit7 to 0
TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);TX(GValue);
//Send Red value from Bit7 to 0
TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);TX(RValue);
//Send Blue value from Bit7 to 0
TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);TX(BValue);
// 重新设置为状态 0
Status=0;
}
// 根据设置的延时开始倒计时
if (Status==10) {
if ((THigh==0)&&(TLow==0)) {
digitalWrite(BEEPERPIN,LOW);
}
// 设置触发时间
else CounterDown=(THigh*256+TLow)*1000UL+millis();
Status=0;
}
// 如果当前处于状态 0 并且设置的触发时间小于当前时间，那么就开始响
if ((Status==0)&&(CounterDown<millis())) {
// 对应 Pin 拉高，蜂鸣器开始发声
digitalWrite(BEEPERPIN,HIGH);
// 拉高之后会一直发声
CounterDown=0xFFFFFFFF;
}
}
特别提一句：WS2812有很多版本，彼此之间在时序上有差别。比如，下面两种从Datasheet看就是有差别的，前者的代码（CH55xDuino）在后者（这次设计使用的）上会有问题：
WS2812D-F8WS2812B-Mini
T0H400±150ns300±80ns
T0L850±150ns790±210ns
T1H850±150ns790±210ns
T1L400±150ns300±80ns
RES>50us>280us
所以，我在代码上重写了 WS2812 相关部分，因为对时序要求很高，所以最好使用汇编语言，但是因为我对 C51汇编很陌生，于是只能写成宏的方式。有兴趣的朋友可以尝试修改CH55xduino的库文件。
BOM 如下，不包括PCB在10元左右，可以看到这个芯片在制作 USB 相关设备方面很有竞争力：
虽然CH55X系列芯片有诸多好处，但是还存在如下缺点：1. 1.进入 BootLoader后，在 USB 3.0 的 USB口上经常会出现 Yellow Bang 的情况。可以尝试 Disable再Enable看看能否消除之。如果始终不行，推荐将板子使用一个 USB2.0 HUB和USB 3.0 相连，这个应该时芯片本身的 Bug（作为 USB 普通设备，不会遇到这个问题）；如果一直存在这个问题，那么可以先卸载，然后再重新安装驱动试试；2. 2.淘宝有很多CH552开发板，强烈建议在动手实验之前入手一个作为开发板，上面会有按钮，按下后插入USB端口直接进入 BootLoader模式，方便调试；3. 3.淘宝购买后，拿到手请及时检查芯片，我在Taobao购买的 CH554 开发板拿到手几个月后再用时发现上面竟然是 CH552的芯片，因为他们封装相同，所以当时没有注意，再去找售后时发现店铺竟然已经关门。
参考：1. 1. http://www.wch.cn/products/category/5.html单片机系列芯片选项指南2. 2. https://github.com/DeqingSun/ch55xduino3. 3.https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20190620/C114583_ECCAEB884D1CBA01F5696FFC90F90D84.pdfWS2812B-Mini DataSheet4. 4.https://item.szlcsc.com/150447.htmlWS2812D-F8 DataSheet
工作的视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1Tz4y1S72F
本文提到的完整代码。
本文提到的硬件设计文档
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