“一個(gè)非常硬核的黑客項(xiàng)目，以極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)，使用沁恒的 ch32v003，在不使用驅(qū)動(dòng)芯片的前提下，實(shí)現(xiàn)支持 USB-C、觸控的 7 段 LCD 屏幕。”

在電子工程領(lǐng)域，通過創(chuàng)新的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，可以在極簡(jiǎn)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，本項(xiàng)目即是對(duì)此理念的一次成功實(shí)踐。項(xiàng)目把一塊普通的7段LCD，轉(zhuǎn)化為一個(gè)具備觸摸感應(yīng)能力并通過USB-C接口與主機(jī)通信的功能性設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的核心是一顆 CH32V003 RISC-V 單片機(jī)，神奇的地方在于它本身并不具備 USB 通信、LCD 驅(qū)動(dòng)或觸摸感應(yīng)的專用硬件支持。

看下設(shè)計(jì)的原理圖，芯片就一個(gè)成本一塊多的 ch32v003 加一個(gè) 5V 轉(zhuǎn) 3.3 V 的 LDOXC6206P332MR-G，沒有任何額外的驅(qū)動(dòng)芯片：

• PCB 厚度必須為 0.6 mm
• PCB 應(yīng)使用 ENIG（化學(xué)鍍鎳浸金）工藝，而不是 HASL（熱風(fēng)整平或噴錫），因?yàn)?HASL 可以提供更平滑、耐磨的接觸面。

USB 協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)

由于 CH32V003 并不帶原生的 USB 控制器，作者使用了 Bit-Banged 的技術(shù)理念，利用軟件直接操控 GPIO 引腳來模擬硬件協(xié)議，生成速率為 1.5Mbps 的差分信號(hào)。雖然會(huì)占用大量CPU開銷，但還是成功模擬了一個(gè) USB1.1 設(shè)備。

當(dāng)然，需要對(duì)這一做法進(jìn)行權(quán)衡：雖然節(jié)省了 USB PHY 物理層和控制器硬件的成本，但犧牲了寶貴的CPU周期和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在此基礎(chǔ)上，還開發(fā)了自定義的引導(dǎo)加載程序（Bootloader），使得設(shè)備固件可以直接通過USB接口進(jìn)行更新，無(wú)需借助外部編程器。

GPIO 直接驅(qū)動(dòng) LCD

對(duì)于基本的 LCD 輸出，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的10 階段波形：

• 階段 0-3= 依次將特定的 COM（公共電極）引腳驅(qū)動(dòng)為低電平，同時(shí)將任何需要點(diǎn)亮的 SEG（段電極）引腳驅(qū)動(dòng)為高電平。

• 階段 4= 空閑時(shí)間，確保沒有電壓差。這也有助于控制對(duì)比度。

• 階段 5-8= 依次將特定的 COM 引腳驅(qū)動(dòng)為高電平，同時(shí)將任何需要點(diǎn)亮的 SEG 引腳驅(qū)動(dòng)為低電平。

• 階段 9= 用于控制對(duì)比度的另一半空閑時(shí)間。

可以看到，使用 USB 會(huì)把事情搞砸，因?yàn)楫?dāng) USB 運(yùn)行時(shí)，它無(wú)法將 SEG 引腳的電壓穩(wěn)定在VCC的一半。

基于 ADC 的電容式觸摸感應(yīng)

其測(cè)量過程是一個(gè)經(jīng)過精確計(jì)時(shí)的序列：

1. 首先將線路驅(qū)動(dòng)至低電平，以對(duì)任何電容進(jìn)行放電。

2. 在啟動(dòng) ADC 采樣的同時(shí)，為 LCD 的所有端口應(yīng)用上拉電阻。ADC 的設(shè)置和采樣時(shí)間點(diǎn)必須精確對(duì)齊到Fcpu/2。

3. 這個(gè)過程使得 LCD 引腳上的電壓開始上升，其上升速率與引腳上的總電容成反比。當(dāng)手指觸摸玻璃時(shí)，會(huì)引入額外的人體電容，從而減緩電壓上升的速度。

4. 通過高速、多次的采樣（即過采樣技術(shù)），系統(tǒng)能夠從噪聲中提取出這一微弱的電容變化信號(hào)，從而判斷觸摸事件的發(fā)生。

5. 為提高輸入的可靠性，軟件層面還集成了遲滯算法，用以有效區(qū)分真實(shí)的“按下”與“釋放”動(dòng)作，防止了誤觸發(fā)。

并發(fā)性的挑戰(zhàn)

該項(xiàng)目的核心成就不僅在于實(shí)現(xiàn)了以上三項(xiàng)功能，更在于讓它們?cè)谝粋€(gè)資源極其有限（2KB SRAM, 16KB Flash）的單核MCU上并發(fā)運(yùn)行。

這三項(xiàng)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)資源的要求是相互沖突的：USB 需要高優(yōu)先級(jí)時(shí)序來保證其比特流的完整性；LCD 需要一個(gè)持續(xù)、有節(jié)奏的刷新率（約30-60 Hz）來避免閃爍；而觸摸感應(yīng)則需要一個(gè)安靜、穩(wěn)定的模擬環(huán)境以進(jìn)行精確的 ADC 讀數(shù)。

波形圖中的干擾現(xiàn)象，是系統(tǒng)運(yùn)行在其能力極限的典型癥狀。來自 USB 任務(wù)的中斷可能會(huì)延遲 LCD 的刷新，導(dǎo)致可見的閃爍，或者擾亂觸摸感應(yīng)的 ADC 采樣窗口，導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)。與基于硬件的解決方案相比，這是位沖撞（軟件）方法最主要的缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。

該項(xiàng)目的成功嚴(yán)重依賴 于CH32V003 的青稞 V2A 內(nèi)核及其 GPIO 端口的特定且可預(yù)測(cè)的性能特征。將此代碼移植到另一個(gè) MCU，即使規(guī)格相似，也極有可能需要對(duì)所有時(shí)序關(guān)鍵的循環(huán)和中斷處理程序進(jìn)行全面的重新校準(zhǔn)。所以說這并非一個(gè)可移植的解決方案。太黑科技了！

一定要那么省錢？那么黑科技么？

結(jié)束語(yǔ)

https://github.com/cnlohr/ch32v003_3digit_lcd_usb/