“一個非常硬核的黑客項目，以極簡的設(shè)計，使用沁恒的 ch32v003，在不使用驅(qū)動芯片的前提下，實現(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，可以在極簡的硬件平臺上實現(xiàn)復(fù)雜功能，本項目即是對此理念的一次成功實踐。項目把一塊普通的7段LCD，轉(zhuǎn)化為一個具備觸摸感應(yīng)能力并通過USB-C接口與主機通信的功能性設(shè)備。整個系統(tǒng)的核心是一顆 CH32V003 RISC-V 單片機，神奇的地方在于它本身并不具備 USB 通信、LCD 驅(qū)動或觸摸感應(yīng)的專用硬件支持。

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

• 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），因為 HASL 可以提供更平滑、耐磨的接觸面。

USB 協(xié)議的軟件實現(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。雖然會占用大量CPU開銷，但還是成功模擬了一個 USB1.1 設(shè)備。

當然，需要對這一做法進行權(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接口進行更新，無需借助外部編程器。

GPIO 直接驅(qū)動 LCD

對于基本的 LCD 輸出，可以使用一個簡單的10 階段波形：

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

• 階段 4= 空閑時間，確保沒有電壓差。這也有助于控制對比度。

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

• 階段 9= 用于控制對比度的另一半空閑時間。

可以看到，使用 USB 會把事情搞砸，因為當 USB 運行時，它無法將 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)

其測量過程是一個經(jīng)過精確計時的序列：

1. 首先將線路驅(qū)動至低電平，以對任何電容進行放電。

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

3. 這個過程使得 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。當手指觸摸玻璃時，會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，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)分真實的“按下”與“釋放”動作，防止了誤觸發(fā)。

并發(fā)性的挑戰(zhàn)

該項目的核心成就不僅在于實現(xiàn)了以上三項功能，更在于讓它們在一個資源極其有限（2KB SRAM, 16KB Flash）的單核MCU上并發(fā)運行。

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

波形圖中的干擾現(xiàn)象，是系統(tǒng)運行在其能力極限的典型癥狀。來自 USB 任務(wù)的中斷可能會延遲 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）方法最主要的缺點和風(fēng)險。

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

一定要那么省錢？那么黑科技么？

結(jié)束語

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