【开坑国产单片机GD32系列，带你零死角玩转GD32】

第五章 GD32F103C8T6串口开发板设计指南（一）

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- 第五章 GD32F103C8T6串口开发板设计指南（一）
（1）前言
（2）Letter Shell介绍
（3）串口开发板硬件设计指南
- （3.1）串口开发板功能介绍
- - （3.1.1）电源接口
  - （3.1.2）电源部分
（4）中场总结

（1）前言

磨刀不误砍柴工；

（2）Letter Shell介绍

在第四章中，已经说过会筛选彦祖们的提议，更新相关的内容，先前有几位不愿透露姓名的彦祖在后台私信我，给了我以下几个更新建议：

1.开源项目Letter Shell在GD32平台上的移植；

2.基于GD32的录音笔软硬件设计；

3.基于GD32的USB键鼠软硬件设计；

4.基于GD32的智能家居软硬件设计；

5.基于GD32的智能手环软硬件设计；

首先感谢以上几位彦祖（为什么没有热巴呢？）的支持，以下公布这5位彦祖的照片，以表示我的谢意！

综合考虑过这五个项目的情况后，我决定先更新第一个的内容，毕竟最容易，即开源项目Letter Shell在GD32平台上的移植，这里先介绍一下Letter Shell。
      应该有不少彦祖使用过诸如Ubuntu，Centos等Linux操作系统，就我个人而言，让我印象最为深刻的，自然是Linux不同于Windows的命令行式操作界面，初觉大为不便，因为创建文件都需要输入相应的命令（不过现在可以在图形界面下创建了），但随着使用的深入，特别是由于公司业务需要，将MCU程序开发环境移植到Ubuntu上之后，在使用ARM-GCC编译器，对MCU程序进行编译链接的过程中，发现原来在Windows下使用的Keil/IAR，对我隐瞒了太多细节，原以为编译链接只是几个按钮的事情，没想到到了Linux中，却需要自己编写makefile脚本，但这也让我第一次对MCU程序的编译链接过程有了较为深入的了解，对于Linux下的终端界面和Linux Shell工具，也有了不一样的看法。
      而此次需要移植的项目Letter Shell，就是一款类似于Linux Shell的嵌入式开源项目，它可以很容易地嵌入到单片机程序中，只要自己编写好串口的收发函数，以及定时器函数，就可以像Linux Shell一样，和MCU内核交互，调用MCU程序中的函数。
      这里可能有些彦祖看迷糊了，什么叫做和MCU内核交互？

假设我们在程序中实现了LED的驱动函数，屏幕文本显示的驱动函数，那么只需要在Letter Shell的函数中把LED的驱动函数，屏幕文本显示的驱动函数注册一下（其实就是把Letter Shell的函数指针指向这两个函数），然后在PC端的串口助手中，输入和Letter Shell事先约定好的串口命令，那么就可以调用这两个函数，就像Linux Shell一样调用内核中的函数一样，此外Letter Shell还支持命令自动补全，快捷键功能定义，命令权限管理，用户管理，变量支持等功能。

好！说了这么多，那我们是不是要开始移植了？

然后并没有，正如我们这期标题所说的，这期帖子的主要内容，是GD32F103C8T6串口开发板的硬件设计指南，而Letter Shell的移植，会被放到第六章，相信各位彦祖现在最想说的是：

由于Letter Shell只需要使用串口功能，用主流的那些单片机开发板来测试，实在是杀鸡用牛刀了，所以为了这期帖子，我专门画了嫖了嘉立创三块板子的打板费，陆续设计了三块基于GD32的串口开发板，有需要的彦祖可以找我要Gerber文件，先展示一下这三块板子：
最终使用的3号板子，包含一个CMSIS-DAP下载器，以及GD32F103C8T6串口开发板，下载器的源码和制造文件如果有彦祖感兴趣，也可以私信我，接下来就以3号板子为对象，介绍这款串口开发板的设计方案，内容会比较多，感兴趣的彦祖可以耐心看完，工欲善其事必先利其器嘛！

（3）串口开发板硬件设计指南

（3.1）串口开发板功能介绍

由于主要是针对Letter Shell的移植以及操作系统的移植，所以板上资源不多，主要如下图所示：

串口开发板的构成，目前就是上图所示的各个框图，以及背后一颗小尺寸纽扣电池，后期会把CMSIS-DAP下载器也集成到该串口开发板上，由于是手工焊接，所以有些地方不怎么美观，嘉立创的SMT太贵了，舍不得舍不得！接下来我们就从功能分析，器件选型，原理图设计，PCB设计等方面，讨论以上框图中的功能。

（3.1.1）电源接口

由于是串口开发板，而我们平时使用串口对单片机进行调试的时候，一般就是将USB转TTL模块（某宝上一搜一堆的那个）与MCU的TX，RX，GND相连，（这里连接GND的目的是为了统一USB转TTL模块与MCU之间的电平，如果不接GND的话，串口通讯就会出现异常），然后将USB转TTL模块连接到电脑的USB口，就好像下面这张图：
      这种调试方式，MCU和USB转TTL模块是分别供电的，中间通过导线连接，如果周围的线比较少，那倒没啥，如果周围一堆供电或者通信用的导线，或者线缆，那指定是一件让人抓狂的事情，另一种调试方式，就是将USB转TTL电路集成到产品上，然后通过一条MicroUSB，或者Type-C数据线连接，还有一种性价比更高的，就是利用MCU自带的USB模拟出一个虚拟串口（其实CH340G就是这么干的），直接通过MicroUSB或者Type-C连接到电脑，利用USB虚拟出一个虚拟串口的内容，我们会在基于GD32的USB键鼠软硬件设计这个项目中讨论，这里不细说。
      而GD32串口开发板把线都取消了，直接插在电脑的USB口上，没有中间商赚差价，当然啦！前提是开发板本身可以设计得比较小巧，不然得把USB插口干断了。
      这个时候就会有彦祖问了，这个USB插头怎么选型？毕竟在网上一搜，型号一大堆，想选但又怕翻车，所以这里大致介绍一下USB接口，这个我们既熟悉又陌生的小东西。

USB接口主要分为三类：标准USB接口，Mini USB接口，Micro USB接口，具体信息如下：

【标准USB接口】

这个可以说我们生活中最常见的USB接口了，又分为Type-A和Type-B两种，它俩长这样：

其中Type-A和Type-B，根据支持的USB标准不一样，又可以分为USB 2.0和USB 3.0标准USB接口。所以根据接口的颜色，我们很容易区分该接口是支持USB 2.0还是支持USB 3.0的。Type-A型接口主要应用于鼠标、键盘、U盘等设备上，彦祖们可以看看鼠标的USB接口，大部分都是Type-A(2.0)，而Type-B在打印机上应用较多，比如下面这张图，就是典型的Type-B接口：

【Mini USB接口】

不同于标准USB接口的大大咧咧，Mini USB接口，是一种小型的USB接口，其指标与标准USB相同，但是加入了ID针脚（用于区分设备是主机还是外设），以支持OTG（On The Go，该功能允许在没有主机的情况下，实现设备间的数据传送）功能，毕竟不是什么时候都有台电脑在身边的，而Mini USB接口主要分为Mini-A和Mini-B两种，长下面这样：

Mini USB接口由于相对较小的体型，常见于一些小型设备上，比如MP3、MP4、收音机等，早期的老人机也有相当一部分采用了这个接口，高中时期，教室后面的插座上，一堆充电的手机用的都是这个接口，别问我是怎么知道的。

【Micro USB接口】

Micro USB接口，属于Mini USB的升级版本，插拔寿命提高到了10000次，相比Mini USB接口，在宽度几乎不变的情况下，高度减半，更为小巧。Micro USB接口也可分为Micro-A和Micro-B两种，长的就下面这样：

这个彦祖们应该是不陌生的吧？相信大家都认识，只是不知道它的专业名称，在智能手机发展的前期，绝大多数的智能手机（苹果除外嗷），都采用了Micro-B型接口作为充电和数据接口。

【Type-C接口】

Type-C接口，是近几年USB-IF组织推出的新型USB接口，该接口最明显的特点，就是可以正反插拔了，并且在充电功率，通讯协议上，都有了很大的提升，长的就是下面这样了：

这里只是做一个大致的介绍，让彦祖们能够分清谁是谁，如果需要更详细的资料的话，CSDN和知乎上有更详细的介绍，我们这里选用的是USB Type-A接口，主要有两个原因，第一，是因为目前大部分电脑都携带有USB Type-A的接口，使用起来比较方面，可以直接插在上面，第二是因为后面的USB转串口电路所使用的协议转换IC支持的就是USB2.0，这里提一嘴，USB协议是可以向下兼容的，哪怕电脑的USB接口是USB3.0协议，我们也可以把一个USB2.0协议的设备插在上面，比如鼠标啥的，都是可以正常使用的。

（3.1.2）电源部分

电源可以说是整个系统的核心了，电源的性能关乎系统的整体性能，所以在选型和设计上，要格外花力气。
电源设计的第一步，就是要确定系统的工作电压以及功耗要求，单片机系统一般是采用5V/3.3V/1.8V作为系统工作电压，但是诸如手机充电器，5V-1A直流电源适配器
都只提供一种电压，如果单片机需要1.8V电压，传感器需要3.3V电压，屏幕需要5V电压，电机需要12V电压，这种情况如何处理呢？

这种情况下，就需要升降压电路，对外部电源进行处理，而根据外部电源的不同，所采用的升降压方案也是有很大区别的，接下来我们根据电源电压范围，系统功耗和升降压电路的关系，讨论一下电源设计方案（纯属个人意见，欢迎纠错和指导）。

单片机系统及其外围电路常见的输入电源电压如上图所示，电源方案设计的第一步就是先确定输入电压的范围，我们按照上图顺序，依次讨论在各个电压范围下电源方案的设计思路。

（a）+12V，电源适配器/开关电源
一般+12V的电源，都是采用下图所示的电源适配器：

底部铭牌上有一个重要信息，就是输出的电压和电流的额定值，为12V/1A，也就意味着这个适配器的最大允许输出电压是12V，最大允许输出电流是1A，如果用它给需要12V/2A的设备供电，那这个电源适配器和设备就只能

好！现在已经知道该电源适配器最大可以输出12V/1A，那如果我们要获得需要的5V/3.3V/1.8V电压，接下来该怎么做？对的！就是电源芯片选型了，那相关芯片的选型信息怎么获得呢？有以下几个去处彦祖们可以去逛逛

立创商城: 点击前往

华秋商城: 点击前往

我们的升降压方案是：先将12V降压至5V，再将+5V降至+3.3V，最后再将+3.3V将至+1.8V，总共三个阶段，每一个阶段所使用芯片的类型和工作原理都有差异。
第一次降压，由+12V将至+5V，这个就要求降压芯片能够承受至少+12V的电压，以及最大1A的电流输入，有一些常见的电源模块上使用的芯片就无法满足要求，比如下图这个：

(实物拍摄)

该模块使用的是AMS1117-3.3降压芯片，在立创上下载其数据手册，在电气参数这一栏会发现如下信息：

从这两张图可以得知，该芯片最大的输入电压是18V，最大输出电流是800mA，也许有些彦祖会说，这不是差不多嘛，凑活凑活也能用呀！我刚开始也是这么想的，直到我看到板子被烧穿了，才知道，这些数据都是极限值呀！一般来说AMS1117-3.3这款芯片输出电流到达200mA的时候，你就可以用它暖手了，到达500mA的时候，你拿着的，就不是一个电源了，而是一个爆竹了，彦祖，你也不想板子上有一个爆竹吧？

接下来我们介绍一下常用的电源芯片分类，电源芯片可以分为LDO芯片，比如AMS1117-3.3，以及DC-DC芯片，这里的LDO是低压降的意思，低压降线性稳压器（LDO）的成本低，噪音小，静态电流（也就是输出端啥都没有接的状态）比较小，它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容用来滤除外部输入的噪声和纹波，一些性能优秀的LDO线性稳压器可以达到静态电流6μA，电压降最小也只有100mV，电压降指的是输入电压减去输出电压的值，假如输入是5V，输出是3.3V，那么电压降就是1.7V，一旦输入电压减去输出电压小于最小电压降，那么便无法工作，AMS1117-3.3的最小电压降是1.25V。

而DC-DC的意思是（Direct Current）直流到直流，也就是把一个直流电压转换到另一个直流电压，可不只是降压了，还可以升压，讲道理只要符合这个说法的，都可以叫DC-DC转换器，当然也包括LDO。但是更精确的定义时：通过开关方式，把一个直流电压转换到另一个直流电压的器件叫DC-DC，这里的开关方式其实就是通过电感来实现的，像我们经常在一些设备的PCB板上发现这样的电感：

这些都是DC-DC芯片配备的电感，DC-DC芯片相较于LDO，一般支持更宽的输入电压范围，更大的电压降，更大的输出电流，以及灵活的升降压方式，但是DC-DC芯片的输出脉动和开关噪音较大，散热也是个问题，并且价格也不低

所以如果输入电压和输出电压很接近，比如要求输入5V，输出3.3V，那最好是选用LDO稳压器，由于LDO独特的工作效率，在输入电压和输出电压很接近的场合，工作效率很高，输出信号干净，成本也低，所以在一些轻量级设备，mp3，mp4等应用场景使用得很多，但是，如果输入电压和输出电压不是很接近，比如要求输入12V，输出5V这种场景，就要考虑采用开关型的DC-DC了。
到了这一步，彦祖们是不是以为就可以正式去进行DC-DC芯片的选型了？其实还有一个很关键的信息我们还没考虑，焊接难度！，毕竟都让贴片厂帮我们焊的话，钱包不支持，所以大部分时候，能自己焊就自己焊，有些彦祖可能会觉得，像这样的PCB板看起来很帅！满满科技风，拿手上都得用双手，一天摸个几十遍。

但是，真要自己去焊，那就可以领略到什么叫做：有一种脑干缺失的美了

就好比以下这种封装的芯片，不知道彦祖们能不能焊上，反正我是抱着赌的心态去操作的。

所以如果自己焊的话，最好多选择一些诸如LQFP，SOP，TSSOP，SOIC这种引脚明显，方便焊接的芯片，诸如QFN，BGA，UQFN等封装，虽说外表简洁，但是焊接起来，烙铁，热风枪轮番上阵的话，难保芯片不会过热损坏，而且调试起来也不方便，所以如果没有特殊要求的话，还是选择前者更方便一些。
说了这么多，现在我们已经获得了12V转5V电路的芯片选型指标了，即：

（I）采用DC-DC降压芯片。
（II）DC-DC芯片的允许输入电压范围至少要大于12V。
（III）DC-DC芯片的允许输出电流范围至少要大于1A。
（IV）采用易于焊接的封装。
（IV）控制成本，且要保证供货稳定（之前项目MCU断供，加班加点换MCU，人麻了）。

依据这些指标，我们可以在立创商城的DC-DC电源芯片一栏，进行参数的选择。

我们在功能选择中选择降压型，输入电压其实可以不用管他，虽然我们花了不少篇幅去讨论它，相当一部分的DC-DC芯片都支持12V输入，输出电压也不用专门设置，因为DC-DC芯片的输出电压是可以通过改变电阻阻值调节，接下来就是输出通道选择，一般是一个通道，最后就是参考封装，选中的SOT-23-5，SOP8/SOIC8都是易于焊接的封装，那些不易于焊接的封装后期会出一个教程，给大家参考参考。
      选完之后，就会有一些适合的型号。
      大家可以再根据对成本的要求，或者焊接难度的要求，选一个合适的，这里我使用最多的，就是TPS54202DDCR，封装小巧，价格合适，参数也符合要求，记得下载相应的数据手册，里面有原理图模板，如果初次使用的话，照着参数画就行了。

      好的，我们已经通过前面的DC-DC电路，将12V电源降至+5V，那剩下的+3.3V和+1.8V该如何获得？前面说过，当输入电压（VIN）和输出电压（VOUT）差值较小的时候，可以直接使用LDO芯片，对+5V进行降压操作，但是在在这之前，要再回头看一看DC-DC电路，我们之前说过DC-DC芯片的输出脉动和开关噪音较大，如果不经过处理直接输送给一些诸如屏幕，传感器之类的电路，可能会因为噪声或者电压波动而导致电路工作异常，引起欠压或者关机，所以我们通常会在DC-DC电源芯片的输出脚上并联几个几十uF的电容，上图的TPS54202DDCR参考电路也是在输出端并联了两个22uF的电容，这里需要了解到的是，此处的电容负责吸收输出脉动和噪声，让他们扑通一下掉进电容这个大水桶，然后由于水桶比较大，这些水花不会影响到水桶向外流出水流的状态，水桶，也就是电容，就可以稳定地向外输出一个几乎固定的电压。

      好！我们现在回过头来看LDO芯片的原理图设计，这里其实我们前面已经讨论过了，这里通常采用AMS1117-3.3，HT7533等5V转3.3V芯片，如果需要获得1.8V的话，AMS1117-1.8也是符合要求的，到了这一步，其实选型就简单许多了，最终的参考原理图如下：

当然，你要是希望效果比较明显，易于观察的话，也可以在各个电压输出端安放一些LED，用来表明输出电压正常，然后也可以放置一些电压测试点，省得用万用表的表笔在芯片的jio jio上戳来戳去。

（b）+4.75~5.25V，USB接口/电源适配器
      其实4.75~5.25V这个奇怪的电压范围就是USB接口的电压范围，之前见过有人直接把USB接口的电源接到STC单片机上，结果STC单片机就好像抽风一样，原因就是USB电压的波动范围超过了STC单片机允许的电压波动范围，让单片机出现了重复开关机的现象。
      这一部分的降压电路可以直接照搬上一个内容的+5V转3.3/1.8V电路，莫得问题。

（c）+3.2~3.7V，锂电池
      看电压范围我们可以发现，锂电池最高是3.7V，仅仅比3.3V高出了0.4V，就算是以低压差为优势的LDO，在0.4V的压差面前，大部分的LDO都无法使用，况且还要提供5V和12V电压，所以可以采用以下方案
      市面上常见的锂电池主要有18650锂电池，聚合物锂电池：
      彦祖们应该发现在这两个电池上面都标注了诸如“3.7V”和“650mAh”这样的参数，这两个参数表示的是锂电池在充满电的情况下，输出电压是3.7V左右（实测会有100mV左右的误差），并且可以保持650mA的输出电流一小时，或者保持100mA的输出电流6.5小时，当电池电压下降到3.2V左右时，电池电量接近枯竭，这个时候就该充电了。
      所以要根据设备的电流使用情况和续航要求，选择适当的锂电池，这里我们没有特殊要求。
      那要如何选择将3.2V~3.7V升到+5V的DC-DC芯片呢？其实套数和之前选择12V降至5V的DC-DC芯片一样，在立创的待选框中选择，这里就不多说了，给大家推荐一些我常用的DC-DC升压芯片：
      TPS63020DSJR这款芯片唯一的缺点就是焊接起来不太方便，但是价格和性能没得说，另外说一句，立创上的芯片卖的普遍偏贵，这款芯片在某宝上3元/片。

SDB628，这款芯片的输入电压范围很广，输出电压范围最高也达到了28V，所以我们将5V升到12V的DC-DC芯片选择的也是他，并且他易于焊接，价格更美丽，某宝上甚至不到一元就能买到一片，可以适用普通应用场景了。
还有一个很重要的点，DC-DC芯片的输出电压是依靠FB引脚上的参考电压而确立的，通常采用电阻分压的方式获得这个参考电压，所以用于分压的电阻精度至少要达到1%，就别用5%精度的电阻了，因为这样会让输出电压的范围有较大的波动，我们这里可以简单计算一下，一般DC-DC芯片的数据手册会提供一个输出电压计算公式，我们这里以SDB628为例，公式为：

如果要获得+12V的输出，通过计算可以得出R1/R2 = 19，假设R1 = 190KΩ，R2 = 10KΩ，如果R1和R2的精度为5%，也就是说最坏的情况是R1 = 190105% = 199.5KΩ，R2 = 1095% = 9.5KΩ，将这两个值代入公式，得到输出电压是13.2V，别看就差了1.2V，有些设备对电压要求很严格，多0.5V就得现场螺旋升天，所以多花点钱，买高精度电阻，彦祖，你也不想设备螺旋升天吧？

获得12V之后，接下来的3.3V和1.8V就可以利用LDO对5V进行降压，到这里，便获得了12V，5V，3.3V和1.8V，原理图上面也都是有的，彦祖们自己随便拿，我请客，如果还有其他问题，欢迎私信我，一起讨论。

（d）+3.0V，纽扣电池
这里就不建议搞什么12V，5V之类的电压，因为纽扣电池的容量实在太感人，但凡是有升压的想法，就是太看得起它了，况且升压降压都是有转换效率的，也就是说，能量会有损耗，大部分时候是发热导致的，所以就纽扣电池那点电量，估计都不够发热的。

所以最好是采用LDO降压至1.8V左右，给低功耗MCU供电还是可以的，本身纽扣电池的应用场景就是低功耗场景，所以除此之外，就别难为他了。

（4）中场总结

到这里GD32F103C8T6串口板的必要硬件电路已经介绍完了，需要相关资料的彦祖直接私信我，剩下的USB转串口，主控，SWD，BOOT，以及各类模块的电路，我们在后续使用时在逐一介绍，不然全在这一章写的话，内容太多（我要回家相亲了），年后开工就继续更新！最后祝大家新年快乐！

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