“一個非常硬核的黑客項目，以極簡的設計，使用沁恒的 ch32v003，在不使用驅動芯片的前提下，實現支持 USB-C、觸控的 7 段 LCD 屏幕。”

在電子工程領域，通過創新的軟硬件協同設計，可以在極簡的硬件平臺上實現復雜功能，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，轉化為一個具備觸摸感應能力并通過USB-C接口與主機通信的功能性設備。整個系統的核心是一顆 CH32V003 RISC-V 單片機，神奇的地方在于它本身并不具備 USB 通信、LCD 驅動或觸摸感應的專用硬件支持。

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

• PCB 厚度必須為 0.6 mm
• PCB 應使用 ENIG（化學鍍鎳浸金）工藝，而不是 HASL（熱風整平或噴錫），因為 HASL 可以提供更平滑、耐磨的接觸面。

USB 協議的軟件實現

由于 CH32V003 并不帶原生的 USB 控制器，作者使用了 Bit-Banged 的技術理念，利用軟件直接操控 GPIO 引腳來模擬硬件協議，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 設備。

當然，需要對這一做法進行權衡：雖然節省了 USB PHY 物理層和控制器硬件的成本，但犧牲了寶貴的CPU周期和系統的穩定性。

在此基礎上，還開發了自定義的引導加載程序（Bootloader），使得設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）引腳驅動為低電平，同時將任何需要點亮的 SEG（段電極）引腳驅動為高電平。

• 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 引腳驅動為高電平，同時將任何需要點亮的 SEG 引腳驅動為低電平。

• 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 引腳的電壓穩定在VCC的一半。

基于 ADC 的電容式觸摸感應

其測量過程是一個經過精確計時的序列：

1. 首先將線路驅動至低電平，以對任何電容進行放電。

2. 在啟動 ADC 采樣的同時，為 LCD 的所有端口應用上拉電阻。ADC 的設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），系統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，用以有效區分真實的“按下”與“釋放”動作，防止了誤觸發。

并發性的挑戰

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

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

波形圖中的干擾現象，是系統運行在其能力極限的典型癥狀。來自 USB 任務的中斷可能會延遲 LCD 的刷新，導致可見的閃爍，或者擾亂觸摸感應的 ADC 采樣窗口，導致錯誤的讀數。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險。

該項目的成功嚴重依賴 于CH32V003 的青稞 V2A 內核及其 GPIO 端口的特定且可預測的性能特征。將此代碼移植到另一個 MCU，即使規格相似，也極有可能需要對所有時序關鍵的循環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？

結束語

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