基于CH32V003F4P6设计一款完全定制的开发板，并采用了Arduino Nano的外形尺寸

过去几个月里，我一直在设计自己的开发板，以充分发挥其性能。如今，我正在使用WCH的CH32V003F4P6芯片，对这款微控制器所提供的功能和性能感到非常惊叹。我之所以从Arduino转而选择它，是因为这是一款32位RISC-V微控制器，价格仅约0.10美元(十美分)，是目前市面上最便宜的32位MCU之一。但我知道Arduino的魅力，正因如此，我便围绕这款芯片设计了一款完全定制的开发板，并采用了Arduino Nano的外形尺寸。

但这次我改进了这个版本，加入了内置的USB转串口、3.3V LDO稳压器、编程接口头、指示LED灯，以及所有GPIO引脚均拆分到2.54mm接口上。其设计理念很简单：制作一个极简、低成本、开源的开发板，任何人都可以自行制造和组装。CH32V003F4P6主频为48MHz，配备16KB闪存和2KB SRAM。

这已经足够用于学习嵌入式编程、读取传感器、驱动显示屏以及制作小型原型。未来，我将开发出与CH32V003兼容的库，使其功能类似于Arduino。尽管底层架构完全不同，但这款板子仍能带来类似Arduino的即时体验。在本文中，我将带你一步步完成整个硬件设计原理图、元器件选型、PCB布局以及闪烁测试代码的编写。整个项目均为开源，你可以下载设计文件并自行搭建。我使用EasyEDA完成了PCB设计，并通过JLCPCB以仅2美元的价格完成制造。此外，我还订购了模板，以便为测试目的组装几块电路板。

CH32V003F4P6是什么?

CH32V003F4P6 是 WCH(南京清恒微电子)基于 QingKe RISC-V2AA 处理器核心的通用型微控制器。与基于 ARM Cortex-M 的 MCU 不同，该芯片采用开放的 RISC-V-V-V 指令集架构。F4P66 型号采用 TSSOP-200 封装，体积小巧，但仍可通过细尖焊锡枪手工焊接。这款芯片的亮点在于其性价比。每单位价格约为 0.1000 美元，即可获得一个运行频率为 48MHz 的 32 位处理器，其速度甚至超过 Arduino Uno 的 ATmega328P。它支持 I2C、SPI、USART、ADC、定时器，甚至内置运算放大器。编程通过位于 PD11 引脚上的单线调试接口 SWIOIO 进行，使用 WCH 的 WCH-LinkEE 编程器和 MounRiver Studio IDE 实现。起初编程可能感觉有些麻烦，但请相信我，其实非常简单。

以下是CH32V003F4P6的主要规格：

•核心：QingKe 32位RISC-V2A处理器

•时钟频率：48MHz(带内部或外部振荡器)

•闪存：16KB

•SRAM：2KB

•封装：TSSOP-20(提供18个GPIO引脚)

•工作电压：3.3VV 至 5V

•外设：1个USART，1个I2C，1个SPI，1个10位ADC(8通道)，2个定时器，1个OPA

•调试接口：单线SWIO(在PD1上)

所需部件

所有部件均来自LCSC，为标准零件。以下是您需要的物品：

•1x CH32V003F4P6 - RISC-V-V 微控制器(TSSOP-20)

•1x CH340C - USB转TTL串口转换器(SOP-16)

•1x HT7833-A-EV - 3.3V LDO稳压器(SOT-89-3)

•1个USB Type-C接口 - 用于供电和串行通信

•1个24MHz晶体振荡器 - SMD 3.2x2.5mm封装

•6个100nF电容 - C0402封装(去耦与滤波)

•2个1uF电容 - C0402封装(LDO输入/输出)

•6个1k电阻 - R0402封装(用于LED限流和复位上拉)

•2个5.1k电阻 - R0402封装(USB-C CC下拉电阻)

•4个红色LED - 0603封装(TX、RX和2个通用引脚)

•1个触控开关 - SMD 3.9x3.0mm(复位按钮)

•2个12针母头 - 2.54mm间距(GPIO扩展接口)

•1个3针公头 - 2.54mm间距(WCH-LinkE编程)

电路图

电路通过USB Type-C接口(U4)供电。我在CC1和CC2线上使用了两个5.1k的下拉电阻(R4和R7)，这是为了让主机能够识别USB-C设备为USB 2.0设备所必需的。如果没有这些电阻，许多USB-C电源将无法提供5V电压。USB提供的5V电压会传送到HT7833-A-EV(U9)低导通压稳压器，将其转换为干净的3.3V电源轨。CH340C(U2)负责USB转UART的转换，因此你可以直接打开串口监视器，通过USB与CH32V003通信，无需外部适配器。此外，我还添加了带有1k电阻的TX和RX指示LED灯(LED3和LED4)，以便直观地查看串行通信活动。

CH32V003F4P6(U1)位于电路板的核心位置，其时钟来自一个24MHz的外部晶振。MCU通过PLL内部将该时钟倍频，达到最高工作频率48MHz。复位按钮(SW1)连接至PD7/NRST引脚。在复位线上，我使用了1k电阻(R12)和100nF去抖电容(C9)。所有可用的GPIO引脚均扩展到电路板两侧的两个12针母头接口(U7和U8)，与Arduino Nano类似。这使得您可以轻松访问I2C(PC1/SDA，PC2/SCL)、SPI、USART、ADC通道、电源引脚(VIN、3V3、GND)以及通用输入输出端口。

PCB设计

我在EasyEDA中设计了PCB，保持板子尺寸紧凑，以匹配Arduino Nano的外形尺寸。布局优先采用双层结构，确保电源分配简洁高效。在两侧均布设接地平面，形成低阻抗的接地回路。去耦电容尽可能靠近CH32V003和CH340C的电源引脚。晶振放置在MCU振荡器引脚附近，并采用短而对称的走线。USB-C接口位于电路板一端，CH340C和LDO邻近，以缩短信号路径。编程接口位于电路板末端，便于在面包板上使用时进行操作。

我亲自组装了这个电路板，但请相信我，如果没有加热板和合适的焊接设备(如显微镜和热风枪)，0402尺寸的小元件是无法焊接的。然而，凭借五年的焊接经验，我可以在两小时内自行完成焊接工作。虽然需要进行大量的焊点调试，但你可以选择JLCPCB的SMT组装服务，从而省去手工焊接的步骤。你只需要一份完整的BOM文件和CPL文件，这些文件已附在本文档中。

设置开发环境

与Arduino不同，CH32V003使用的是WCH自有的工具链。你需要MounRiver Studio，这是一个基于Eclipse的免费IDE，已预装RISC-V GCC编译器，因此无需额外安装工具链。此外，还需要WCH-LinkE编程器，它通过三针编程接口(U6)连接到电路板，仅需三条线：3V3、SWIO(PD1)和GND。该编程器单独出售，售价5美元，可在此处购买。

单线调试接口(SWIO)是WCH RISC-V芯片的一大特色。与ARM芯片上的SWD需要两个引脚(SWDIO和SWCLK)不同，SWIO仅使用一个引脚同时传输数据和时钟信号。这使得编程头文件更简洁，并为您的应用释放了更多GPIO引脚。工作流程非常简单：您只需在MounRiver Studio中编写代码、编译，连接WCH-LinkE，然后进行闪存操作。完成闪存后，断开编程器，板子即可通过USB供电独立运行。内置的CH340C则可作为串行监视器，通过USART printf实现调试。

眨眼测试代码

我每次拿到一块新的电路板时，首先都会进行一次闪烁测试。如果LED灯在闪烁，说明MCU正常工作、晶振运行良好，并且你的工具链已正确设置。然后你就可以在附带的下载文件夹中测试一些示例代码了。以下是我在测试时使用的闪烁代码：

首先，我们需要默认初始化GPIO和USART的结构，然后主函数初始化系统时钟和延迟计时器，并调用我们的GPIO配置。

该代码与Arduino中的void setup和void loop类似。循环进入一个无限循环，每500毫秒切换一次LED。代码结构遵循WCH标准外设库模式，类似于STM32标准外设库。`debug.h`头文件包含了所有必要的外设定义和延时函数。

实用提示与建议

在搭建和测试这个电路板的过程中，我学到了一些经验。HT7833 LDODO 能很好地工作，但USB供电可能会带来噪声，具体取决于你的电脑或充电器，建议在模拟线路中增加额外的滤波，或者使用电池供电以获得更清晰的结果。

CH32V00333 芯片采用 TSSOP-200 封装，可用细尖焊锡笔和助焊剂进行焊接，但我建议使用焊膏和热风枪(如果有的话)，这样对 04022 封装的元器件也更方便。如果 WCH-LinkE 无法检测到芯片，请再次检查编程头上的 3V3 和 GNDND 连接，并保持线路短小，因为 SWIO 对信号完整性非常敏感。对于串行调试，只需在终端上打开 1152000 波特率即可，内置的 CH340CC 将处理其余工作。

本文编译自hackster.io