所选任务

选择的是参照XIAO SAMD21重新设计一款MCU核心板，要求：

• 使用TQFP-48封装的器件替换掉原设计中的QFN-48封装的器件，器件的资源跟原设计一致，只有封装发生了变化
• 用到的MCU芯片需在DigiKey官网 上有货且正常售卖
• 核心板上的其它器件以及管脚连接与原设计完全一致
• 核心板的样式、尺寸跟原设计一致
• 考虑到TQFP-48封装的器件（9x9mm）相对于原设计中QFN-48封装的器件（7x7mm）占板面积稍大，自己设计的核心板可以将部分元器件放置在背后

模块设计思路及选型

根据任务要求，我选择了ATSAMD21G18A-AU这款TQFP-48的芯片，重新设计了Seeed Studio XIAO SAMD21。与原芯片相比，除封装外，所有外设资源相同，具有 14 个引脚，可用于 11 个数字接口、11 个模拟接口、10 个 PWM 接口（d1-d10）、1 个 DAC 输出引脚 D0、1 个 SWD 焊盘接口、1 个 I2C 接口、1 个 SPI 接口、1 个 UART 接口、串行通信指示灯（T/R）、通过引脚复用的闪烁灯（L）。LED 的颜色（电源、L、RX、TX）分别为绿色、黄色、蓝色和蓝色。此外，具有 Type-C 接口，可供电和下载代码。板上有两个复位按钮，可以短接它们来复位板子。

芯片的得捷链接：ATSAMD21G18A-AU

设计框图

原理图和PCB模块介绍

原理图

PCB

• 强大的 CPU：ARM® Cortex®-M0+ 32 位 48MHz 微控制器（SAMD21G18），具有 256KB Flash 和 32KB SRAM。
• 灵活的兼容性：兼容 Arduino IDE。
• 简单的项目操作：适合面包板使用。
• 小巧尺寸：拇指大小（21x17.8mm），适用于可穿戴设备和小型项目。
• 多种开发接口：11 个数字/模拟引脚、10 个 PWM 引脚、1 个 DAC 输出、1 个 SWD 焊盘接口、1 个 I2C 接口、1 个 UART 接口、1 个 SPI 接口。

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

关于通用 I/O 引脚： MCU 的工作电压为 3.3V。如果连接到通用 I/O 引脚的电压输入高于 3.3V，可能会导致芯片损坏。

关于电源引脚： 内置的 DC-DC 转换电路能够将 5V 电压转换为 3.3V，因此可以通过 5V-PIN 使用 5V 电源为设备供电。

管脚定义

板上设置及标识

调试过程

调试工具

使用PlatformIO，Arduino框架，硬件仅需一根usb线。

编程页面

数字输入和输出

• 使用引脚6作为数字引脚：

const int buttonPin = 6;     // the number of the pushbutton pin
const int ledPin =  13;      // the number of the LED pin

int buttonState = 0;         // variable for reading the pushbutton status

void setup() {
  // initialize the LED pin as an output:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  // initialize the pushbutton pin as an input:
  pinMode(buttonPin, INPUT);
}

void loop() {
  // read the state of the pushbutton value:
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  // check if the pushbutton is pressed. If it is, the buttonState is HIGH:
  if (buttonState == HIGH) {
    // turn LED on:
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  } else {
    // turn LED off:
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }
}

模拟读取

• 使用引脚6作为模拟引脚：

void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // read the value from the sensor:
  sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
}

串口

• 串口试验：

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    while (!Serial);
}

void loop() {
    Serial.println("Hello,World");
    delay(1000);
}

DAC

• 使用13作为输出管脚，实现DAC功能

#define DAC_PIN 13 // Make code a bit more legible
float x = 0; // Value to take the sin of
float increment = 0.02;  // Value to increment x by each time
int frequency = 440; // Frequency of sine wave

void setup() 
{
  analogWriteResolution(10); // Set analog out resolution to max, 10-bits
  analogReadResolution(12); // Set analog input resolution to max, 12-bits

  Serial.begin(9600);
}

void loop() 
{
  // Generate a voltage value between 0 and 1023. 
  // Let's scale a sin wave between those values:
  // Offset by 511.5, then multiply sin by 511.5.
  int dacVoltage = (int)(511.5 + 511.5 * sin(x));
  x += increment; // Increase value of x

  // Generate a voltage between 0 and 3.3V.
  // 0= 0V, 1023=3.3V, 512=1.65V, etc.
  analogWrite(DAC_PIN, dacVoltage);

  // Now read A1 (connected to A0), and convert that
  // 12-bit ADC value to a voltage between 0 and 3.3.
  float voltage = analogRead(A1) * 3.3 / 4096.0;
  Serial.println(voltage); // Print the voltage.
  delay(10); // Delay 10ms
}

试验效果图

详细试验效果请观看视频

心得体会

这次我使用KiCAD设计了板子，既巩固了设计能力，又熟悉了KiCAD，还使用了PlatformIO，用于管理项目和使用Arduino框架十分方便。