【源码简析】基于CH32X035的USBPD报文嗅探器

> 硬件部分：https://oshwhub.com/zhoulv2012/mps-simple-digital-display-power

一、USB PD协议与CC线基础简介

1. USB PD通信概述

• USB Power Delivery (USB PD) 定义在Type-C接口的CC（Configuration Channel）线上，使用BMC编码实现全双工数字通信（电压最大可达20V，电流最高5A及以上）。
• 通信基于消息包，每个消息包由消息头（Message Header）、数据对象（Data Object, 4字节一组）、以及CRC校验组成。
• 消息类型包括控制消息(Control Message，如GoodCRC)、数据消息(Data Message，如Source Capabilities)、扩展消息(Extended Message)等。
• USB PD使用SOP（Start Of Packet）码区分通信的通道类型（SOP0主端口通信、SOP1电缆通信、SOP2电缆子通信等）。

2. CC线功能和电气连接

• USB Type-C接口共有两个CC线（CC1与CC2），PD通信在被插入的CC线（对应正插或反插）进行，另外一条CC线空闲。
• CC线通过电压电平检测区分角色：
  • **Rp（Pull-up）**端接于Source侧，代表源设备，输出1.0V左右电压。
  • **Rd（Pull-down）**端接于Sink侧，代表受电设备，通过下拉电阻拉低电压。
  • 通过不同电平组合，双方判定连接状态、方向、角色以及电流能力。
• CC线还支持辅助模式检测，如Audio Accessory、Debug Accessory。
• 电压门限（如0.2V、0.66V、1.23V等）代表不同的检测梯度，硬件通过比较器检测。

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二、USB PD通信监测方案架构（基于usbpd_sniffer.c + usbpd_cc.c）

1. 系统初始化（参考 usbpd_sniffer_init()）

• GPIO初始化：设置CC线对应的GPIO输入模式。
• USB PD硬件模块初始化：配置寄存器使能DMA、IRQ等硬件功能，准备接收PD数据包。
• 定时器启动：定时周期调用检测CC线状态，实现动态监听CC1或CC2。
• 初次CC线检测：根据电压层级判断当前有效CC线。

2. CC线连接状态检测（结合usbpd_cc.c）

• 主动通过usbpd_sink_check_cc_connect()检测CC1和CC2信号电平，检查是否存在连接及哪个线有效。
• 每500次定时器中断调度调用usbpd_sniffer_periodic_switch()进行切换监听CC线。

• 根据detect_cc_voltage_level()测量CC线电压，判断当前角色：
  • Open（无连接）
  • Sink (Rd电阻)
  • Source (Rp电阻)
  • Audio/Debug模式或无效状态。

> 小结：CC线电压状态决定USB PD链路物理层是否有效，也是监听通道切换关键。

3. USB PD数据抓包

• 中断触发：USBPD硬件模块接收完PD报文，触发USBPD_IRQHandler()中断。
• 数据复制：中断中拷贝硬件接收到的USB PD数据包到软件环形缓冲pd_packet_queue。

• 队列管理：通过维护pd_queue_head, pd_queue_tail控制环形队列进出。

4. 报文解析（结合usbpd_parse_packet()和usbpd_sink_protocol_analysis()）

• 消息头解码：
  • 提取消息类型(控制 / 数据 / 扩展)
  • 获取数据对象数量
  • 协议版本、角色、消息ID等。
• 数据对象解析：
  • 解析Source Capabilities，Battery Capabilities，Request Data Object等。
  • 对PDO（Power Data Object）的类型细致解析（固定、变量、APDO等）。
  • 输出电压、电流等关键参数。
• 控制消息处理：
  • GoodCRC、Accept、PS_RDY、Soft Reset等状态机管理。
• 扩展消息处理：
  • EPR（Extended Power Range）相关消息解析。
• 打印输出：
  • 通过串口打印解析结果，辅助调试和分析。

5. 协议状态维护

• 根据报文内容更新协议状态机，如是否进入EPR模式，是否已确认电源准备好。
• 维持消息ID，处理应答和重传。

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三、结合代码流程总结图

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|         硬件初始化        | <-- usbpd_sniffer_init()
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             |
             v
+---------------------------+
|    定时器周期检测CC线     | <-- timer3中断 + usbpd_sniffer_periodic_switch()
|    决定监听CC1或CC2       |
+---------------------------+
             |
             v
+---------------------------+
|   USBPD中断: 接收新数据包  | <-- USBPD_IRQHandler()
|   放入软件队列缓冲区      |
+---------------------------+
             |
             v
+---------------------------+
|     主任务处理队列数据     | <-- usbpd_sniffer_process_queue()
+---------------------------+
             |
             v
+---------------------------+
|       解析消息内容         | <-- usbpd_parse_packet(), usbpd_sink_protocol_analysis()
+---------------------------+
             |
             v
+---------------------------+
|      更新协议状态机        |
|      打印解析结果          |
+---------------------------+

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四、USB PD CC线电气连接细节深入剖析

1. CC线的基本结构和作用

USB Type-C插头内有两根CC线（CC1、CC2），只会有一根实际参与通信（取决于插头插入方向），另一根处于悬空或闲置状态。

• 这两根线由上下游设备两端分别接入上拉电阻 (Rp) 或 下拉电阻 (Rd)，以实现设备角色识别和电流能力协商。
• CC线上还承载数据通信信号：USB PD协议（BMC调制编码）通过CC线传输数据信息。

2. 电气连接状态定义

CC线电压状态	说明	设备角色判定
Open (<0.2V)	CC线上无连接，悬空或未匹配	无连接
Rd 电平 (约0.2~0.4V)	代表负载端（Sink）连接，带下拉电阻	表明该CC线连接到 Sink (受电设备)
Audio/Debug (约0.4~0.8V)	附加状态，兼容音频或调试附件模式	附加功能线模式
Rp 电平 (约0.8~1.6V)	表示源端（Source）连接，带上拉电阻	表明该CC线连接到 Source (上游设备)
Invalid (>1.8V)	电压异常或硬件故障	不应出现，可能需排查

> 注意：以上电压数值为参考范围，具体数值依芯片及方案设计略有不同。

3. 采样和比较实现（代码核心）

在代码usbpd_cc.c的detect_cc_voltage_level()实现中，电压检测通过硬件比较器测量：

• 设置比较门限（CC_CMP_22, CC_CMP_66, CC_CMP_123），分别对应约 0.2V、0.66V、1.23V（具体参照 MCU 数据手册或电路设计），依次判断是否超过门限。
• 分别读取各门限对应的PA_CC_AI输入位，判断电压是否高于对应阈值。
• 依据三档门槛位组合判定CC电平类型。

具体代码示意：

// 示例判断阈值后的电平判定逻辑
if (!above_20)
    result = CC_VOLTAGE_OPEN;
else if (above_20 && !above_66)
    result = CC_VOLTAGE_RD;
else if (above_66 && !above_123)
    result = CC_VOLTAGE_RP;
else if (above_20 && above_66 && above_123)
    result = CC_VOLTAGE_INVALID;
else
    result = CC_VOLTAGE_AUDIO;

4. 角色和电流能力判定

• Sink端接入Rd电阻（通常5.1kΩ、Rp定义的下拉），下拉电压水平被源端检测确认，指示Sink设备已连接。
• Source端通过上拉电阻Rp（可选档位标识电流等级如Default USB、1.5A、3.0A）输出相应电压。
• 通过CC线的电压水平，Source能检测Sink端Rd阻值大小，从而获取Sink最大承载电流能力。

这种电压与电阻匹配机制实现了USB Type-C的“角色识别”和“电流能力告知”，进一步配合USB PD协议协商电源参数。

5. CC线多路监听机制

• Type-C接口有两个CC线，物理方向确定后只有一根有效。
• 代码中通过读取两根CC线电压（usbpd_sink_check_cc_connect()）确定当前哪路CC线为有效连接。
• 定时器每500次调用切换检测到的CC线，实现双线监听和动态切换，保证无论插头正插还是反插都能抓包。

示例：

if (ccLine == USBPD_CC1) {
    // 使能CC1监听，关闭CC2监听
} else if (ccLine == USBPD_CC2) {
    // 使能CC2监听，关闭CC1监听
}

6. CC线电压检测与USB PD消息收发关系

• USB PD数据以BMC编码形式通过CC线发送，需要线路处于有效连接状态（Rp及Rd存在）保证信号质量。
• CC检测确认连接和角色后，USB PD硬件模块才会启动BMC调制解调进行消息收发。
• 抓包代码基于CC线检测驱动USBPD接收模块工作，实现有效协议消息捕获。

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五、补充说明：USB PD电气规范标准参考

• USB PD规范和Type-C规范对CC信号定义非常严格，如USB Type-C Spec和USB PD Spec中详细描述。
• CC线定义了默认电流电平（USB Default: 500mA，1.5A，3A等），并结合协商能力动态调整。
• 电气层匹配保证数字信号的完整性和协议可靠运行。

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总结

• usbpd_cc.c实现了基于GPIO和硬件比较器的CC线电压状态精确检测，结合电压阈值判定连接类型。
• 根据不同阈值组合区分Open、Sink(Rd）、Source(Rp），实现连接检测和上下游设备角色识别。
• usbpd_sniffer.c利用CC线检测结果动态切换抓包监听线路，并结合USB PD硬件外设和DMA中断实现协议数据包捕获与解析。
• 整体系统实现了物理连接监测->协议层抓包->协议状态机维护的完整USB PD通信监测体系。