CheapLink-V1 超低成本的CMSIS-DAP调试器

项目简介

本项目是一个基于 CH32X033F8P6 主控的超低成本 DAP 调试器，集成了兼容 CMSIS-DAP 规范的调试器（SWD 接口）和一个 CDC 辅助串口。它体积小巧，DIY 成本低至6元。

项目功能

• 核心功能：作为硬件开发工具，用于 ARM Cortex-M 内核微控制器的程序下载和在线调试。

• 辅助功能：板载一个 CDC 虚拟串口，可用于接收调试日志，方便开发过程中的信息输出。

• 集成应用：可将此设计直接集成到您的目标开发板上，作为板载调试器使用，省去外接调试器的麻烦。

• 主要优点：

  • 成本低廉：制作成本极低，约6元人民币，一顿饭的钱甚至可以制作3-5个 （再也不怕烧了）。
  • 开源无版权风险：软硬件均开源，可自由 DIY 或集成在板卡上。
  • 免驱即插即用：在 Windows 10/11 下通过 WinUSB 自动免驱，无需安装额外驱动，即插即用。
  • PIOC加速的SWD传输：使用独立IO协处理器卸载SWD_Transfer工作负载，实现硬件加速提高传输速度。

• 已知限制：

  • 由于采用的MCU性能稍弱，相比 ST-Link、J-Link 等商业调试器，在烧录大容量（如256KB以上）固件时速度较慢。
  • 建议附带的串口仅用于接收调试日志，不推荐用于全双工高速通信场景。

项目参数

• 主控型号：CH32X033F8P6
• 供电参数：
  • 供电电压：5V (通过 USB Type-C)
  • 供电电流：最大 500mA
• 主机接口：
  • 物理接口：USB Type-C (上行口)
  • 接口速率：USB 2.0 Full Speed (12Mbps)
• 目标接口 (简易牛角座 2X5P 2.54mm)：
  • CMSIS-DAP 部分：
    • 接口类型：SWD (SWDIO, SWCLK)
    • 接口电平：3.3V
    • PC端驱动模式：WinUSB
    • 支持IDE：Keil MDK (V5.25或更高版本)、IAR、OpenOCD 等支持 CMSIS-DAP 的IDE或工具。
    • 接口保护：带 ESD 保护
  • 辅助串口部分：
    • 接口电平：3.3V
    • 波特率：800bps ~ 1Mbps
    • 数据位：8位
    • 校验位：无 / 奇 / 偶
    • 停止位：1 / 1.5 / 2
• 对外供电能力：3.3V，最大 500mA (带650mA限流保护)

关于RGB指示灯状态：

• 黄色慢闪：未与USB主机建立连接
• 黄色常亮：已建立USB连接，处于空闲状态
• 绿色常亮：DAP 连接状态 (CONNECT LED)，通常在下载烧录时亮起
• 蓝色常亮：DAP 运行状态 (RUNNING LED)，通常在目标 MCU 处于在线调试且运行时亮起
• 青色常亮：绿色与蓝色常亮的组合状态

probe-rs测速

测试在项目默认配置和 USE_PIOC_ACC=1 的条件下进行。因手边只有STM32G031G6的板子，故32768 bytes测速会失败。速度设置为114514kHz的目的是测试fast_clock时的最高速度（并不是真能跑到这个臭数）。使用示波器监视可看到时钟约4~5MHz，基本上是PIOC实现SWD_Transfer的上限。

原理解析（硬件说明）

本项目的设计核心是利用 WCH CH32X033F8P6 RISC-V 微控制器模拟实现 ARM 官方开源的 CMSIS-DAP 调试协议 （什么NTR） 。CMSIS-DAP 提供了一种标准化的方式，允许PC上的开发软件（如Keil）通过USB接口与目标ARM Cortex处理器的调试访问端口（DAP）进行通信，从而实现代码烧录和单步调试等功能。

本项目由以下部分组成：

• 主控部分：选用沁恒的 CH32X033 作为主控芯片，该芯片成本低廉且性能足以满足DAP调试器的基本功能需求。
• 电源部分：采用主流的 USB Type-C 接口供电，板载 Buck DC-DC 将 5V 电压转换为 3.3V，为主控芯片和对外接口供电。
• 接口部分：通过主控的 GPIO 口模拟 SWD 时序（SWDIO 和 SWCLK），实现与目标 MCU 的通信。同时，利用主控自带的 USBFS 功能，在 PC 端产生一个调试设备和一个 CDC 串口设备。为了增强可靠性，SWD 接口设计了 ESD 防护电路，电源输出部分增加了负载开关进行限流保护。

图1--正面介绍

图2--反面介绍

软件代码

固件基于 MPL-2.0 协议开源（但注意其中其它许可证或版权标识的文件非MPL-2.0），可从附件或以下链接获取。
https://github.com/WuxiProject-official/CheapLink_X033
由于编辑工程会导致审核期间不可见，因此V1.0c固件之后不再更新附件中的固件二进制文件。建议直接转到GitHub Release获取最新固件：
https://github.com/WuxiProject-official/CheapLink_X033/releases/latest

注意事项

• 二次售卖：本硬件设计不允许二次售卖。
• 焊接顺序：建议先焊接除简易牛角座外的所有贴片元件，待固件烧录测试正常后，再焊接牛角座，因其不耐热且容易焊歪。（不过也有同学用杜邦线比较多，牛角座也可以替换成2.54mm间距的2X5P双排排针，比牛角座方便。）
• 焊接Type-C接口时需仔细检查，防止引脚连锡。
• 固件烧录：本模块是硬件和软件的结合，必须烧录固件才能使用。可使用 WCHISPStudio 或项目附件中提供的 EasyISPX033 工具进行烧录。
  • 首次烧录：CH32X033此时默认进入ISP模式，直接将设备插入电脑（确保烧录工具勾选了“连接时下载”选项），即可自动下载。
  • 非首次烧录/芯片非空：若芯片内已有程序，需先用镊子短接 PCB 背面的 "ISP" 跳线盘，然后将设备插入电脑（确保烧录工具勾选了“连接时下载”选项），下载开始后即可松开镊子。
• 元件选型：BOM清单中的部分元件可替换为功能相同的其他型号，具体请参考附件中的 "BOM参考报价与说明"。USB接口（位号USB1）对应的立创编号为 C2906290。
• 焊接辅助：PCB 没有丝印位号，焊接时请使用电脑浏览器打开附件中的 iBom 交互式BOM文件进行对照。
• 跳线说明：PCB 背面的 JP2/JP3 跳线为测试使用，仅在使用V1.1a及之后版本固件且开启了USE_PIOC_ACC=1硬件加速配置时短接。若使用更早版本的固件，或未开启USE_PIOC_ACC=1硬件加速，请不要短接。
  该跳线的实质是将PC18短接到PA7、将PC19短接到PA5，用于PIOC输出SWD信号。
• 关于输出电平：默认3.3V。若将DC-DC输入与输出短接使MCU变为5V供电，则输出电平为5V。
  • 注意：GitHub Release上V1.0b版本及更新的固件才可兼容5V电平。附件中的固件可能不是最新版本。
  • 注意：默认的ESD管型号TPD4E02B04DQAR为3.3V适用，若使用5V电平请拆除或换为TPD4E05U06DQAR、RCLAMP0524P等5V适用型号。

组装流程

1. 去JLC打板子，推荐1.6板厚（方便卡牛角座）。
2. 去随便什么地方买齐元件。
3. 焊接元件，推荐的焊接顺序为：
   1. Type-C
   2. MT3420B、TPD4E02B04DQAR（ESD管）、MT9700
   3. CH32X033F8P6
   4. 所有阻容感
   5. LED
   6. 牛角座
4. 如果烧录V1.1a或更新版本启用了PIOC加速的固件，将JP2、JP3短接。若启用了PIOC加速的固件检测到未短接跳线，会上电后红灯点亮两秒。
5. 烧录固件。
6. Keil，启动！

实物图

声明：本工程描述部分使用AIGC，可能存在错误或不当描述，如对其中描述存疑欢迎指正。