Type-C SWD VCP USB 一线通 ST-LINK/V2-1

省流

摘要

本文提出了一种基于 Type-C 接口调试配件（Debug Accessory）模式的 ST-LINK/V2-1 接线方案，实现了一次连接同时支持 SWD 调试、VCP 虚拟串口和下行 USB 三种调试功能，而且支持正反插，便利性较传统的连接方式有显著提升。为了验证方案的可行性，还基于 STM32F103CBT6 和 CH334F 方案设计设计了一款 PCB，验证了方案的可行性。设计的 PCB 除了具备提出的一线通 Type-C 公头，还提供了支持供电的 ST-LINK/V3 Minie 的 STDC-14 小体积标准调试接口，并实现了下行供电的过流和倒灌保护，具备实用价值。最后，本文还提供了详细的原理图、PCB 设计和 BOM 表，方便读者参考。

引言

自行设计单片机最小系统时，调试接口的设计能明显地影响 PCB 的布局和调试的便利性。常见的基于排针、测试点等的调试接口设计存在以下问题：

体积大，占用 PCB 空间
需要专用的排线或者探头才能连接到调试接口
接口引脚顺序不统一，反复对照引脚定义连接杜邦线费时费力，容易接错
调试器提供的 5V 或 3V3 供电没有足够的保护措施，可能导致开发板倒灌电脑 USB 接口
调试接口被封闭在开发板内部，需要在外壳上增加额外的开孔

而像 STM32 官方 Discovery 系列开发板采用的将 ST-LINK 集成到开发板上的设计，虽然改善了连接电脑的便利性，但若需要同时使用 MCU 的 USB 功能，还需要额外的 USB 线连接到开发板上；另外，板载 ST-LINK 的设计也显著增大了开发板的面积和成本。

本文提出的方案能复用开发板上的 Type-C 接口，无需任何额外的面积和元器件，即可实现一次连接进行 SWD 调试、VCP 虚拟串口，并连接下行 USB。被调试 MCU 侧只需要一个常见的、廉价的 12/16Pin Type-C 接口，就可以实现同时使用 SWD 调试和 USB 功能，且支持正反插。如果开发板不需要 USB 功能，则也可以将 USB 数据线复用为 VCP 虚拟串口，调试器能自动识别 USB 复用为 VCP 的状态。如果开发板使用了 24Pin Type-C 接口，则可以同时进行 SWD 调试、VCP 虚拟串口和 USB 功能。针对 24Pin 接口，调试器侧的布线进行了优化，降低了开发板侧的布线扇出难度。

值得注意的是，基于 Type-C 规范定义的调试配件（Debug Accessory）模式，开发板侧的 Type-C 调试口也可用作普通的 USB 数据接口，且开发板可以检测调试接口上连接的是调试器还是普通的 USB 线缆，从而允许派生出更多的应用场景。

方法

Rp，Rd 和 Ra

Type-C 规范要求受电端（Sink）在 CC1 和 CC2 上各接入 5.1kR 的下拉电阻，称为 Rd；供电端在 CC1 和 CC2 接入一定阻值的上拉电阻或电流源 Rp，以将 CC 线上的电压上拉到一定值，CC 线上的不同电平指示连接建立初期，受电端允许吸入的最大电流。由于正确的 C-C 连接线只允许连接一侧的 CC 引脚，另一侧 CC 引脚要么开路，要么存在 1kR 的下拉电阻 Ra 用于开启 VCONN 供电。于是根据两条 CC 线上 Rp，Rd，Ra 的连接状态，可以区分连接设备的类型和插入方向。

CC1	CC2	状态
Rp Rd 未连接	Rp Rd 未连接	未连接
Rp Rd 未连接	Rp-Rd 0.25V-2.04V	使用普通线缆接入设备
Rp-Rd 0.25V-2.04V	Rp Rd 未连接	使用普通线缆接入设备
Rp-Ra -0.25V-0.15V	Rp-Rd 0.25V-2.04V	使用 E-Marker 线缆接入设备，CC1 是 VCONN
Rp-Rd 0.25V-2.04V	Rp-Ra -0.25V-0.15V	使用 E-Marker 线缆接入设备，CC2 是 VCONN
Rp-Rd 0.25V-2.04V	Rp-Rd 0.25V-2.04V	调试配件模式 (Debug Accessory Mode)
Rp-Ra -0.25V-0.15V	Rp-Ra -0.25V-0.15V	音频配件模式

Rp-Rd 连接的不同电压还能区分供电能力。于是 Type-C 接口在无需传递 PD 报文的情况下就能区分多种连接设备的类型和插入方向，为调试配件模式提供了可能。由上表发现由于普通 Type-C 连接器公口一侧只有一个 CC 引脚，故调试配件模式需要使用特制的公口直接连接到母口。开发板侧母口通过检测两侧 CC 引脚是否同时具有 vRd-Connect 电压是否存在调试配件的连接，从而控制 Mux 改变接线。（在只使用 USB 2.0 的情况下，本文的方案不需要进行检测，可直接连线）。

规范的 Type-C 调试配件模式在不进行插入方向检测的情况下，允许将 2, 3, 6, 7, 8, 10, 11 共 7 个引脚用于传输自定义的调试信号。然而，这要求连接器同时具有 24Pin 的 Type-C 接口，且开发板侧的布线难度较大。简易的 16Pin Type-C 接口只能使用 6, 7, 8 三个引脚，若保留 USB 功能，且不在开发板侧增加额外的元器件，实际上只有 8 号引脚（SBU 引脚）可用。于是不得不实现插入方向检测，以便在 A8 和 B8 上分别传输 SWDIO 和 SWCLK 信号。

Type-C 插入方向检测和线序翻转通常在母口侧进行，但为了不在母口增加元器件，本文将插入方向检测和线序翻转放在公口侧进行。Type-C 规范给 Rd 电阻提供了很大的容差范围，通过在母口两侧使用略有差别的 Rd 电阻，公口侧使用相同的 Rp 电阻，则可用比较器比较两条 CC 线上的电压，从而判断母口的插入方向，进而使用模拟开关交换 SWDIO 和 SWCLK 信号的线序，不需要对调试器的固件进行修改。开发板侧的两个 SBU 引脚可直连 MCU，不需要额外的元器件。

以上设计可以实现在 16Pin Type-C 口上同时使用 SWD 调试和 USB 功能。对于不支持、不需要 USB 功能的开发板，是否可以将 USB 数据线复用为 USART 串口呢？可以实现这样的设计。由于 USB D+ D- 和 USART 的电平比较复杂，所以通过比较器检测 CC1 的分压电阻来切换模拟开关，实现 USB 和 VCP 的复用。对于 24Pin 完整的母口，则在两侧的高速信号上引出 VCP 和剩余的调试信号。额外信号调试器公头侧做了双面布线，因此开发板母口侧只需要单面连接，降低了开发板侧的布线难度。

USB 部分内置了小封装 CH334 Hub 实现上位机一线同时连接调试器和开发板。STDC-14 调试接口利用未定义引脚增加了 5V 供电并受到 TPS2553 芯片保护，防止过流和倒灌，USB 公头旁的红色 LED 指示供电故障。设计的过流保护电流为 1.5A，基本满足多数需求，可自行调整。（注：正版 ST-LINK/V2-1 固件具有使用 GPIO 引脚控制负载开关的功能，在 USB 握手初期可限制电流到 100mA 以满足 USB 规范。实际上几乎所有的 USB 接口都没有严格执行 100mA 的限制，所以这个功能在本文的设计中没有实现。）

实验和讨论

已验证此调试器可刷入 ST-LINK/V2-1 固件并正常工作，支持正反插。DAPLink 固件可以刷入并被上位机 PyOCD 识别，暂未测试 SWD 调试功能。已验证短路保护和倒灌保护功能，供电故障时 LED 亮起。下面是注意事项：

CH334 免晶振功能： 本设计为了节约 PCB 空间，需要使用 CH334 的内部晶振。尽管根据沁恒论坛上的答复 1 2，目前最新的 CH334 除了 CH334S 封装均支持免晶振功能，但是截至 2024 年 9 月立创贴片的 CH334F 不能免晶振，无法正常工作。2024 年 8 月这家淘宝店的 CH334F 是可以免晶振的。本设计有 CH334F 和 CH334P 两个版本，建议向卖家确认是否支持免晶振功能。
STM32 容量: 请使用 128kB 容量的 STM32F103CBT6，否则无法刷入 ST-LINK/V2-1 固件。其余国产替代芯片理论上可行，但未测试。
固件刷入方式： 本调试器自身的 SWD 调试接口也使用一线通方案引出到上位机 Type-C 母座上。制作第一个调试器时，可以购买一个 Type-C 公母头测试板，在调试器母座侧使用测试板连接电脑，再使用一个普通 ST-LINK 刷入固件。
1. 接线需要先接通地线，再使用万用表电压档测量测试板上 A5，A8，B5，B8 四个引脚的电压，具有 3.3V 电压的引脚是 SWDIO，SWDIO 对角的引脚是 SWCLK。测试板另一头可直接连接电脑 USB 接口。接线如下图所示:
  使用 Type-C 测试板烧录固件
2. 下载安装打开 STM32CubeProgrammer。点击右上角 Connect 连接调试器，成功连接后左下角显示目标芯片信息。
  点击连接
  
  连接成功
3. 烧录广为流传的 STLinkV2.J28.M18.bin 版本固件。
4. 注意这个版本的固件不能正常使用，还需进行一次固件升级。点击 Disconnect 断开连接，移除测试板和另一个调试器，只连接本调试器。
5. 调试器插上电脑后，不点击其他按钮，直接点击 Firmware Upgrade 按钮
6. 点击按钮升级固件后即可正常使用。
7. 成功烧录一个调试器后，可以使用这个调试器的公口对插下一个调试器进行烧录，无需再次使用测试板。
DAPLink 这块板有 USB 重枚举电路，需要使用兼容 ST-LINK/V2-1 的 DAPLink 固件，如 DAP103
板厚和叠层 0.8 板厚 4 层板，JLC04161H-3313 叠层（可使用 1-4 层沉金免费券）
Type-C DRP 调试器只能做 Source，不能做 Sink。目标开发板侧如果不使用 PD 协议芯片，或者 PD 协议芯片需要外置下拉电阻，可直接按本文设计放置 Rd 电阻。若 PD 芯片内置 Rd 电阻，可能可以通过在一侧 CC 上并联一个下拉电阻来实现方向检测，未经验证。