【小才大用】AI8051U开发板+拓展板

本项目参加了基于Ai8051U开源创意电子设计大赛

作品获得开发板一等奖

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B站产品展示视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV1LMqnYUEh4/

20250106更新说明：

1. 简化LDO电路及元器件：将原AMS1117-3.3V修改为技术手册推荐的ME6211-3.3V。该版本的6211自带CE引脚，因此不需要再设计MCU停上电电路，同时该LDO外围元器件进一步减少。注意，优化后的LDO带载能力为500mA。
2. 优化PCB元件布置及走线：将所有元器件布置在顶层，简化焊接加工步骤；优化了晶振、电源及部分信号线走线，减少走线复杂度。
3. 新增【小才多智】AI8051U-QFP48开发板普通丝印版本。

一、项目介绍

本项目基于STC最新款车规级AI8051U芯片设计了两款开发板，一款是基于QFP48封装设计的开发板，富有艺术性且功能完善，小巧玲珑，小才多智；另一款是基于DIP40封装设计的拓展学习板，采用模块化设计理念，其灵活的插接方式可满足多样化开发需求，可堪大用。

开发板兼容DIP40封装，可以插接到拓展板上，从而将QFP48封装的多引脚功能优势和拓展板的拓展功能优势相结合。

1. 【小才多智】QFP48开发板介绍

20250106更新外观及引脚功能图：

• 设计灵感
  设计灵感来源于立创esp32s3、天空星等彩色丝印开发板。彩色丝印所散发着青春的气息给枯燥无聊的嵌入式开发历程带来了一丝趣味。

• 产品优势

1. 开发板体积小巧、便于携带，适合经常更换场景的开发环境；
2. 功能完善、烧录简单，最大程度还原AI8051U的引脚功能，展现QFP48多出引脚的优势；
3. 艺术性外观设计，功能模块分区及IO口辨识度高。

• 产品特点

1. 开发板长约70mm、宽约25mm，体积小巧精致；
2. 采用双层板设计，最大限度压缩体积、最大程度降低打板成本，方便复刻；
3. 引脚功能丰富、最大限度还原MCU引脚，几乎引出所有IO口；
4. 两组引脚功能分区设计：一组40个引脚兼容DIP40封装、可直接插接替代；一组16个引脚特定用于YART、SPI、QSPI等串口通讯；两组引脚物理相互独立互不干扰；
5. 支持两种烧录方式：手动烧录和使用AI8H2K12U全自动烧录；支持单线烧录和串口通讯；
6. 设计两组选配外部晶振：支持使用IRC时钟、外接低速32768晶振、外接高速24MHz晶振；
7. TYPEC主流型号接口，板载降压电路，MCU3.3V电压供电；
8. 板载轻量化交互电路，支持两个按键（手动烧录兼IO按键功能）、一个LED交互，无需外接设备即可进行点灯、按键、TIM等功能测试。

（选配不同晶振实物图）

2. 【可堪大用】DIP40拓展板介绍

（开发应用场景实物图）

• 设计理念
  采用模块化设计理念，所有功能模块全部以插接形式连接，通过更换不同外接模块可实现多样化的开发需求，完全体现其灵活拓展优势，为释放MCU的强大功能提供保障。

• 产品特点

1. 板载最小电路设计，支持AI8051U的DIP40封装直插使用（建议配合锁紧座子），支持两种烧录方式、设计两组选配外部晶振、TYPEC主流型号接口，板载降压电路，MCU3.3V电压供电；可以说涵盖几乎所有小开发板上的功能特性；
2. 板载独立供电电路，支持本项目开发的QFP48开发板直插使用；
3. 各类功能接口独立、分区引出，最大程度支持各类功能同时外接设备；
4. 模块化外设连接方式，支持海量外接模块直插使用，支持市面主流在售模块的直接插接；
5. 完善的开发配套案例，开源14个配套练习源码；
6. 灵活配色，可选彩色丝印加工制作。

• 支持拓展功能
  支持多达16组数字外设拓展，功能模块采用直插形式拓展连接

1. DIP40封装引脚全引出；
2. 板载2组按键模块：一组独立按键x2（IO驱动）、一组矩阵键盘x8（ADC驱动）；
3. 板载1组LED模块：一组LEDx2；
4. 拓展2组LCD直插模块：可外接4寸电容触摸屏模块（使用SPI和I2C协议），2.8寸LCD屏模块（SPI协议、板载GT30字库芯片）；
5. 拓展2组温湿度直插模块：可外接DHT20模块（I2C协议可兼用做I2C引出），DHT11模块（可兼用做USART引出）；
6. 拓展1组超声波测距直插模块：可外接SR-04模块
7. 拓展1组蜂鸣器直插模块：可外接有源/无源蜂鸣器模块（可兼用做USART引出）；
8. 拓展1组交互直插模块：直插十字电阻摇杆模块（ADC驱动），可替换为EC11编码器模块；
9. 共引出3组SPI：其中2组独立引出，可外接FLASH模块；
10. 共引出2组UART：其中1组独立引出；
11. 独立引出2组USART：其中1组用于LCD，另一组单独引出；
12. 引出1组I2C模块；
13. 引出1组I2S模块。

• 提供基础和实战源码
  源码已上传STC论坛：https://www.stcaimcu.com/forum.php?mod=viewthread&tid=12521&extra=

• 提供8个基础练习源码：包含IO点灯、按键点灯、计时器按键点灯、串口通讯、中断（计时器中断/串口中断/外部中断/IO中断）、ADC、计时器PWM呼吸灯、SPI点亮LCD屏幕；
• 提供5个实战练习源码：包含驱动DHT11温湿度传感器、ADC驱动十字摇杆、ADC驱动矩阵键盘、驱动SR04超声波测距、作为上位机通过PWM控制小夜灯以及通过串口通讯控制下位机播放MP3；
• 提供1个实战项目：使用开发板和拓展板编写一个体感操控的打砖块游戏项目，训练LCD驱动编写、计时器多任务处理、摇杆和测距仪操控、LED和蜂鸣器反馈的项目组织和综合调试能力。

二、AI8051U强在哪里？

1. 优化了QSPI的FLASH读写能力 ：可支持使用8080的8位并口触摸屏，手写的刷频率较高；可以用来驱动LED屏幕作为交互使用，同时对大容量视频的播放有了质的提升。
2. 新增的QSPI功能：即四线串行外设接口，是一种高速的、面向Flash存储器的串行接口标准。相比于传统的SPI，QSPI接口通过增加数据线的数量（从SPI的一条数据线增加到QSPI的四条数据线），实现了更高的数据传输速率和更大的吞吐量。这使得QSPI接口特别适合于需要高速访问大量数据的嵌入式系统。
3. 支持I2S录音放音功能 ：录音功能可通过ADC、低通滤波和运放实现；播放功能可通过芯片采样并处理后将数据存储并读取。
4. DMA能力大幅提升：在PWM/QPI/TFT LCD/方面加入了DMA支持，同时还支持P2P即外设到外设的数据传输，释放CPU算力（就好像老板雇了个工作能力超强的秘书）。
5. 可以进行硬件浮点乘除单元计算，用于制作频谱分析仪
6. 支持部署一些AI计算模型，比如手写计算器，也就是芯片名称AI的由来（硬件乘除，单精度浮点） 。

三、主要电路的硬件实现（原理图说明）

3.1 电源电路

• 要点解读

1. 使用16Pin TYPEC接口进行5V供电，AMS1117进行3.3V电压调理。
2. 当数据线为两端TYPEC时，需要CC1和CC2焊接5.1k下拉电阻，否则不识别数据线。

3.2 串口自动下载电路

• 要点解读

1. USB转串口电路选用了官方的AI8H2K12U芯片，市场售价0.99元/片，相比较CH340有极大成本优势；同时外围电路极其精简（D1可以省略），官方出厂时已烧录好串口程序。
2. 自动烧录电路配合串口芯片实现了对MCU的上下电。其大致逻辑为当芯片执行烧录程序时，PWR_ON拉低，A03401A的G极电平拉高，从而关断电源。
3. 这里预留TP1和TP2两个测试点用于手动烧录时上下电。

3.3 单片机最小电路

• 要点解读

1. AI8051U的单片机最小电路是我见过的所有MCU里面最简单的电路，小白即可上手，几乎通电就能跑；
2. 注意不同电压条件下的VCC、UCAP的电路有所不同。

3.4 外部晶振电路（选焊）

• 要点解读

1. MCU内置高速HRC时钟可满足串口通讯需求，一般不需要外部晶振。
2. 设计32.768MHz的外部低速晶振（因为MCU内部低速时钟误差较大）和24MHz高速晶振；
3. RTC时钟必须使用外部32768晶振，焊接电容C14和C15推荐20pF/15pF/10pF； 若外部连接24MHz的高速晶振，则外挂电容C14和C15焊接47pF为宜。

3.5 排针引出说明

• 要点解读

1. 在进行排针引出设计时考虑最大化利用IO口以及最大化互不占用的原则；
2. 板载的LED和按键使用的IO口尽可能选用功能最小的IO口；
3. 两个LCD屏幕共用一组SPI接口；
4. 温湿度、蜂鸣器、测距、摇杆等模块独立引出，正负电源引脚序号参照外接模块序列；
5. 除独立模块外，支持独立和兼用做引出的串口、UART、SPI、I2S、I2C；
6. 矩阵键盘模块采用ADC设计。

四、展望

4.1 写在后面

作为开发爱好者，此次活动首次接触到国芯最新款芯片AI8051U。虽然官网首页那朴实无华且炸裂的风格给了我不小的“阴影”，但随着接触这款芯片和这家公司的深入，它的服务、产品同样给了我类似官网那样的感受，即直白、细致且周到。

• 直白：没有过度包装和客套过场。与客服和技术支持的沟通是极为高效的，技术论坛的帖子知识密集度也是很高，同时芯片最小电路使用元器件极少且成本低廉，实用性很强。
• 细致：该企业所有芯片的技术手册是我读过的最为详细且易懂的，不仅包含使用说明而且提供了源代码案例，非常适合我这个初学者。
• 周到：活动群内的技术解答每天夜里十二点之前基本上秒回，并且技术手册根据群内讨论内容是每日更新完善的。

4.2 下一步开发计划

本项目是我初次接触这款芯片。随着学习的深入，对比官方的工具箱，我发现我设计制作的这个项目非常适合新手入门这款芯片（至少在这个活动时限内各种基础功能我都已上手，并且实现了基础功能和实战练习，以及完成一个小游戏项目开发）。但是，对于想要更深入学习、了解AI8051U的核心竞争力，对于释放其算力、将其更好应用于AI领域，是本项目硬件设备无法实现的。下一步计划在学习的基础上，初步完善开发板相应深度拓展功能，同时考虑在学习官方课程的基础上，使用这款芯片开发出更多项目（比如数字示波器）。

• 优化计划

1. 计划优化拓展一个板载QSPI接口，用于RAM、FLASH等通讯；
2. 计划优化出一个支持并口通讯的屏幕，以期实现DMA+FLASH+LCD的视频级刷屏效果；
3. 正在不断网购各种模块插接拓展板进行技术验证（已验证20余个）；
4. 进一步丰富完善基础练习、实战练习和项目练习的文档，并全开源代码。