小喵掌机硬件与底层协议

1. 总体架构

PC USB
  │
  │ USB CDC / 下载串口
  ▼
GD32F350G8
  ├─ USB 转 ESP32 UART0
  ├─ ESP32 自动下载 / 自动复位控制
  ├─ I2C 从机地址 0x40
  ├─ 控制双路电机驱动 HR8833 / DRV8833
  └─ 控制板载 LED1 / LED2

ESP32-WROVER-B
  ├─ SPI TFT 显示屏
  ├─ MicroSD 卡
  ├─ 6 个按键
  ├─ 蜂鸣器 PWM
  ├─ 光照 ADC
  ├─ 热敏 ADC
  ├─ I2C 主机
  │   ├─ GD32F350G8：0x40
  │   └─ MPU6050：0x68
  └─ 预留扩展 IO

核心关系：

ESP32 = 主控 / UI / Python 运行环境 / 屏幕 / SD / 按键 / 传感器
GD32  = USB 串口桥 / ESP32 自动烧录控制 / 电机与 LED 控制器
0x40  = GD32 的 I2C 从机地址

2. ESP32 引脚分配

2.1 TFT 显示屏

功能	ESP32 引脚
SPI SCK	GPIO18
SPI MOSI	GPIO23
SPI MISO	GPIO19
TFT DC	GPIO4
TFT CS	GPIO5
TFT RES / 相关复用	GPIO19

显示对象信息：

显示分辨率：160 × 128
SPI：SPI2
SPI 频率：40 MHz
SCK：GPIO18
MOSI：GPIO23
MISO：GPIO19
DC：GPIO4

屏幕底层通过 FrameBuffer 和 SCREEN 对象刷新。

2.2 MicroSD 卡

功能	ESP32 引脚
SPI SCK	GPIO18
SPI MOSI	GPIO23
SPI MISO	GPIO19
SD CS	GPIO22

TFT 与 MicroSD 共用 SPI2，通过不同 CS 分时使用。

2.3 按键

按键	ESP32 引脚
上	GPIO2
下	GPIO13
左	GPIO27
右	GPIO35
A	GPIO34
B	GPIO12

注意：

GPIO34、GPIO35 是输入专用脚。
GPIO12 是启动相关敏感脚。

2.4 ADC 传感器

功能	ESP32 引脚
光照传感器	GPIO36
热敏电阻	GPIO39

已确认：

sensor.getLight() = ADC(GPIO36).read()
sensor.getTemp()  = ADC(GPIO39) 后换算

2.5 蜂鸣器

功能	ESP32 引脚
无源蜂鸣器	GPIO14

底层对象：

PWM(14, freq=440, duty=0)

也就是：

GPIO14 → PWM → 无源蜂鸣器

2.6 I2C 总线

功能	ESP32 引脚
I2C SCL	GPIO15
I2C SDA	GPIO21

I2C 设备：

地址	设备
0x40	GD32F350G8
0x68	MPU6050

当前已确认：

GD32：0x40
MPU6050：0x68，未安装时不会出现在 scan 结果中

2.7 UART0

功能	ESP32 引脚
UART0 TX	GPIO1
UART0 RX	GPIO3

该 UART0 通过 GD32 转 USB 与电脑通信，用于 Python 终端、程序上传、ESP32 自动下载。

3. GD32F350G8 连接关系

GD32F350G8 在板上承担以下功能：

1. USB CDC 串口桥
2. ESP32 自动复位 / 自动下载控制
3. I2C 从机 0x40
4. LED1 / LED2 控制
5. 双路电机控制
6. HR8833 / DRV8833 控制信号输出

已知相关连接：

功能	连接对象
USB D+ / D-	USB 接口
UART 桥	ESP32 GPIO1 / GPIO3
自动下载控制	ESP32 IO0 / 复位相关线路
I2C	ESP32 GPIO15 / GPIO21
电机 PWM	HR8833 / DRV8833
LED 控制	LED1 / LED2
SWD	TMS / TCK / RST / GND 焊盘

4. I2C 地址与设备

4.1 I2C 总线

I2C 控制器：ESP32 I2C(0)
SCL：GPIO15
SDA：GPIO21
频率：100 kHz

4.2 地址表

I2C 地址	设备	说明
0x40	GD32F350G8	LED、电机控制
0x68	MPU6050	加速度计 / 陀螺仪

5. GD32 0x40 协议

5.1 LED 协议

GD32 的 LED 控制使用 I2C memory write 形式。

功能	I2C 地址	寄存器	数据
LED1 关闭	0x40	0xA0	0
LED1 打开	0x40	0xA0	1
LED2 关闭	0x40	0xA1	0
LED2 打开	0x40	0xA1	1

LED 对象内部状态：

LED1:
  reg = 0xA0

LED2:
  reg = 0xA1

5.2 电机协议概览

电机控制通过 I2C 向 0x40 写入一组 PWM 寄存器格式数据。

基本格式：

I2C 地址：0x40

数据格式：
[
  起始寄存器,
  通道A_ON_L,
  通道A_ON_H,
  通道A_OFF_L,
  通道A_OFF_H,
  通道B_ON_L,
  通道B_ON_H,
  通道B_OFF_L,
  通道B_OFF_H
]

每个电机占两个 PWM 通道：

一个通道控制一个方向输入。
另一个通道控制反方向输入。

方向逻辑：

方向 1：
  IN_A = PWM
  IN_B = 0

方向 0：
  IN_A = 0
  IN_B = PWM

5.3 电机编号与寄存器

电机编号	起始寄存器	占用通道
Motor 2	0x06	PWM 通道 0 / 1
Motor 1	0x0E	PWM 通道 2 / 3

5.4 速度映射

速度参数范围：

speed = 0 ~ 255

转换关系：

PWM_12bit = speed × 16
PWM_12bit = speed << 4

示例：

speed	PWM 十进制	PWM 十六进制	低字节	高字节
0	0	0x0000	0x00	0x00
1	16	0x0010	0x10	0x00
10	160	0x00A0	0xA0	0x00
50	800	0x0320	0x20	0x03
100	1600	0x0640	0x40	0x06
128	2048	0x0800	0x00	0x08
200	3200	0x0C80	0x80	0x0C
255	4080	0x0FF0	0xF0	0x0F

5.5 电机 1 数据格式

Motor 1，方向 1

[
  0x0E,
  0x00, 0x00, PWM_L, PWM_H,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00
]

Motor 1，方向 0

[
  0x0E,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, PWM_L, PWM_H
]

5.6 电机 2 数据格式

Motor 2，方向 1

[
  0x06,
  0x00, 0x00, PWM_L, PWM_H,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00
]

Motor 2，方向 0

[
  0x06,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, PWM_L, PWM_H
]

5.7 全部电机停止

全停命令：

I2C 地址：0x40
数据：[0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00]

6. MPU6050

6.1 总线连接

功能	ESP32 引脚
SCL	GPIO15
SDA	GPIO21

6.2 地址

MPU6050 I2C 地址：0x68

6.3 传感器对象内部字段

addr = 104 = 0x68
imuReady = True / False
imu = 14 字节缓存

6.4 数据类型

MPU6050 提供：

accX
accY
accZ
gyroX
gyroY
gyroZ
pitch
roll
gesture

7. SugarASR 扩展占用

sugar_asr.py 使用：

UART1
TX = GPIO21
RX = GPIO15
波特率 = 115200

这与板载 I2C 引脚重合：

GPIO21 = I2C SDA
GPIO15 = I2C SCL

因此：

使用 SugarASR 时，GPIO15 / GPIO21 会作为 UART1 使用。
使用 LED、电机、MPU6050 时，GPIO15 / GPIO21 会作为 I2C 使用。

8. 板载扩展 IO

板上预留扩展 IO：

ESP32 GPIO	类型	说明
GPIO33	GPIO / ADC	可作输入、输出、ADC
GPIO32	GPIO / ADC	可作输入、输出、ADC
GPIO26	GPIO / DAC / PWM	可作输出、PWM、DAC
GPIO25	GPIO / DAC / PWM	可作输出、PWM、DAC

推荐作为普通扩展口使用的 ESP32 引脚：

GPIO25
GPIO26
GPIO32
GPIO33

9. ESP32 引脚占用总表

GPIO	当前功能	备注
GPIO1	UART0 TX	经 GD32 转 USB 串口
GPIO2	上键	输入
GPIO3	UART0 RX	经 GD32 转 USB 串口
GPIO4	TFT DC	显示
GPIO5	TFT CS	显示
GPIO12	B 键	启动相关敏感脚
GPIO13	下键	输入
GPIO14	蜂鸣器	PWM
GPIO15	I2C SCL / SugarASR RX	与 GPIO21 成组复用
GPIO18	SPI SCK	TFT / SD 共用
GPIO19	SPI MISO / TFT 相关	TFT / SD 相关
GPIO21	I2C SDA / SugarASR TX	与 GPIO15 成组复用
GPIO22	SD CS	MicroSD
GPIO23	SPI MOSI	TFT / SD 共用
GPIO25	预留扩展	GPIO / DAC / PWM
GPIO26	预留扩展	GPIO / DAC / PWM
GPIO27	左键	输入
GPIO32	预留扩展	GPIO / ADC
GPIO33	预留扩展	GPIO / ADC
GPIO34	A 键	输入专用
GPIO35	右键	输入专用
GPIO36	光照 ADC	输入专用
GPIO39	热敏 ADC	输入专用

10. 开发用对象映射

Python 对象 / 模块	底层硬件
`screen`	FrameBuffer + TFT
`display`	160 × 128 TFT 显示封装
`tft`	底层 SCREEN 对象
`fb` / `fbuf`	FrameBuffer
`vspi`	SPI2，40 MHz
`i2c`	I2C0，SCL=15，SDA=21
`led1`	GD32 0x40，寄存器 0xA0
`led2`	GD32 0x40，寄存器 0xA1
`buzzer`	GPIO14 PWM
`sensor.adcLight`	GPIO36 ADC
`sensor.adcTemp`	GPIO39 ADC
`sensor.btns`	6 个 ESP32 GPIO 按键
`motor.Motor`	GD32 0x40 电机协议
`sugar_asr.SugarASR`	UART1，TX=21，RX=15

11. 开发时可直接使用的底层信息

11.1 I2C

I2C0:
  SCL = GPIO15
  SDA = GPIO21
  freq = 100000

设备：
  0x40 = GD32
  0x68 = MPU6050

11.2 LED

LED1:
  addr = 0x40
  reg  = 0xA0
  value 0 = off
  value 1 = on

LED2:
  addr = 0x40
  reg  = 0xA1
  value 0 = off
  value 1 = on

11.3 电机

Motor 1:
  起始寄存器 = 0x0E

Motor 2:
  起始寄存器 = 0x06

speed:
  0 ~ 255
  PWM = speed << 4

direction:
  1 = 第一方向通道 PWM，第二方向通道 0
  0 = 第一方向通道 0，第二方向通道 PWM

11.4 蜂鸣器

GPIO14
PWM 输出
无源蜂鸣器

11.5 光照 / 温度

光照：
  GPIO36
  ADC

热敏：
  GPIO39
  ADC

11.6 按键

up    = GPIO2
down  = GPIO13
left  = GPIO27
right = GPIO35
a     = GPIO34
b     = GPIO12

11.7 显示

分辨率：160 × 128
SPI：SPI2
SCK：GPIO18
MOSI：GPIO23
MISO：GPIO19
DC：GPIO4
CS：GPIO5

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