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# 母乳杯（MotherCup）制冷杯硬件电路设计
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> 基于国民技术 N32WB031（QFN32）BLE SoC，参考 `nations-tec/N32WB031_STB_V1.3` 开发板原理图
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> 及《N32WB03x 系列芯片硬件设计指南 V1.4》《N32WB03X 系列用户手册 V1.5》。
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> 固件侧对齐 `mcm-ddc-ble`（USART1=PB6/PB7，BLE 低时钟用内部 LSI，**不使用外部 32.768K 晶振**）。
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## 1. 需求 → 方案映射
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| # | 需求 | 实现方案 |
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|---|---|---|
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| 1 | 电源充电可控 | Type-C 5V → 高边 P-MOSFET 开关（GPIO 控制）→ TP4056 充电 → 锂电池；GPIO 可关断充电 |
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| 2 | 采样制冷片温度 | 10K NTC(B3950) + 10K 分压 → PB8（ADC 直接检测 0~3.6V） |
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| 3 | 制冷片 PWM 控制 | PB4 = TIM3_CH1 → N-MOSFET（低边）开关 TEC，PWM 调占空比 |
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| 4 | 留出 UART | PB6(USART1_TX)/PB7(USART1_RX)，4 针排针引出（3V3/TX/RX/GND） |
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| 5 | 进入 Download 模式 IO | PB3 作 BOOT 拉低按键（复位时按住 → 引导程序进 download 模式） |
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| 6 | SWD 口 | PA4(SWDCLK，10K 下拉)/PA5(SWDIO，10K 上拉)，4 针排针引出 |
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| 7 | 三个 7 段数码管（IO 控制） | 3 位共阴数码管，8 段 + 3 位选 = 11 个 IO 直接动态扫描驱动 |
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## 2. 系统框图
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┌─────────────────────────────────────────────────┐
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USB Type-C(5V,VBUS) ──┤ D1(SS34) ────────────── VSYS(≈4.7V) │
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│ │ │ │
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│ └─ Q2 P-MOS ─ TP4056 ── BAT+ (锂电 3.7V) │
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│ ↑gate │ │
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│ CHG_EN(PB0)→Q3 N-MOS 控制 D2(SS34)──┘ │
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│ │ │
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│ ┌───────────────┴─────┐ │
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│ │ VSYS ── LDO3.3V ── VCC_3V3 (MCU/外设) │
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│ │ VSYS ── TEC+ ──[TEC]── TEC- ── Q1 NMOS ─ GND │
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│ │ ↑gate=TEC_PWM(PB4) │
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└────────────────────────┴──────────────────────────────────────────┘
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N32WB031:
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PA0/PA1 ── 32MHz 晶振(XO32MM/XO32MP)
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PA4/PA5 ── SWD
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PB6/PB7 ── USART1 TX/RX
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PB8 ── NTC 温度采样(ADC)
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PB4 ── TEC PWM(TIM3_CH1)
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PB0 ── CHG_EN(充电使能)
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PB3 ── BOOT 下载模式按键
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PA2/PA3/PA6/PB1/PB2/PB5/PA0/PA1 ── 8 条段选 SEG_A..DP
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PB9/PB10/PB11 ── 3 条位选 DIG1..3
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## 3. N32WB031 引脚分配（关键）
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> 芯片引脚号见 STB 原理图 QFN32 封装（33 个焊盘，含底部 GND 大焊盘）。
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### 3.1 固定/系统引脚
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| 引脚 | 名称 | 电路连接 |
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|---|---|---|
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| 29 | XO32MM_OUT | 32MHz 晶振 Y2（8pF，±10ppm），C15=10pF |
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| 30 | XO32MP_IN | 32MHz 晶振 Y2，C16=12pF |
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| 22 | VCC | 3.3V；C13=1uF + C5=0.1uF（近脚）+ C4=10uF |
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| 28 | VCCRF | 直连 VCC（R3 去掉）；C9=1uF |
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| 8 | VDD_FLASH | 仅退耦，不外接电源；C1=2.2uF + C2=0.1uF |
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| 24 | VDCDC | C6=1uF；与 23(SWITCH) 间串 L3=4.7uH 功率电感 |
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| 23 | SWITCH | 经 L3(4.7uH) 接 VDCDC（DCDC 供电模式） |
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| 27 | VDCDCRF | 直连 VDCDC；C38=1uF |
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| 26 | VDD_PA | RF 偏置；L1=1.6nH + C18=1uF + C10=47pF |
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| 25 | RFIOP | 天线匹配：C12=1.2pF/C8=1.2pF/L2=1nH/C14=10pF + ANT |
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| 33 | VSS | 底部大焊盘，9 过孔接地 |
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| 3 | RESET | 10K 上拉到 3.3V + 100nF 到 GND + 复位按键 |
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### 3.2 功能引脚分配
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| 引脚 | 功能 | 方向 | 复用/说明 |
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|---|---|---|---|
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| PA4 (5) | SWDCLK | — | **10K 下拉**（硬件指南要求） |
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| PA5 (6) | SWDIO | — | **10K 上拉**（硬件指南要求） |
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| PB6 (16) | USART1_TX | 输出 | AF4 |
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| PB7 (17) | USART1_RX | 输入 | AF4 |
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| PB8 (9) | NTC_ADC（制冷片温度） | 模拟输入 | ADC 直接检测，0~3.6V，360KΩ |
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| PB4 (14) | TEC_PWM | 输出 | TIM3_CH1（AF2），接 N-MOSFET 栅极 |
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| PB0 (4) | CHG_EN（充电使能） | 输出 | 高=充电使能，经 Q3 控制 Q2 P-MOS 栅极 |
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| PB3 (13) | BOOT_DL（下载模式按键） | 输入 | 按键到 GND，10K 上拉；复位时按住=进 download |
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| PA2 (1) | SEG_A | 输出 | 数码管段 A |
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| PA3 (2) | SEG_B | 输出 | 数码管段 B |
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| PA6 (7) | SEG_C | 输出 | 数码管段 C |
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| PB1 (11) | SEG_D | 输出 | 数码管段 D |
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| PB2 (12) | SEG_E | 输出 | 数码管段 E |
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| PB5 (15) | SEG_F | 输出 | 数码管段 F |
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| PA0 (31) | SEG_G | 输出 | 数码管段 G |
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| PA1 (32) | SEG_DP | 输出 | 小数点 DP |
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| PB9 (10) | DIG1（位选 1） | 输出 | 经 NPN 驱动数码管第 1 位阴极 |
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| PB10 (18) | DIG2（位选 2） | 输出 | 经 NPN 驱动数码管第 2 位阴极 |
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| PB11 (20) | DIG3（位选 3） | 输出 | 经 NPN 驱动数码管第 3 位阴极 |
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| PB12 (19) | 备用 | — | 预留（可作充电状态 LED / 蜂鸣器） |
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| PB13 (21) | 备用 | — | 预留 |
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> 引脚占用：外设共 15 个 IO + SWD/UART 4 个 = 19；芯片 GPIO 共 21（PA0~PA6 7 个 + PB0~PB13 14 个），
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> 剩余 PB12、PB13 两个 IO 备用。PA0/PA1 为独立 GPIO（32MHz 晶振在专用 29/30 脚），可放心作段选。
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## 4. 各功能模块电路
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### 4.1 电源输入 + 充电（电源充电可控）
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VBUS(5V) ──┬── D1(SS34) ────────────► VSYS
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│
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└── Q2(AO3401 P-MOS) 源极
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│漏极
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├── TP4056 VCC(4) ──┬─ BAT(5) ──► BAT+ (锂电 3.7V)
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│ ├─ PROG(2) ── Rprog=1.2K → GND (≈1A 充电电流)
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│ ├─ TEMP(1) ── GND (不使用温度检测)
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│ ├─ CHRG(7) ── LED_RED (充电指示，可选)
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│ ├─ STDBY(6)── LED_GREEN(充满指示，可选)
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│ └─ CE(8) ── GND (常使能，使能由 Q2 控制)
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│
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Q2 栅极 ──┬── R_pu 10K → VBUS
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└── Q3(2N7002 N-MOS) 漏极
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│栅极 ← Rg 10K ← CHG_EN(PB0)
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│源极 → GND
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BAT+ ── D2(SS34) ─────────────► VSYS (电池供电通路，与 VBUS 二选一/自动切换)
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VSYS ── C_bulk 100uF + C 100nF → GND
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VSYS ── U_LDO(ME6211C33) ──► VCC_3V3 ── C 1uF + C 100nF → GND
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```
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要点：
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- **充电可控**：`CHG_EN` 高电平 → Q3 导通 → Q2(P-MOS) 栅极拉低 → Q2 导通 → 充电开启；
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低电平 → Q2 关断 → 切断充电（可在大电流制冷时关断充电，保护弱 USB 电源）。
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- **D1/D2 肖特基 OR-ing**：插 USB 时系统走 5V（≈4.7V），拔掉后自动切到电池（≈3.4V），无切换死区。
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- TP4056 为 1A 线性锂电充电器；充电电流 `I = 1000 / Rprog`，Rprog=1.2K ≈ 0.83A（保守，避免与 TEC 抢电）。
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- VCC_3V3 用低压差 LDO（ME6211C33，dropout≈40mV@100mA）；电池低压到 3.2V 时 MCU 仍可工作（N32WB031 VCC 1.8~3.6V）。
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### 4.2 制冷片 TEC PWM 控制
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VSYS ── C1 100uF ── GND
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VSYS ──┬─────────────► TEC+ (制冷片正极)
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│
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└── D_fw(SS34) 阴极
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│阳极 ─────────► TEC- (制冷片负极)
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TEC- ──┬── Q1(AO3400/IRLML6344 N-MOS) 漏极
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│ │栅极 ← Rg 22Ω ← TEC_PWM(PB4)
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│ │栅极 ── R_pd 10K → GND
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│ │源极 → GND
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└── C2 100uF(可选，平滑 PWM) ── GND
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```
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要点：
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- **低边 N-MOS 开关**：PB4 输出 PWM（TIM3_CH1），占空比 0~100% 调节制冷功率。
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- Q1 需耐压≥20V、导通电阻低、栅极阈值≤2V（3.3V 逻辑直接驱动）。AO3400/IRLML6244/SI2300 均可，按 TEC 峰值电流（1~3A）选型。
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- **D_fw 续流肖特基**（SS34）跨 TEC，泄放导线/接线电感反峰，保护 MOS。
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- C2（100uF）可选：平滑 PWM 纹波、降低 TEC 热冲击（推荐加，PWM 频率 10~50kHz）。
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- 若需更平滑直流（延长 TEC 寿命），可在 Q1 与 TEC 间串 10~22uH 电感 + 大电容做 LC 滤波，代价是体积。
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### 4.3 制冷片温度采样（NTC）
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VCC_3V3 ── R_ref 10K(1%) ──┬──► PB8(NTC_ADC)
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│
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NTC 10K B3950
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│
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GND
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PB8 ── C_filt 100nF ── GND (抗噪)
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```
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要点：
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- 分压点电压 `V = 3.3 × R_NTC / (R_ref + R_NTC)`。10K/10K 在 25℃ 时为 1.65V，全温区落在 0~3.6V，配合 PB8 直接检测（输入阻抗 360KΩ，分压源内阻 ~5KΩ，无精度损失）。
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- NTC 推荐 **10K B3950**（如 NCP18XH103F03RB / 常规 10K 3950 玻璃封装，贴制冷片铝板或冷面）。
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- 固件用查表（Steinhart-Hart 或 B 值公式）换算温度；`app_info.c` 现有内部温度/电压 ADC 逻辑可复用，新增 PB8 单端采样通道。
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### 4.4 三数码管显示（IO 直接动态扫描）
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8 条段选（MCU 输出，各串 330Ω 限流）：
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SEG_A(PA2) ── 330Ω ── DS1/DS2/DS3 的 A 阳极并联
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SEG_B(PA3) ── 330Ω ── ... B
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SEG_C(PA6) ── 330Ω ── ... C
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SEG_D(PB1) ── 330Ω ── ... D
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SEG_E(PB2) ── 330Ω ── ... E
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SEG_F(PB5) ── 330Ω ── ... F
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SEG_G(PA0) ── 330Ω ── ... G
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SEG_DP(PA1)── 330Ω ── ... DP
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3 条位选（MCU 输出 → NPN 基极 → 共阴阴极到地）：
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DIG1(PB9) ── 1K ── Q_d1(MMBT3904) 基极，集电极→DS1 公共阴极，发射极→GND
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DIG2(PB10)── 1K ── Q_d2 ... → DS2 公共阴极
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DIG3(PB11)── 1K ── Q_d3 ... → DS3 公共阴极
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```
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要点：
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- **共阴数码管**（3 位，如 0.36/0.56 英寸红色共阴）。段选由 MCU 直接拉高（每段 ~4mA），位选经 NPN（MMBT3904）灌电流（最多 8 段×4mA≈32mA，NPN 足够）。
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- 动态扫描：每位点亮 1/3 周期（如 2~3ms），三位轮询，刷新率 ≥100Hz 无闪烁。
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- 显示内容例：温度 `37.5`（第 2 位点 DP），或 `25`℃。段码表由固件按 `SEG_A..DP` 位序生成。
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- 若希望少占 IO，可改用 74HC595（3 线）或 TM1650（2 线 I2C）驱动，但用户要求「IO 管脚控制」，本方案用 11 个 IO 直驱。
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### 4.5 UART / SWD / Download 模式接口
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- **UART（4P 排针）**：`3V3 | PB6_TX | PB7_RX | GND`，460800 8N1（与固件一致）。外部用 3.3V TTL USB-UART 小板。
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- **SWD（4P 排针）**：`3V3 | PA4_SWDCLK | PA5_SWDIO | GND`；板上 PA4 加 10K 下拉、PA5 加 10K 上拉。
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- **Download 模式（按键）**：`PB3` 串 10K 上拉到 3.3V，按键一端接 PB3、另一端接 GND。
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- 复位/上电时按住该键（PB3=低），Bootloader 检测后进入 download 模式（UART 升级）。
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- **需固件配合**：`Boot/src` 引导代码增加「复位后读 PB3，低电平则进入 download」分支（当前 Boot V1.01.00 仅靠 USART1 2s 回车窗口 / 无有效镜像进入，需补这一条 GPIO 判定）。
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## 5. BOM（关键器件）
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| 位号 | 器件 | 参数/型号 | 封装 | 数量 |
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|---|---|---|---|---|
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| U1 | N32WB031 | BLE SoC | QFN32 | 1 |
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| U2 | TP4056 | 1A 锂电充电 IC | SOP8/ESOP8 | 1 |
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| U3 | ME6211C33 | 3.3V 低压差 LDO | SOT23-5 | 1 |
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| Y2 | 32MHz 晶振 | 8pF, ±10ppm | 1612(4P) | 1 |
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| L3 | 4.7uH 功率电感 | RDC≤250mΩ, 800mA | 0805 | 1 |
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| L1 | 1.6nH 高频电感 | SDCL1005C1N6STDF | 0402 | 1 |
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| L2 | 1nH 高频电感 | RF 匹配 | 0402 | 1 |
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| Q1 | N-MOS | 制冷片开关 AO3400/IRLML6244 | SOT23 | 1 |
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| Q2 | P-MOS | 充电开关 AO3401 | SOT23 | 1 |
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| Q3 | N-MOS | 充电开关驱动 2N7002 | SOT23 | 1 |
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| Q_d1..3 | NPN | 位选驱动 MMBT3904 | SOT23 | 3 |
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| D1,D2,D_fw | 肖特基 | SS34(3A/40V) | SMA | 3 |
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| NTC | NTC 热敏 | 10K B3950 1% | 0603/玻璃 | 1 |
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| R_ref | 电阻 | 10K 1% | 0402 | 1 |
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| Rprog | 电阻 | 1.2K 1% | 0402 | 1 |
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| 段限流 | 电阻 | 330Ω | 0402 | 8 |
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| 位选基极 | 电阻 | 1K | 0402 | 3 |
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| 栅极/上拉 | 电阻 | 10K / 22Ω / 1K 若干 | 0402 | ~10 |
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| DS1..3 | 数码管 | 3 位共阴红色 | 0.36/0.56" | 1(3位) |
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| J | 排针 | 2×4P UART+SWD、电池、TEC、NTC | 2.54mm | 若干 |
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| 电容 | 退耦/滤波 | 见下表 | 0402/0603/0805 | 若干 |
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退耦电容（按硬件指南最小系统）：1uF×4、0.1uF×12、2.2uF×1、4.7uF×1、10uF×5、10pF×2、12pF×2、47pF×1；另加电源 100uF 电解×1、100nF×若干。
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## 6. 固件兼容性说明（重要）
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| 项 | 现状 | 需要的改动 |
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|---|---|---|
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| UART | 已是 PB6/PB7 (AF4) | 无 |
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| SWD | PA4/PA5 | 无（注意 PA4 下拉/PA5 上拉硬件接法） |
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| 32.768K 晶振 | 固件用内部 LSI，未用 LSE | **本设计不焊 32.768K 晶振**，PB8/PB9 复用为 ADC/位选 |
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| 制冷片温度 | 固件现用内部温度/电压 ADC | 新增 PB8 单端 NTC 采样 + 查表换算（`app_info.c` 扩展） |
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| TEC PWM | 无 | 新增 TIM3_CH1(PB4) PWM 输出 + 占空比控制命令（`appset` 增项） |
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| 充电使能 | 无 | 新增 PB0 GPIO 输出控制 CHG_EN |
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| 下载模式按键 | Boot 仅 USART 窗口/无镜像进入 | `Boot/src` 增 PB3 读引脚判定进入 download |
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| 数码管 | 无 | 新增定时器中断动态扫描 + 段码表（或复用 LED 任务） |
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## 7. PCB Layout 要点（摘自硬件指南 V1.4）
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- **RFIOP(25)**：走线短而直、50Ω、四周包地、下方不走线；天线周边 ≥3mm 净空；天线口建议加 TVS 防静电。
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- **32MHz 晶振(29/30)**：两条走线短且等长、四周包地；下方（尤其 VDCDCRF 走线）不走线；远离大电流/高速线。
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- **芯片 GND**：底部大焊盘，中心 0.6/0.4mm + 四周 8×0.5/0.3mm 共 9 个过孔接地。
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- **电源**：走线粗短，小电容近芯片脚；VDCDC(24) 与 SWITCH(23) 间的 4.7uH 电感贴近放置。
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- **TEC 大电流**：VSYS/TEC-/MOS 走线加宽（1A 每 1mm 线宽经验值），MOS 与肖特基尽量贴近 TEC 端子。
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## 8. 待确认/可选
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1. **电池规格**（容量/尺寸：软包 or 18650）→ 决定 TP4056 充电电流与结构。
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2. **TEC 规格**（TEC1-03103 等）→ 决定 Q1 选型与是否加 LC 平滑。
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3. **数码管尺寸/颜色**（0.28/0.36/0.56 英寸、红/白）→ 决定限流电阻与结构开窗。
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4. 是否显示 **°C 符号/小数点**（本设计已预留 DP 段）。
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5. 是否需要 **充电状态灯**（可占用备用 PB12/PB13 + TP4056 CHRG/STDBY）。
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*文档生成：基于 N32WB031 STB V1.3 原理图 + 硬件设计指南 V1.4 + 用户手册 V1.5（引脚 AF 表/ADC 通道/时钟）。*
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