Seeed Studio XIAO SAMD21 入门指南（由 Nanase 提供）

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本文档由 @nanase_coder 编写。（由 Seeed 从原始日文文档翻译：コインサイズ Arduino互換機 Seeed Studio XIAO SAMD21 を使ってみた）。感谢 Nanase 与我们分享！

文档

关于 Seeeduino XIAO 的使用，有两份文档分别侧重于不同的领域，请参考下表：

Seeed 官方文档	Nanase 提供的文档
引脚图	接口
Seeed Studio XIAO SAMD21 入门指南	Seeed Studio XIAO SAMD21 与 MicroSD 卡（SPI）
Seeed Studio XIAO SAMD21 GPIO 使用	Seeed Studio XIAO SAMD21 与 GPS（UART）
Seeed Studio XIAO SAMD21 资源	单周期 IOBUS

特性

ARM Cortex M0 + CPU (SAMD21G18) 48MHz
256 KB Flash，32 KB SRAM
USB Type-C
支持 SPI、I2C、UART、DMA
硬币大小（21mm x 17.8mm）
逻辑电平：3.3V

电路板背面没有任何元件，所有引脚都带有镀金边孔，便于焊接到其他电路板上。

部件清单

1 x Seeeduino XIAO
2 x 7 针排针
4 x 焊片

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镀金边孔：

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规格

	规格
CPU	ARM Cortex-M0+ CPU (SAMD21G18)，最高运行频率 48MHz（由 32.768 kHz 倍频）
存储	256KB Flash，32KB SRAM
I/O 引脚	14 个 GPIO 引脚，11 个模拟引脚，11 个数字引脚，1 个 DAC 输出引脚
引脚功能	SPI、I2C、UART、PWM、外部中断、SWD（电源焊盘）
逻辑电平	3.3V
LED	1 个用户 LED，1 个电源 LED，2 个串口下载 LED
电源	USB Type-C 接口，背面电源焊盘
尺寸	21x17.8x3.5mm

如您所见，这是一个基于 SAMD 的 Arduino，与 Arduino MKR 系列类似，因此技术上可以使用为它们编写的任何库在 Seeed Studio XIAO SAMD21 上运行。另一方面，由于它与基于 ATmega 的 Arduino（如 Arduino Uno）不同，依赖于 ATmega 特定寄存器的库无法使用。

GPIO 14 引脚包括侧面的 11 个引脚、复位引脚以及背面的 SWD（SWDIO、SWCLK）。

引脚功能中的 UART 不同于通过 USB 的串口通信，可以通过 Serial1 操作。

重置您的开发板

请查看此处，了解如何将 Seeed Studio XIAO SAMD21 添加到您的 Arduino IDE。

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Seeed Studio XIAO SAMD21 没有复位按钮，而是提供了一个复位焊盘。短接此复位焊盘并接地即可重置开发板。

Bootloader 模式

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有时程序可能会崩溃，或者无法上传草图。您可以快速重置开发板两次以进入 Bootloader 模式。在此模式下，LED 会缓慢闪烁，Seeed Studio XIAO SAMD21 会被识别为 USB 存储设备。串口与正常模式分离，并始终处于草图写入模式，而不会运行开发板上的先前程序。

要从 Bootloader 模式返回到正常模式，可以上传草图或再次快速重置两次。

如果在 Bootloader 模式下，Seeed Studio XIAO SAMD21 未被 PC 识别为 USB 设备，LED 将快速闪烁。

LCD

与原始 Arduino 类似，从示例草图中选择 Basics > Blink 并上传。

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(1000);
}

与原始 Arduino 相反，LED 在 LOW 时点亮，在 HIGH 时熄灭。

两个可闪烁的内置 LED

官方文档描述了另外两个内置 LED 为 串口下载的两个 LED。然而，从原理图来看，这些 RX 和 TX LED 没有物理引脚连接。

如果你查看 USBCore.cpp，可以看到每次串行 USB 传输/接收发生时，LED 都会通过 digitalWrite 被点亮，这意味着这两个 LED 是可编程的。

uint32_t USBDeviceClass::recv(uint32_t ep, void *_data, uint32_t len)
{
    if (!_usbConfiguration)
        return -1;

#ifdef PIN_LED_RXL
    if (rxLEDPulse == 0)
        digitalWrite(PIN_LED_RXL, LOW); // 如果 rxLEDPulse 为 0，则点亮 RX LED

    rxLEDPulse = TX_RX_LED_PULSE_MS; // 设置 RX LED 的脉冲持续时间
#endif

具体的引脚编号在 variant.h / variant.cpp 中定义，例如在 SAMD Arduino 中，而对于 Seeeduino XIAO，它们被分配为 11 和 12，如下所示：

#define PIN_LED_13  (13u)
#define PIN_LED     PIN_LED_13
#define LED_BUILTIN PIN_LED

#define PIN_LED_RXL          (12u) // RX LED 引脚
#define PIN_LED_TXL          (11u) // TX LED 引脚
#define PIN_LED2             PIN_LED_RXL
#define PIN_LED3             PIN_LED_TXL

以下是一个让三个 LED 闪烁的示例代码。RX 和 TX 的 LED 是蓝色的。

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // 设置内置 LED 为输出模式
  pinMode(PIN_LED2, OUTPUT);    // 设置 RX LED 为输出模式
  pinMode(PIN_LED3, OUTPUT);    // 设置 TX LED 为输出模式
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // 点亮内置 LED
  digitalWrite(PIN_LED2, HIGH);    // 点亮 RX LED
  digitalWrite(PIN_LED3, HIGH);    // 点亮 TX LED
  delay(1000);                     // 延迟 1 秒
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);  // 熄灭内置 LED
  digitalWrite(PIN_LED2, LOW);     // 熄灭 RX LED
  digitalWrite(PIN_LED3, LOW);     // 熄灭 TX LED
  delay(1000);                     // 延迟 1 秒
}

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接口

USB CDC 串行通信

与 ATmega 类型的 Arduino 不同，Seeed Studio XIAO SAMD21 的串行通信实际上是通过 USB CDC 实现的。换句话说，它的速度比普通串行通信更快。

因此，通过 Serial.begin (speed) 指定波特率没有意义，但除了这一点外，它可以像普通串行通信一样使用。

测量速度

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我使用这个代码测量了从 Seeed Studio XIAO SAMD21 到 PC 的传输速度，从 PC 到 Seeed Studio XIAO SAMD21 的传输速率应该是相同的。

横轴表示缓冲区大小（通过 Serial.write (buf, len) 一次发送的字节数）。
如果每次发送 1 字节，速度只有 0.11 Mbps（14.53 KB/s）；但如果每次发送 64 字节，速度会显著提高到 6.30 Mbps（805.86 KB/s）。可以推测内部缓冲区的大小为 64 字节。

如上所述，在串行通信中 LED 会闪烁，但几乎没有因此导致的速度下降。

SPI（MicroSD 卡）

Seeed Studio XIAO SAMD21 的逻辑电平为 3.3V。换句话说，可以通过 SPI 直接操作 microSD 卡而无需电平转换器。
SPI 的某些功能与 ATmega 类型的 Arduino 不同，详情请参考这里。

这里我们使用秋月电子的 micro SD 卡槽 DIP 套件来读取 microSD 卡。

我们使用 Arduino 示例代码，但 SD.begin (cs_pin) 的参数需要指定为 SS。根据 variant.h，SS = 4，与 D4/A4/SDA 引脚相同。当然，你也可以指定其他引脚。

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#include <SPI.h>
#include <SD.h>

File myFile;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) ; // 等待串口初始化完成

  Serial.print("Initializing SD card... ");

  if (!SD.begin(SS)) { // <-------------------------------- SS = D4/A4/SDA 引脚
    Serial.println("initialization failed!"); // 初始化失败
    while (1) ;
  }
  Serial.println("initialization done."); // 初始化完成

  myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE);

  if (myFile) {
    Serial.print("Writing to test.txt...");
    myFile.println("testing 1, 2, 3."); // 写入测试数据

    myFile.close();
    Serial.println("done."); // 写入完成
  }
  else
    Serial.println("error opening test.txt"); // 打开文件失败

  myFile = SD.open("test.txt");
  if (myFile) {
    Serial.println("test.txt:");

    while (myFile.available())
      Serial.write(myFile.read()); // 读取文件内容

    myFile.close();
  }
  else
    Serial.println("error opening test.txt"); // 打开文件失败
}

void loop() { }

结果：

初始化 SD 卡...初始化完成。
写入 test.txt...完成。
test.txt:
测试 1, 2, 3。

I2C

I2C 也可用。3.3V 设备可以直接连接，无需电平转换器。

这次我们使用 BME280 来测量温度、湿度和大气压力。BME280 工作电压为 3.3V，因此可以直接连接，无需电平转换器。有关 Arduino 和 BME280 连接的详细说明，请查看这里。

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#include <Wire.h>
#include "SparkFunBME280.h"

BME280 sensor;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  sensor.beginI2C(); // 使用 Wire 开始 I2C 连接
}

void loop() {
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(sensor.readTempC(), 2);

  Serial.print(" °C, 湿度: ");
  Serial.print(sensor.readFloatHumidity(), 2);

  Serial.print(" %, 压力: ");
  Serial.print(sensor.readFloatPressure() / 100.0, 1);
  Serial.println(" hPa");

  delay(5000);
}

结果：

温度: 22.05 °C, 湿度: 44.99 %, 压力: 1009.0 hPa
温度: 22.05 °C, 湿度: 44.72 %, 压力: 1008.9 hPa
温度: 22.06 °C, 湿度: 44.81 %, 压力: 1008.9 hPa

UART

如前所述，物理 UART 引脚与 USB CDC 的引脚不同。Serial1 用于使用 TX 和 RX 引脚进行串行通信。

这次，我们将 Seeed Studio XIAO SAMD21 连接到 GPS 接收器套件，并从 PC 获取 NMEA 信息。使用 Xiao 时，这是一项非常简单的工作，它只是 GPS 套件和 PC 串行之间的桥梁。

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void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial1.begin(9600);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    char c = (char)Serial.read();
    Serial1.write(c);
  }

  if (Serial1.available()) {
    char c = (char)Serial1.read();
    Serial.write(c);
  }
}

这次我们使用 GPSFox 来查看 NMEA 信息，可以轻松测量坐标。

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其他功能

DMA（直接存储器访问）

作为 SAMD 系列 Arduino 的一项功能，Xiao 支持使用 DMA（直接存储器访问）。有关 DMA 的更多信息，请查阅这里。

单周期 IOBUS（Single Cycle IOBUS）

Cortex M0+ 具有一种称为单周期 IOBUS（Single Cycle IOBUS）的功能，可在一个时钟周期内操作 GPIO 输出。通过写入特定寄存器，可以实现逻辑反转、禁用引脚或更改引脚驱动电流等功能。

digitalWrite

你可以使用 digitalWrite 来生成脉冲。这是一种适用于所有 Arduino 板的方法，但每次调用都会产生一定的开销。

void setup() {
  pinMode(PIN_A7, OUTPUT);
}

#define P                     \
  digitalWrite(PIN_A7, HIGH); \
  digitalWrite(PIN_A7, LOW);

#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }

使用寄存器

你也可以通过直接操作寄存器来生成脉冲，而无需使用 digitalWrite。

void setup() {
  pinMode(PIN_A7, OUTPUT);
}

#define P                                                             \
  digitalPinToPort(PIN_A7)->OUTSET.reg = digitalPinToBitMask(PIN_A7); \
  digitalPinToPort(PIN_A7)->OUTCLR.reg = digitalPinToBitMask(PIN_A7);

#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }

使用单周期 IOBUS

我们使用在此处介绍的 IOBUS.h 库来实现。

#include "IOBUS.h"

#define digitalPinToIOPin(P) ((g_APinDescription[P].ulPort << 5) + g_APinDescription[P].ulPin)
#define PIN_NUM digitalPinToIOPin(PIN_A7)

void setup() {
  IOBUS::pinMode(PIN_NUM, OUTPUT, true);
}

#define P IOBUS::toggleOutput(PIN_NUM);

#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }

	DigitalWrite	寄存器	单周期 IOBUS
波形
频率	333 kHz	6 MHz	24 MHz
产生一个脉冲所需的时钟周期数	144	8	2

逻辑确实可以在一个周期内反转（48MHz）。

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Bootloader 模式​

LCD​

两个可闪烁的内置 LED​

接口​

USB CDC 串行通信​

测量速度​

SPI（MicroSD 卡）​

I2C​

UART​

其他功能​

DMA（直接存储器访问）​

单周期 IOBUS（Single Cycle IOBUS）​

digitalWrite​

使用寄存器​

使用单周期 IOBUS​

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