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一. 想法概述

1. 想法由来

从事嵌入式软件开发多年，涉及许多不同产品需求与应用场景，其间使用了多种不同的软硬件系统与平台，系统的选型始终没法做到构建一个统一成熟的系统来覆盖所有应用，达不到这种一劳永逸的理想状态，选型策略都是围绕满足需求，考虑成本、资源限制、功能复杂度等，而且在产品中基本是生产成本是第一位要考虑的，选型没有最好，只有适合，所以也才有了ST的上百种产品协型号，满足不同的产品需求与成本限制。

随着这几年，在人工智能、云服务、大数据计算等方面的应用增长，越来越多的嵌入式产品也被纳入到这个生态圈中，作为数据采集前端，或底层执行机构，成为了整个系统框架不可或缺的部分，所谓的智能化分析、控制、决策与执行，都离不开底层嵌入式产品或模块的支持。在一些高利润、大规模的产品系统中，模块成本已不是所要考虑的最关键的因素，实现功能、运行性能、长期的可扩展性、可维护性变成了系统架构设计中首要考虑的重要因素，既要满足底层系统的强实时性、高可靠性，又要满足复杂数据分析处理的高性能要求，并能够连接到云服务平台，上传各类实时数据，为更上层的人工智能分析处理提供海量数据，并基于此数据进行数据挖掘与深度学习，进而将智能决策后的控制需求落到实处，准确可靠地及时执行，完成整个智能系统的闭环。

基于以上对未来技术的发展趋势的分析与预测，结合以前的项目经验与开发能力，在自己能够实现的范围内，构建一套能够满足上述需求的软件系统，既能保证实时性与可靠性，又具备一定的复杂数据处理能力与可扩展性，并实现与云平台的数据交互，完成数据采集处理、实时控制、以及决策执行等功能；并能够具备良好的升级控制能力，在硬件升级迭代时，软件也能够方便轻松地迁移到新平台。

2. 系统架构

考虑到目标系统既要满足强实时性，又需要较为复杂的数据处理、存储、传输等功能，较为理想的架构是双核心异构系统，即使用两个不同类型的系统进行互联后组成整个平台，MCU+RTOS 实现强实时方面的控制需求，包括外围各类外设接口等；APU+Linux 实现数据的复杂计算处理、存储、网络传输、远程诊断/维护等业务与服务。两个系统通过高速连接进行数据交互，各司其职，整体组成前端嵌入式产品或模块。

两个系统间的连接方式，取决于相互传输的数据量的大小。
对于一般产品而言，MCU会做必要的前端数据处理，仅处理结果传输到Linux平台做进一步的处理或向云端传输，两个系统间的数据传输与频率均不高，此时可选择串口作为数据传输通道。串口的优点在于处理简单高效，两个系统的串口属于板级连接，物理传输路径很短，可以轻松将传输速率拉升到1～2Mbps，且收发独立的传输方式可实现数据异步传输，满足关键数据的突发与实时传输。
如果有更高数据传输量的需求，可考虑SPI或QSPI接口，传输速率可达数十M甚至百Mbps，但要达到高传输速率的QSPI接口在Linux平台上需要进行优化设计，包括硬件与驱动两方面，设计复杂度较大。
其他接口可选择USB接口，USB HS的传输速率可480Mbps，但需要MCU上支持并实现USB HS接口。此外USB接口并不是工业接口规范，在现场使用时可能会出现掉线情况，且掉线后的自恢复能力并不十分可靠。
还可选择Ethernet接口，两个系统之间使用网络连接通信，数据传输高速可靠，且协议灵活度很高，可满足各类数据复杂传输需求。但最好是Linux平台留出一个专用的网口与MCU平台连接通信，降低系统设计的复杂性。

3. 系统选型

基于目前手上已有的硬件开发板，选择树莓派4b板和STM32H743开发板来搭建上述异构系统。

STM32H743基于Cortex M7内核，主频最高480MHz，片内1M SRAM，基本满足绝大多数的实时控制需求。
该MCU具备很多外设接口，系统中所有涉及到的外设器件，都连接到该MCU上做接口控制。
软件平台采用ThreadX平台，使用包括ThreadX、FileX+LevelX、NetX、USBX等组件，完成系统调度与通信。

树莓派4b的性能数据可网上搜索，资料很多。

两块开发板的连接方式，可采用串口、USB或以太网络，这三种方式都可实现，前期先基于串口连接进行数据互传，后续根据实据传输的数据量及实时要求，再实现网络传输和USB。

4. 开发语言

1. C，用于MCU平台上的软件开发
2. C/C++，用于Linux上的驱动、业务层软件开发
3. Python，用于Linux上数据分析处理算法开发
4. JAVA/Konlin，用于Linux上BS架构服务中的WebServer后端服务开发，以及云端服务开发
5. JavaScript/TypeScript，用于Linux上BS架构服务中的前端页面开发，以及云端服务的访问页面开发
6. C#，用于PC端调试工具及应用软件开发

5. 涉及到的框架

1. ThreadX，用于构建嵌入式应用框架
2. SpringBoot，用于BS后端服务框架
3. VUE+Quasar，用于BS前端页面框架
4. Prism，用于C# MVVM软件框架
5. DotNetBar WPF，用于C#图形界面开发

6. 开发工具

1. MCU 代码编辑工具，使用 SouceInsight 和 CLion 混合使用
2. MCU 代码编译、调试工具，使用 IAR
3. Linux 代码开发、调试，使用 CLion
4. Python 开发、调试，使用 PyCharm
5. 后端 Java/Kotlin 开发、调试，使用 IntelliJ IDEA
6. 前端 JavaScript/TypeScript 开发、调试，使用 WebStorm
7. PC端 C# 开发，使用 Vistual Studio 2022

7. 功能实现

设计目标：覆盖整个系统软件框架的所有涉及的功能与部件，具备信号采集、处理、上传、浏览、查询等功能，且能够基于现有硬件平台最简实现。

第一期功能实现，考虑仅使用两块开发板，不增加额外硬件的前提下，实现数据的实时采样上传，并通过数据流实现数据链路覆盖各个软件模块及功能，前期使用STM32H743片内ADC，实时读取MCU内部温度，通过板间数据通道，传送到树莓派板，并基于Python做简单的低通滤波处理，并将处理后的数据，上传到外部服务器，服务器端判断温度数值，超过设定阈值后下发报警命令，下行通知到树莓派及H743，两块板同步报警，报警方式为闪烁LED灯的简单方式，形成数据闭环。

此外，在树莓派上做BS服务，用户可通过浏览器访问树莓派，实时显示系统状态及当前温度，以及短时温度曲线，后续可做为本地UI通道，实现系统交互控制；服务器端也做BS服务，支持用户查看系统温度、检索历史温度数据及曲线，查看运行状态及报警记录等，后期可做报警时同步通知绑定用户，通知方式可基于微信、短信或邮件；服务器端同时做后台管理界面，支持用户登录后管理系统，配置参数，查看整个系统运行数据看板等功能。

后续功能设计中，可考虑更复杂的数据获取、处理算法、数据挖掘与深度学习框架等，更具体实际产品应用需求，完善软件功能模块，搭建一套实用软件平台框架，准备好应对各类产品需求所需的技术节点储备，实现快速产品化的目标。

二. 环境搭建

1. MCU开发环境

1. MCU开发平台选用IAR 9.2。
2. 代码编辑工具选用SourceInsight和Clion，两者功能各有千秋，互补使用。
3. 在Github上，下载ThreadX全家桶代码，包括ThreadX、NetX、FileX和USBX。
4. ST固件库使用LL库开发，提高运行效率，减少HAL库本身出问题引入的不稳定性。不过使用LL库后，基本不再使用ST Cube，所有硬件外设的驱动均基于LL库自行设计实现，除了USB驱动与Ethernet驱动外，这两个外设使用机制较为复杂，仍使用HAL库实现底层访问与操作。
5. 下载并安装好上述软件或代码包后，打开ThreadX中的IAR工程，作为MCU的工程框架，并建立ThreadX库工程、STLib工程，编译后放入应用工程中，避免每次花费冗余时间反复编译这些库文件，提高编译效率。
6. 在ThreadX创建的起始任务中，添加定时500毫秒翻转LED灯的代码逻辑，编译、下载、运行，观察LED灯每秒闪烁一次，运行正常。

至此，MCU开发平台搭建完成。

2. 树莓派开发环境

3. 其他开发环境

1. 安装：

… … 待续