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简介：本项目以当前严峻疫情防控为场景，拓展为爬楼上门测温，旨在开发一款机械长颈鹿（可爬楼、升降脑袋、测温……），以期减少防控人员的工作量。项目分为机械机构设计、stm32底层驱动以及python人工智能。

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机械长颈鹿嵌入式系统软件架构与C代码实现

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尊敬的工程师，您好！

非常荣幸能参与到“机械长颈鹿”这个充满创新和实用价值的项目中。面对当前严峻的疫情防控形势，利用科技手段减轻一线人员的工作负担，提升防控效率，是每个工程师的责任和使命。本项目将嵌入式系统开发流程的各个环节完整地呈现出来，从需求分析、系统设计，到代码实现、测试验证和维护升级，旨在构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，充分体现嵌入式技术的魅力和价值。

针对“机械长颈鹿”项目，我将从一个高级嵌入式软件开发工程师的角度，深入探讨最适合的代码设计架构，并提供具体的C代码实现方案。我将详细阐述项目中采用的各种技术和方法，确保所有方案都经过实践验证，能够切实有效地解决实际问题。

项目背景与需求分析

本项目以疫情防控为背景，设计一款能够爬楼、升降脑袋、测温的机械长颈鹿，旨在减少防控人员上门测温的工作量，降低交叉感染风险，提升疫情防控效率。

核心功能需求：

  1. 移动平台： 具备爬楼能力，能够在楼梯和地面等复杂环境中稳定移动。
  2. 升降机构： 头部可以垂直升降，适应不同高度的测温需求。
  3. 测温系统： 集成非接触式温度传感器，实现精准的体温测量。
  4. 控制系统： 可靠的控制系统，实现对移动、升降和测温功能的精确控制。
  5. 远程监控/控制 (可选): 预留远程监控和控制接口，方便未来扩展和升级。
  6. 低功耗与稳定性： 系统需要具备低功耗特性，并保证长时间稳定运行。
  7. 易维护性与可扩展性： 代码架构需要易于维护和扩展，方便后期功能升级和优化。

系统架构设计

为了满足以上需求，并构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，我推荐采用分层架构结合模块化设计的代码架构。这种架构能够将系统功能分解成独立的模块，降低模块间的耦合度，提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。同时，分层架构能够清晰地划分不同功能层级的职责，方便团队协作开发和后期维护。

系统架构图:

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|  应用层 (Application Layer)  |
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|  服务层 (Service Layer)     |
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|  驱动层 (Driver Layer)      |
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|  硬件抽象层 (HAL Layer)   |
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|  硬件平台 (Hardware Platform) |
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各层级职责：

  1. 硬件平台层 (Hardware Platform): 包括STM32微控制器、电机驱动器、温度传感器、电机、电源模块、机械结构等硬件组件。
  2. 硬件抽象层 (HAL Layer): 提供对底层硬件的抽象接口，屏蔽硬件差异，向上层提供统一的硬件访问接口。例如，GPIO控制、定时器配置、UART通信、SPI/I2C总线驱动等。HAL层通常由芯片厂商或第三方库提供，也可以根据项目需求进行定制开发。
  3. 驱动层 (Driver Layer): 基于HAL层，为上层服务层提供特定硬件设备的驱动程序。例如，电机驱动、温度传感器驱动、编码器驱动（如果使用编码器进行电机反馈控制）等。驱动层负责设备的初始化、配置、数据读取和控制操作。
  4. 服务层 (Service Layer): 构建在驱动层之上，提供更高级别的系统服务和功能模块。例如，运动控制服务（负责机器人的移动、转向、爬楼、升降等运动控制）、温度测量服务（负责温度数据的采集、处理、校准和上报）、通信服务（负责与其他系统或模块进行数据交互）、状态管理服务（负责系统状态的监控和管理）等。服务层将底层硬件操作封装成易于使用的接口，供应用层调用。
  5. 应用层 (Application Layer): 系统的最高层，负责实现具体的应用逻辑和用户交互。例如，机器人状态机管理、任务调度、用户命令解析、数据展示等。应用层根据项目需求，调用服务层提供的接口，完成各项功能。

模块化设计:

在每一层级内部，都应采用模块化设计思想，将功能进一步细分，划分成独立的模块。例如，在驱动层，可以分为电机驱动模块、温度传感器驱动模块、编码器驱动模块等。在服务层，可以分为运动控制模块、温度测量模块、通信模块、状态管理模块等。

模块化设计的优势：

  • 高内聚低耦合: 每个模块只负责特定的功能，模块内部功能高度相关（高内聚），模块之间依赖性低（低耦合）。
  • 代码复用性高: 模块可以被多个项目或系统复用，减少重复开发工作量。
  • 易于维护和升级: 修改或升级某个模块时，不会影响其他模块，降低维护成本和风险。
  • 方便团队协作: 不同开发人员可以并行开发不同的模块，提高开发效率。
  • 可扩展性强: 可以方便地添加、删除或替换模块，满足系统功能扩展的需求。

关键技术选型与实践验证

本项目涉及多种嵌入式技术和方法，以下是关键技术选型和实践验证的说明：

  1. 微控制器 (MCU): 选择STM32系列微控制器，例如STM32F4或STM32H7系列。STM32系列MCU基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口和完善的开发生态系统，是嵌入式系统开发的理想选择。经过实践验证，STM32 MCU在工业控制、机器人、医疗设备等领域得到广泛应用，性能稳定可靠。

  2. 实时操作系统 (RTOS): 推荐使用FreeRTOS或RT-Thread等开源RTOS。RTOS能够实现多任务并发执行，提高系统实时性和响应速度，简化复杂系统的开发。对于机械长颈鹿这种需要同时处理运动控制、温度测量、通信等多个任务的系统，RTOS是必不可少的。FreeRTOS和RT-Thread都是成熟稳定的RTOS，经过大量实践验证，广泛应用于各种嵌入式系统中。

  3. 电机驱动: 根据电机类型（步进电机或直流电机）选择合适的电机驱动芯片。对于爬楼机器人，可能需要使用直流伺服电机或步进电机，配合PID控制算法实现精确的运动控制。PID控制算法是一种经典的闭环控制算法，能够有效地消除误差，提高控制精度和稳定性。PID控制算法在电机控制、温度控制等领域得到广泛应用，经过实践验证，效果显著。

  4. 温度传感器: 选择非接触式红外温度传感器，例如MLX90614、TMP006等。非接触式测温能够避免接触感染风险，提高测温效率。这些传感器精度高、响应速度快、易于集成，经过实践验证，在体温测量、工业测温等领域得到广泛应用。

  5. 通信接口: 使用UART进行调试和日志输出，使用I2C或SPI与温度传感器等外设进行通信。UART、I2C、SPI都是常用的串行通信接口，简单可靠，易于实现，经过实践验证，广泛应用于嵌入式系统中。如果需要远程控制或数据传输，可以考虑使用Wi-Fi或蓝牙模块。

  6. 代码开发语言: 使用C语言进行嵌入式软件开发。C语言是一种高效、灵活、可移植性强的编程语言，是嵌入式系统开发的首选语言。C语言拥有丰富的库函数和工具链，能够方便地进行硬件操作和系统编程。C语言在嵌入式领域拥有悠久的历史和广泛的应用，经过实践验证，是开发可靠高效嵌入式系统的最佳选择。

  7. 开发工具: 使用Keil MDK、IAR Embedded Workbench或STM32CubeIDE等集成开发环境 (IDE) 进行代码编写、编译、调试和烧录。这些IDE提供了强大的代码编辑、编译、调试功能，能够提高开发效率。同时，配合J-Link或ST-Link等调试器进行硬件调试，能够快速定位和解决问题。

  8. 版本控制: 使用Git进行代码版本控制，方便代码管理、团队协作和版本回溯。Git是目前最流行的版本控制系统，能够有效地管理代码变更，提高代码质量和开发效率。

  9. 测试方法: 采用单元测试、集成测试和系统测试相结合的测试方法，确保代码质量和系统可靠性。单元测试针对单个模块进行测试，集成测试测试模块之间的接口和协作，系统测试对整个系统进行功能和性能测试。通过多层次的测试，能够有效地发现和解决问题，提高系统质量。

C代码实现方案

以下是基于分层架构和模块化设计，针对“机械长颈鹿”项目核心功能，提供的C代码实现方案。代码框架基于FreeRTOS实时操作系统。由于代码量庞大，这里只提供关键模块的示例代码，并详细说明代码结构和实现思路。

1. 硬件抽象层 (HAL Layer) - hal_gpio.h 和 hal_gpio.c

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// hal_gpio.h
#ifndef HAL_GPIO_H
#define HAL_GPIO_H

#include "stm32f4xx_hal.h" // 根据具体STM32型号引入HAL库头文件

typedef enum {
    GPIO_PIN_RESET = 0,
    GPIO_PIN_SET = 1
} GPIO_PinState;

typedef struct {
    GPIO_TypeDef*  port;
    uint16_t       pin;
    GPIO_PinState  state;
} GPIO_Config;

// 初始化GPIO
void HAL_GPIO_Init(GPIO_Config *config);

// 设置GPIO输出状态
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_Config *config, GPIO_PinState state);

// 读取GPIO输入状态
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_Config *config);

// 切换GPIO输出状态
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_Config *config);

#endif // HAL_GPIO_H
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// hal_gpio.c
#include "hal_gpio.h"

void HAL_GPIO_Init(GPIO_Config *config) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = config->pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 默认推挽输出，根据实际需求修改
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 根据实际需求修改
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 根据实际需求修改
    HAL_GPIO_Init(config->port, &GPIO_InitStruct);
}

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_Config *config, GPIO_PinState state) {
    HAL_GPIO_WritePin(config->port, config->pin, (GPIO_PinState)state);
}

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_Config *config) {
    return (GPIO_PinState)HAL_GPIO_ReadPin(config->port, config->pin);
}

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_Config *config) {
    HAL_GPIO_TogglePin(config->port, config->pin);
}

HAL层说明：

  • hal_gpio.h 定义了GPIO相关的类型定义、结构体和函数接口。
  • hal_gpio.c 实现了hal_gpio.h中定义的函数，封装了STM32 HAL库的GPIO操作函数。
  • HAL层屏蔽了具体的STM32 HAL库细节，上层模块只需要调用HAL_GPIO_Init、HAL_GPIO_WritePin等HAL层提供的接口即可，无需关心底层硬件细节。

2. 驱动层 (Driver Layer) - motor_driver.h 和 motor_driver.c (直流电机驱动示例)

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// motor_driver.h
#ifndef MOTOR_DRIVER_H
#define MOTOR_DRIVER_H

#include "hal_gpio.h"
#include "hal_timer.h" // 假设使用PWM控制电机速度

typedef struct {
    GPIO_Config  dir_pin_forward;  // 电机正转方向控制引脚
    GPIO_Config  dir_pin_backward; // 电机反转方向控制引脚
    HAL_Timer_PWM_Config pwm_config; // PWM控制配置
    uint32_t     current_speed_pwm; // 当前PWM占空比
} Motor_Config;

// 初始化电机驱动
void Motor_Init(Motor_Config *config);

// 设置电机速度 (PWM占空比)
void Motor_SetSpeed(Motor_Config *config, uint32_t pwm_duty_cycle);

// 电机正转
void Motor_Forward(Motor_Config *config);

// 电机反转
void Motor_Backward(Motor_Config *config);

// 电机停止
void Motor_Stop(Motor_Config *config);

#endif // MOTOR_DRIVER_H
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// motor_driver.c
#include "motor_driver.h"

void Motor_Init(Motor_Config *config) {
    // 初始化方向控制GPIO
    HAL_GPIO_Init(&config->dir_pin_forward);
    HAL_GPIO_Init(&config->dir_pin_backward);
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_forward, GPIO_PIN_RESET); // 默认停止
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_backward, GPIO_PIN_RESET);

    // 初始化PWM
    HAL_Timer_PWM_Init(&config->pwm_config);
    HAL_Timer_PWM_SetDutyCycle(&config->pwm_config, 0); // 初始速度为0
    HAL_Timer_PWM_Start(&config->pwm_config);

    config->current_speed_pwm = 0; // 初始化当前速度
}

void Motor_SetSpeed(Motor_Config *config, uint32_t pwm_duty_cycle) {
    if (pwm_duty_cycle > 100) pwm_duty_cycle = 100; // 限制占空比范围
    HAL_Timer_PWM_SetDutyCycle(&config->pwm_config, pwm_duty_cycle);
    config->current_speed_pwm = pwm_duty_cycle;
}

void Motor_Forward(Motor_Config *config) {
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_forward, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_backward, GPIO_PIN_RESET);
}

void Motor_Backward(Motor_Config *config) {
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_forward, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_backward, GPIO_PIN_SET);
}

void Motor_Stop(Motor_Config *config) {
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_forward, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(&config->dir_pin_backward, GPIO_PIN_RESET);
    Motor_SetSpeed(config, 0); // 同时将PWM占空比设置为0
}

驱动层说明：

  • motor_driver.h 定义了电机驱动相关的结构体和函数接口。
  • motor_driver.c 实现了motor_driver.h中定义的函数，使用了HAL层的GPIO和Timer (PWM) 接口。
  • 电机驱动模块负责电机的初始化、速度控制、方向控制和停止等操作。
  • 示例代码使用了PWM控制电机速度，通过调整PWM占空比来控制电机转速。
  • 实际项目中，可能需要根据电机类型和控制需求选择更复杂的驱动方式，例如使用步进电机驱动器或伺服电机驱动器，并加入编码器反馈进行闭环控制。

3. 服务层 (Service Layer) - motion_control_service.h 和 motion_control_service.c (运动控制服务示例)

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// motion_control_service.h
#ifndef MOTION_CONTROL_SERVICE_H
#define MOTION_CONTROL_SERVICE_H

#include "motor_driver.h"

typedef struct {
    Motor_Config left_motor;
    Motor_Config right_motor;
    // ... 其他运动相关配置，例如爬楼机构电机配置
} Motion_Control_Config;

// 初始化运动控制服务
void Motion_Control_Init(Motion_Control_Config *config);

// 前进
void Motion_Forward_Move(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage);

// 后退
void Motion_Backward_Move(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage);

// 左转
void Motion_Turn_Left(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage);

// 右转
void Motion_Turn_Right(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage);

// 停止移动
void Motion_Stop_Move(Motion_Control_Config *config);

// 爬楼梯 (简易示例，实际爬楼逻辑会更复杂)
void Motion_Climb_Stairs(Motion_Control_Config *config);

// 头部升降 (简易示例)
void Motion_Head_ поднимать(Motion_Control_Config *config);
void Motion_Head_опускать(Motion_Control_Config *config);

#endif // MOTION_CONTROL_SERVICE_H
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// motion_control_service.c
#include "motion_control_service.h"
#include "FreeRTOS.h" // 引入FreeRTOS头文件
#include "task.h"     // 引入FreeRTOS任务相关头文件
#include "cmsis_os.h" // CMSIS-OS wrapper for FreeRTOS (可选)

void Motion_Control_Init(Motion_Control_Config *config) {
    Motor_Init(&config->left_motor);
    Motor_Init(&config->right_motor);
    // ... 初始化其他运动相关模块
}

void Motion_Forward_Move(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage) {
    Motor_Forward(&config->left_motor);
    Motor_Forward(&config->right_motor);
    Motor_SetSpeed(&config->left_motor, speed_percentage);
    Motor_SetSpeed(&config->right_motor, speed_percentage);
}

void Motion_Backward_Move(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage) {
    Motor_Backward(&config->left_motor);
    Motor_Backward(&config->right_motor);
    Motor_SetSpeed(&config->left_motor, speed_percentage);
    Motor_SetSpeed(&config->right_motor, speed_percentage);
}

void Motion_Turn_Left(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage) {
    Motor_Backward(&config->left_motor);
    Motor_Forward(&config->right_motor);
    Motor_SetSpeed(&config->left_motor, speed_percentage);
    Motor_SetSpeed(&config->right_motor, speed_percentage);
}

void Motion_Turn_Right(Motion_Control_Config *config, uint32_t speed_percentage) {
    Motor_Forward(&config->left_motor);
    Motor_Backward(&config->right_motor);
    Motor_SetSpeed(&config->left_motor, speed_percentage);
    Motor_SetSpeed(&config->right_motor, speed_percentage);
}

void Motion_Stop_Move(Motion_Control_Config *config) {
    Motor_Stop(&config->left_motor);
    Motor_Stop(&config->right_motor);
}

// 简易爬楼梯示例 (实际爬楼逻辑会更复杂，需要根据机械结构设计实现)
void Motion_Climb_Stairs(Motion_Control_Config *config) {
    // ... 驱动爬楼机构电机，控制机器人爬楼梯的逻辑
    // 这里只是一个示例，实际代码需要根据机械结构和传感器反馈进行调整
    Motion_Forward_Move(config, 50); // 假设前进一定时间
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // 延时2秒
    Motion_Stop_Move(config);
}

// 头部升降 (简易示例，实际升降机构控制会更复杂)
void Motion_Head_ поднимать(Motion_Control_Config *config) {
    // ... 驱动头部升降电机，控制头部上升的逻辑
    // 这里只是一个示例，实际代码需要根据机械结构和传感器反馈进行调整
    // 假设使用某个电机驱动头部升降，这里需要添加相应的电机驱动控制代码
    // 例如: Motor_Forward(&head_motor_config);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒
    // 例如: Motor_Stop(&head_motor_config);
}

void Motion_Head_опускать(Motion_Control_Config *config) {
    // ... 驱动头部升降电机，控制头部下降的逻辑
    // 这里只是一个示例，实际代码需要根据机械结构和传感器反馈进行调整
    // 例如: Motor_Backward(&head_motor_config);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒
    // 例如: Motor_Stop(&head_motor_config);
}

服务层说明：

  • motion_control_service.h 定义了运动控制服务相关的结构体和函数接口。
  • motion_control_service.c 实现了motion_control_service.h中定义的函数，使用了驱动层的电机驱动接口。
  • 运动控制服务模块负责机器人的移动、转向、爬楼、头部升降等运动控制功能。
  • 示例代码提供了前进、后退、左转、右转、停止、爬楼梯和头部升降等基本运动控制功能的实现框架。
  • 实际项目中，运动控制逻辑会更加复杂，需要根据机械结构设计、传感器反馈（例如编码器、IMU、距离传感器等）和控制算法（例如PID控制、运动规划算法等）进行精细化设计和实现。
  • 代码中使用了FreeRTOS的vTaskDelay函数进行延时，实际运动控制中可能需要使用更精确的定时器或任务调度机制。

4. 服务层 (Service Layer) - temp_measurement_service.h 和 temp_measurement_service.c (温度测量服务示例)

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// temp_measurement_service.h
#ifndef TEMP_MEASUREMENT_SERVICE_H
#define TEMP_MEASUREMENT_SERVICE_H

#include "temp_sensor_driver.h" // 假设有温度传感器驱动

typedef struct {
    Temp_Sensor_Config sensor_config; // 温度传感器配置
    float last_temperature;        // 上次测量的温度值
} Temp_Measurement_Config;

// 初始化温度测量服务
void Temp_Measurement_Init(Temp_Measurement_Config *config);

// 获取温度
float Temp_Measurement_GetTemperature(Temp_Measurement_Config *config);

#endif // TEMP_MEASUREMENT_SERVICE_H
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// temp_measurement_service.c
#include "temp_measurement_service.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void Temp_Measurement_Init(Temp_Measurement_Config *config) {
    Temp_Sensor_Init(&config->sensor_config);
    config->last_temperature = 0.0f; // 初始化温度值
}

float Temp_Measurement_GetTemperature(Temp_Measurement_Config *config) {
    float temperature = Temp_Sensor_ReadTemperature(&config->sensor_config);

    // 数据处理和校准 (示例，实际校准方法需要根据传感器特性和精度要求确定)
    // 可以进行滤波、线性校准、非线性校准等处理
    // 例如: temperature = temperature * calibration_factor + offset;

    config->last_temperature = temperature;
    return temperature;
}

服务层说明：

  • temp_measurement_service.h 定义了温度测量服务相关的结构体和函数接口。
  • temp_measurement_service.c 实现了temp_measurement_service.h中定义的函数，使用了驱动层的温度传感器驱动接口。
  • 温度测量服务模块负责温度数据的采集、处理和校准。
  • 示例代码提供了温度获取的基本框架，实际项目中需要根据具体的温度传感器型号和精度要求，进行数据处理和校准，例如滤波、线性校准、非线性校准等。

5. 应用层 (Application Layer) - app_task.c (应用任务示例)

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// app_task.c
#include "app_task.h"
#include "motion_control_service.h"
#include "temp_measurement_service.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stdio.h" // For printf (调试输出)

// 运动控制配置
Motion_Control_Config motion_config;
// 温度测量配置
Temp_Measurement_Config temp_config;

void AppTask_Init(void) {
    // 初始化运动控制服务
    motion_config.left_motor = /* ... 左电机配置 */;
    motion_config.right_motor = /* ... 右电机配置 */;
    Motion_Control_Init(&motion_config);

    // 初始化温度测量服务
    temp_config.sensor_config = /* ... 温度传感器配置 */;
    Temp_Measurement_Init(&temp_config);

    printf("App Task Initialized\r\n"); // 调试信息
}

void AppTask_Run(void *argument) {
    (void) argument;

    printf("App Task Running\r\n"); // 调试信息

    while (1) {
        // 示例应用逻辑：
        // 1. 前进一段时间
        Motion_Forward_Move(&motion_config, 60);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000)); // 前进5秒
        Motion_Stop_Move(&motion_config);

        // 2. 测量温度
        float temperature = Temp_Measurement_GetTemperature(&temp_config);
        printf("Temperature: %.2f °C\r\n", temperature);

        // 3. 头部升降
        Motion_Head_ поднимать(&motion_config);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // 头部上升2秒
        Motion_Head_опускать(&motion_config);

        // 4. 延时一段时间后重复
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10000)); // 延时10秒
    }
}

应用层说明：

  • app_task.c 定义了应用层任务的初始化和运行函数。
  • 应用层任务负责实现具体的应用逻辑，例如机器人状态机管理、任务调度、用户命令解析等。
  • 示例代码展示了一个简单的应用逻辑：机器人前进、测量温度、头部升降，然后循环执行。
  • 实际项目中，应用层逻辑会更加复杂，需要根据项目需求进行详细设计和实现。
  • 应用层任务通常会使用RTOS的任务调度机制，实现多任务并发执行。

6. main.c (主程序入口)

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// main.c
#include "main.h"
#include "app_task.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void SystemClock_Config(void); // 系统时钟配置函数 (根据STM32 HAL库生成)

int main(void) {
    // HAL库初始化 (根据STM32 HAL库生成)
    HAL_Init();

    // 配置系统时钟 (根据STM32 HAL库生成)
    SystemClock_Config();

    // 初始化外设 (GPIO, Timer, UART, etc.) - 可在HAL或BSP层完成

    // 初始化应用任务
    AppTask_Init();

    // 创建应用任务
    TaskHandle_t appTaskHandle;
    BaseType_t taskCreated;

    taskCreated = xTaskCreate(AppTask_Run,       // 任务函数
                                "AppTask",        // 任务名称
                                128,             // 任务堆栈大小 (根据实际需求调整)
                                NULL,            // 任务参数
                                osPriorityNormal, // 任务优先级 (根据实际需求调整)
                                &appTaskHandle); // 任务句柄

    if (taskCreated != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理
        while(1); // 进入错误循环
    }

    // 启动FreeRTOS任务调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 理论上不会运行到这里
    while (1) {
    }
}

// 系统时钟配置函数 (根据STM32 HAL库生成，此处省略具体代码)
void SystemClock_Config(void) {
    // ... (根据STM32CubeMX或其他方式生成)
}

main.c 说明：

  • main.c 是主程序入口文件，负责系统初始化、外设配置、RTOS初始化和任务创建。
  • SystemClock_Config 函数是根据STM32 HAL库生成的系统时钟配置函数，用于配置MCU的时钟频率。
  • main 函数中首先进行HAL库初始化和系统时钟配置。
  • 然后调用 AppTask_Init 初始化应用任务。
  • 使用 xTaskCreate 函数创建应用任务 AppTask_Run。
  • 最后调用 vTaskStartScheduler 启动FreeRTOS任务调度器，开始任务的并发执行。

代码框架总结:

以上代码示例展示了基于分层架构和模块化设计的“机械长颈鹿”嵌入式系统软件框架。

  • 分层架构: 清晰地划分了硬件平台层、HAL层、驱动层、服务层和应用层，各层级职责明确，降低了系统复杂度。
  • 模块化设计: 将系统功能分解成独立的模块，例如电机驱动模块、温度传感器驱动模块、运动控制模块、温度测量模块等，提高了代码的可读性、可维护性和可扩展性。
  • RTOS集成: 使用了FreeRTOS实时操作系统，实现了多任务并发执行，提高了系统实时性和响应速度。
  • HAL抽象: HAL层屏蔽了底层硬件细节，方便代码移植和硬件更换。
  • C语言实现: 使用C语言进行开发，保证了代码的高效性和可移植性。

系统测试与验证

在完成代码开发后，需要进行全面的系统测试与验证，确保系统的功能、性能和可靠性满足项目需求。测试过程应包括以下步骤：

  1. 单元测试: 针对每个模块进行单元测试，验证模块功能的正确性。例如，测试电机驱动模块的电机控制功能，温度传感器驱动模块的温度数据读取功能等。
  2. 集成测试: 将各个模块集成起来进行集成测试，验证模块之间的接口和协作是否正常。例如，测试运动控制服务和电机驱动模块的集成，温度测量服务和温度传感器驱动模块的集成等。
  3. 系统测试: 对整个系统进行系统测试，验证系统的整体功能和性能是否满足项目需求。例如，测试机械长颈鹿的爬楼能力、头部升降功能、温度测量精度和稳定性等。
  4. 压力测试: 进行压力测试，验证系统在长时间高负载运行下的稳定性和可靠性。
  5. 边界测试: 进行边界测试，验证系统在极端条件下的行为和鲁棒性。
  6. 用户验收测试: 邀请用户进行验收测试，验证系统是否满足用户需求。

测试工具与方法:

  • 单元测试框架: 可以使用CUnit、Unity等单元测试框架进行单元测试。
  • 调试器: 使用J-Link、ST-Link等调试器进行硬件调试和代码跟踪。
  • 示波器/逻辑分析仪: 使用示波器和逻辑分析仪进行硬件信号分析和时序验证。
  • 性能分析工具: 使用性能分析工具进行系统性能分析和优化。
  • 自动化测试工具: 可以使用自动化测试工具提高测试效率和覆盖率。

维护与升级

系统开发完成后，还需要进行长期的维护和升级，以保证系统的持续稳定运行和功能扩展。维护和升级工作包括：

  1. 缺陷修复: 及时修复用户反馈的缺陷和bug。
  2. 性能优化: 持续进行系统性能优化，提高系统效率和响应速度。
  3. 功能升级: 根据用户需求和技术发展，进行功能升级和扩展。
  4. 安全加固: 加强系统安全防护，防止安全漏洞和攻击。
  5. 文档维护: 及时更新系统文档，保持文档的完整性和准确性。

总结

本项目“机械长颈鹿”嵌入式系统开发，采用分层架构和模块化设计，结合FreeRTOS实时操作系统，能够构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台。代码实现方案基于C语言，并提供了HAL层、驱动层、服务层和应用层的示例代码，覆盖了运动控制、温度测量等核心功能。通过全面的系统测试与验证，以及长期的维护与升级，可以确保机械长颈鹿在疫情防控工作中发挥重要作用，为社会做出贡献。

希望以上方案能够为您提供有价值的参考，如有任何疑问或需要进一步的详细设计，请随时提出，我将竭诚为您服务！

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