4. 软件架构设计：主循环架构、状态机设计、定时器中断设计、ADC采样设计、保护逻辑设计

好，咱们进入正题。软件架构，说白了就是程序的骨架。骨架搭歪了，后面填多少肉都别扭。我在做小家电堵转保护时，最深的体会就是——架构设计决定了你调试时是喝茶还是流汗。

这一章，我会把主循环、状态机、定时器中断、ADC采样和保护逻辑这五个核心模块，一个一个拆开来讲。嗯，都是实战中摸爬滚打出来的经验。

4.1 主循环架构：别让CPU闲着，也别让它累死

主循环，就是程序的大本营。我见过不少新手，把所有逻辑都塞进主循环里，结果一个函数跑几百毫秒，电机都烧了还没反应过来。

我个人习惯用前后台系统：前台是中断，处理紧急事件；后台是主循环，处理非实时任务。主循环的典型结构是这样的：

void main(void)
{
    // 初始化
    System_Init();
    
    while(1)
    {
        // 1. 喂狗（如果有看门狗）
        Feed_Watchdog();
        
        // 2. 处理状态机
        StateMachine_Run();
        
        // 3. 处理通信（如I2C、UART）
        Comm_Process();
        
        // 4. 处理按键/显示等慢速任务
        UI_Update();
        
        // 5. 进入低功耗（可选）
        // Sleep_Mode();
    }
}

这里有个关键点：主循环不能阻塞。每个函数执行时间要控制在1ms以内。你想想看，如果按键扫描用了10ms，那电机堵转检测就晚了10ms——这10ms可能就让MOS管冒烟了。

4.2 状态机设计：让程序知道自己该干嘛

状态机，说白了就是给程序画个「行为地图」。电机控制里，状态机是灵魂。我常用的电机状态机有这几个状态：

状态	含义	典型动作
IDLE	空闲/待机	关闭PWM，等待启动指令
START	启动中	软启动，逐步增加占空比
RUN	正常运行	闭环控制，监测电流
STALL	堵转检测到	立即关断，尝试重启
FAULT	故障锁定	停止输出，等待复位

状态切换的逻辑，我建议用switch-case实现，清晰又好维护：

void StateMachine_Run(void)
{
    switch(motor_state)
    {
        case IDLE:
            if(Start_Flag)
                motor_state = START;
            break;
            
        case START:
            Soft_Start();
            if(Start_Complete)
                motor_state = RUN;
            if(Overcurrent_Detected)
                motor_state = STALL;
            break;
            
        case RUN:
            Motor_Control();
            if(Overcurrent_Detected)
                motor_state = STALL;
            if(Stop_Flag)
                motor_state = IDLE;
            break;
            
        case STALL:
            Motor_Stop();
            Stall_Count++;
            if(Stall_Count > MAX_RETRY)
                motor_state = FAULT;
            else
                motor_state = START;  // 自动重启
            break;
            
        case FAULT:
            // 等待外部复位或断电
            break;
    }
}

4.3 定时器中断设计：精准的时间节拍

定时器中断，是嵌入式系统的「心跳」。没有它，ADC采样、PWM控制、保护检测全都乱套。

我通常设置三个定时器：

• 定时器0（1ms）：系统心跳，用于状态机调度、按键扫描
• 定时器1（100μs）：ADC采样触发，电流检测
• 定时器2（PWM频率）：电机驱动，占空比控制

这里有个设计原则：中断服务函数要短，短到不能再短。我见过有人把整个状态机都放在中断里跑，结果中断嵌套把自己搞死了。

// 1ms定时器中断服务函数
void TIM0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志
    TIM0_ClearFlag();
    
    // 只做两件事：
    // 1. 设置一个标志位
    SysTick_1ms = 1;
    
    // 2. 更新软件定时器
    Software_Timer_Update();
    
    // 绝对不要在这里调用复杂函数！
}

4.4 ADC采样设计：电流检测的「眼睛」

ADC采样，是堵转保护的数据来源。采样不准，保护逻辑就是瞎指挥。

我常用的采样方案是同步采样：在PWM的固定相位点触发ADC。为什么？因为电机电流是脉动的，在PWM导通中间采样最稳定。

// ADC初始化配置
void ADC_Init(void)
{
    // 设置采样通道（电流检测引脚）
    ADC_Channel_Select(ADC_CH_CURRENT);
    
    // 设置采样时间（建议 > 1μs）
    ADC_SampleTime_Set(ADC_SAMPLETIME_1US);
    
    // 开启连续转换模式
    ADC_ContinuousConvMode_Enable();
    
    // 启动ADC
    ADC_Start();
}

// ADC中断服务函数
void ADC_IRQHandler(void)
{
    uint16_t adc_value;
    
    // 读取转换结果
    adc_value = ADC_GetValue();
    
    // 数字滤波：滑动平均
    current_filtered = Moving_Average(adc_value);
    
    // 设置数据就绪标志
    ADC_Ready = 1;
}

采样值出来后，要做数字滤波。我推荐滑动平均滤波，简单有效：

#define FILTER_LEN 8

uint16_t Moving_Average(uint16_t new_value)
{
    static uint16_t buffer[FILTER_LEN] = {0};
    static uint8_t index = 0;
    static uint32_t sum = 0;
    
    // 减去旧值，加上新值
    sum -= buffer[index];
    sum += new_value;
    
    // 更新缓冲区
    buffer[index] = new_value;
    index = (index + 1) % FILTER_LEN;
    
    // 返回平均值
    return (uint16_t)(sum / FILTER_LEN);
}

4.5 保护逻辑设计：最后的防线

保护逻辑，是堵转保护的「大脑」。它要判断：什么时候是堵转？什么时候是正常过载？什么时候该重启？

我设计的保护逻辑包含三个层级：

1. 瞬时过流保护（硬件级）：比较器直接触发，关断PWM，响应时间<1μs
2. 堵转检测（软件级）：连续N次采样电流超过阈值，判定为堵转
3. 过温保护（软件级）：监测MOS管温度，超过阈值降功率或停机

堵转检测的核心算法是这样的：

#define CURRENT_THRESHOLD  3000  // 电流阈值（ADC值）
#define STALL_COUNT_THRESHOLD  5  // 连续超标次数

uint8_t Stall_Detect(uint16_t current)
{
    static uint8_t stall_count = 0;
    
    if(current > CURRENT_THRESHOLD)
    {
        stall_count++;
        if(stall_count >= STALL_COUNT_THRESHOLD)
        {
            // 堵转确认
            stall_count = 0;
            return 1;  // 返回堵转标志
        }
    }
    else
    {
        // 电流恢复正常，清零计数器
        stall_count = 0;
    }
    
    return 0;
}

这里有个细节：堵转后的重启策略。我一般用「指数退避」——第一次堵转立即重启，第二次等1秒，第三次等2秒，第四次等4秒...最多重试5次，然后锁定故障。

知识体系总览

下面这张图，是我画的本章节知识结构。你看一眼，就能明白各个模块之间的关系：

嗯，以上就是软件架构设计的核心内容。说白了，就是让程序有条理、不慌乱、反应快。你把这些模块搭好了，后面调试堵转保护就是水到渠成的事。