2. 系统架构设计：硬件架构与软件架构
好，咱们进入第二章。系统架构设计，说白了就是给整个项目搭骨架。骨架搭歪了，后面填肉填得再漂亮也白搭。我个人习惯，做任何嵌入式项目，第一步不是写代码，而是画框图——硬件一张，软件一张。
这一章，咱们就聊聊窗帘电机这个项目，硬件上怎么选型、怎么搭，软件上怎么分层、怎么调度。嗯，这里要注意，窗帘电机看着简单，但量产之后坑不少。我当年第一个量产项目就是窗帘电机，踩过的坑，今天一并倒给你们。
2.1 硬件架构：四块板子撑起一个家
窗帘电机的硬件，说白了就四大模块：主控、驱动、电源、通信。缺一个，这电机就转不起来。
2.1.1 主控芯片选型
主控是大脑。我建议选ARM Cortex-M系列，比如STM32F103或者GD32F103。为什么？
- 性价比高：几块钱一片，功能够用
- 生态成熟：库函数、例程、调试工具，网上随便找
- 功耗可控：待机时能跑到微安级
我在项目中遇到过用国产芯片替代的情况。说实话，有些国产芯片的ADC精度确实差点意思，但做窗帘电机这种低速应用，完全够用。别盲目追求高端，够用就好。
2.1.2 驱动模块
驱动模块负责让电机转起来。窗帘电机一般用直流有刷电机或者步进电机。我推荐用直流有刷电机加H桥驱动，比如DRV8837或者L9110S。
驱动电路的核心就三点：
- 电流检测：加一个采样电阻，实时监测电机堵转
- PWM调速：用定时器输出PWM，控制电机转速
- 防反接保护：加一个二极管，防止电源接反烧芯片
我曾经在驱动电路上省了一个续流二极管，结果电机一停，反向电动势直接把MOS管击穿了。嗯，从那以后，我再也不敢省这几个毛钱的器件了。
2.1.3 电源模块
电源是命脉。窗帘电机一般用24V直流供电，但主控和通信模块需要3.3V或5V。所以需要一级降压。
我常用的方案：
- 24V转5V：用MP2359或者LM2596，开关电源效率高
- 5V转3.3V：用AMS1117-3.3，LDO纹波小
这里有个坑：电机启动瞬间电流很大，会导致电源电压跌落。我建议在电源输入端加一个大电容，至少470μF。否则主控会频繁复位，你想想看，窗帘开到一半突然复位，多尴尬。
2.1.4 通信模块
窗帘电机需要跟遥控器或者智能家居网关通信。常用的方案有：
- 433MHz射频：成本低，穿墙能力强，但只能单向通信
- Wi-Fi（ESP8266/ESP32）：可以接入互联网，但功耗高
- 蓝牙BLE：手机直连，功耗低，但距离短
我个人习惯，量产产品用433MHz加Wi-Fi双模。平时用433遥控器，需要远程控制时走Wi-Fi。这样既保证了可靠性，又兼顾了智能化。
2.2 软件架构：分层、状态机、任务调度
软件架构，说白了就是让代码有条理。我见过太多人，把所有代码都塞进main函数里，最后改一个bug引出三个新bug。嗯，咱们不干这种事。
2.2.1 分层设计
我习惯把软件分成三层：
- 硬件抽象层（HAL）：直接操作寄存器，封装成API，比如GPIO_Write、UART_Send
- 中间层：处理协议、算法、状态机，比如电机控制算法、通信协议解析
- 应用层：业务逻辑，比如“收到开窗指令→调用电机控制→反馈状态”
为什么要分层？说白了就是为了可移植性。如果哪天要换主控芯片，只需要重写HAL层，中间层和应用层基本不用动。我在项目中换过一次主控，从STM32F103换到GD32F103，只改了几十行HAL代码，上层完全没动。
2.2.2 状态机设计
窗帘电机的工作状态其实很简单：
- 空闲：等待指令
- 开启：电机正转，窗帘打开
- 关闭：电机反转，窗帘闭合
- 停止：电机停转，保持当前位置
- 堵转保护：检测到电流过大，立即停止
我建议用枚举类型定义状态，用switch-case实现状态切换。别用if-else嵌套，否则代码会变成一团乱麻。
typedef enum {
STATE_IDLE,
STATE_OPENING,
STATE_CLOSING,
STATE_STOPPED,
STATE_STALL_PROTECT
} MotorState_t;
MotorState_t currentState = STATE_IDLE;
void MotorStateMachine(void) {
switch(currentState) {
case STATE_IDLE:
// 等待指令
if(GetCommand() == CMD_OPEN) {
MotorStartForward();
currentState = STATE_OPENING;
}
break;
case STATE_OPENING:
// 检测是否到达限位或堵转
if(IsLimitReached() || IsStallDetected()) {
MotorStop();
currentState = STATE_STOPPED;
}
break;
// 其他状态类似...
}
}
我曾经在状态机里忘了处理“堵转保护”状态，结果电机卡住后一直嗡嗡响，最后烧了。从那以后，我每个状态都加了一个超时保护，超过5秒没切换就强制停止。
2.2.3 任务调度
窗帘电机不需要跑RTOS，一个简单的前后台系统就够了。前台是中断，后台是主循环。
我常用的调度方式：
- 定时器中断：每1ms触发一次，处理时间敏感的任务，比如PWM更新、电流采样
- 主循环：处理非实时任务，比如状态机切换、通信解析、按键扫描
主循环里，我习惯用一个简单的轮询调度器：
void main(void) {
SystemInit();
while(1) {
MotorStateMachine(); // 状态机
CommProcess(); // 通信处理
KeyScan(); // 按键扫描
LedUpdate(); // 指示灯更新
// 其他非实时任务...
}
}
这里有个技巧：每个任务函数里不要做耗时操作，比如延时等待。如果某个任务需要等待，用状态机拆分成多个小步骤。否则一个任务卡住了，整个系统就瘫痪了。
2.3 硬件与软件的接口设计
硬件和软件之间，需要一个清晰的接口文档。我建议用结构体把硬件资源抽象出来：
typedef struct {
GPIO_TypeDef* motorPwmPort;
uint16_t motorPwmPin;
GPIO_TypeDef* motorDirPort;
uint16_t motorDirPin;
ADC_HandleTypeDef* currentSenseAdc;
UART_HandleTypeDef* commUart;
} HardwareConfig_t;
// 初始化时传入硬件配置
void Motor_Init(HardwareConfig_t* hwConfig);
这样做的好处是，换硬件平台时，只需要改HardwareConfig_t里的配置，驱动代码完全不用动。我在项目中用这个方式，从STM32F103移植到GD32F103，只花了半天时间。
2.4 避坑指南
最后，分享几个我踩过的坑：
- 电源纹波：电机启动时，电源纹波会干扰通信模块。我后来在电源和通信模块之间加了一个LC滤波，问题解决。
- GPIO电平不匹配：主控是3.3V，驱动模块是5V，直接连会烧IO。加一个电平转换芯片，比如TXS0108E。
- 状态机死循环：如果状态机进入了一个未定义的状态，系统会卡死。我习惯在每个case后面加一个default，强制回到空闲状态。
好了，第二章就到这里。系统架构设计，说白了就是“先想清楚再动手”。硬件上选型留余量，软件上分层解耦合，状态机考虑所有边界情况。做到这三点，项目就成功了一半。
下一章，咱们聊聊具体的硬件电路设计，从原理图到PCB布局，一步步来。