4. 多传感器数据采集：I2C/SPI/UART总线协议、多传感器时序同步、DMA传输与缓存管理
各位同学，欢迎来到第四章。这一章我们聊聊数据怎么从传感器“流”进MCU。说白了，就是物理世界和数字世界的桥梁怎么搭。
我做了这么多年医疗贴片，最深的体会就是：传感器选型决定了性能上限，但总线协议和采集策略决定了你能不能摸到这个上限。很多项目死在半路，不是因为传感器不好，而是数据没采对。
4.1 三大总线协议：I2C、SPI、UART
医疗贴片里，传感器接口无非这三种。我一个个说。
4.1.1 I2C：两线制，省引脚但慢
I2C只有两根线：SCL（时钟）和SDA（数据）。优点是省引脚，一个MCU可以挂一堆传感器。缺点是速度慢，标准模式100kHz，快速模式400kHz。
我在项目中遇到过一个血氧传感器，要求100Hz采样率，每次传5字节数据。算一下：100Hz × 5字节 × 8位 = 4000bps。I2C 400kHz模式理论带宽400kbps，但实际要算上地址、应答、起始停止位，利用率也就60%左右。400k × 60% = 240kbps，够用。但如果传感器数量多了，总线就挤了。
避坑指南：我曾经在一个贴片项目里挂了4个I2C传感器，结果发现总线电容太大，波形都变形了。后来加了电平转换芯片才解决。记住：I2C总线电容不要超过400pF，否则信号完整性会出问题。
4.1.2 SPI：四线制，快但占引脚
SPI有SCLK、MOSI、MISO、CS四根线。速度可以跑到几十MHz，适合高带宽传感器，比如加速度计、陀螺仪。
SPI的优点是全双工，收发同时进行。缺点是每个设备需要一根片选线，传感器多了，MCU引脚不够用。
我个人习惯：如果传感器数量≤3个，优先用SPI。超过3个，考虑I2C或者用SPI菊花链。
4.1.3 UART：点对点，简单可靠
UART只有TX和RX两根线，异步通信，不需要时钟线。医疗贴片里，UART常用于GPS模块、蓝牙模块这类“黑盒子”设备。
UART的波特率一般115200或921600。注意：UART是点对点，不能像I2C那样挂多个设备。
| 协议 | 线数 | 速度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| I2C | 2 | 100k-3.4MHz | 温度、湿度、压力等低速传感器 |
| SPI | 4+ | 10-80MHz | 加速度计、陀螺仪、ADC等高速传感器 |
| UART | 2 | 115200-921600 | GPS、蓝牙、串口屏等模块 |
4.2 多传感器时序同步
医疗贴片最怕什么？数据时间戳对不上。比如心电和血氧，如果时间差超过10ms，算法算出来的结果就是错的。
为什么会这样？因为每个传感器有自己的采样时钟，MCU轮询读取时，天然存在时间偏移。
4.2.1 硬件同步方案
最可靠的办法：用传感器的同步引脚。很多高端传感器（比如BMI160、MPU9250）都有SYNC引脚，可以接收外部触发信号。
我建议的做法：MCU输出一个PWM信号，同时触发所有传感器的采样。这样所有传感器在同一时刻开始采集，时间差可以控制在微秒级。
4.2.2 软件同步方案
如果传感器没有同步引脚，那就只能靠软件了。核心思路：用一个高精度定时器（比如TIM1）产生中断，在中断里依次读取所有传感器。
注意：读取顺序要固定，并且记录每个传感器的读取时间戳。算法端根据时间戳做插值对齐。
小技巧：我曾经在一个项目中，用DMA+定时器实现了“伪同步”。定时器触发DMA，DMA自动从多个SPI接口读取数据，CPU全程不参与。这样时间抖动可以控制在1个DMA时钟周期内。
4.3 DMA传输与缓存管理
医疗贴片的数据量其实不小。一个三轴加速度计，100Hz采样率，每个轴16位，每秒就是 3 × 2 × 100 = 600字节。再加上心电、血氧、温度... 每秒几KB很正常。
如果CPU逐字节读取，那它啥也别干了，光伺候传感器了。这时候就需要DMA。
4.3.1 DMA的基本原理
DMA就是硬件搬运工。CPU告诉DMA：“从外设寄存器搬100个字节到内存地址0x20001000”，然后CPU就可以去干别的事了。DMA搬完数据，发个中断通知CPU。
说白了，DMA让CPU从“搬运工”变成了“管理者”。
4.3.2 双缓冲（Ping-Pong Buffer）
这是我最常用的技巧。两个缓冲区，一个给DMA写，一个给CPU读。DMA写满Buffer A后，自动切换到Buffer B，同时触发中断通知CPU处理Buffer A的数据。
这样CPU和DMA各干各的，互不干扰。数据不会丢，也不会被覆盖。
// 伪代码示例：双缓冲初始化
#define BUF_SIZE 256
uint8_t buffer_a[BUF_SIZE];
uint8_t buffer_b[BUF_SIZE];
void dma_init(void) {
// 配置DMA通道，目标地址为buffer_a
// 传输完成中断触发后，切换目标地址到buffer_b
// 同时置位标志位，通知主循环处理buffer_a
}
void main_loop(void) {
while(1) {
if(buffer_a_ready) {
process_data(buffer_a, BUF_SIZE);
buffer_a_ready = 0;
}
if(buffer_b_ready) {
process_data(buffer_b, BUF_SIZE);
buffer_b_ready = 0;
}
// 其他任务...
}
}4.3.3 环形缓冲区（Ring Buffer）
如果数据流是连续的，双缓冲可能不够用。这时候用环形缓冲区。DMA持续往环形缓冲区写数据，CPU从缓冲区读数据。只要读的速度大于写的速度，就不会丢数据。
嗯，这里要注意：环形缓冲区要处理好“写指针追尾读指针”的问题。我一般留一个空位作为“满标志”，避免读写指针相等时无法区分空和满。
警告：我曾经在一个项目中，环形缓冲区写指针追上了读指针，导致新数据覆盖了未处理的老数据。算法算出来的心率直接跳到了200bpm。后来加了“半满中断”才解决——当缓冲区使用超过50%时，强制提高CPU处理优先级。
4.4 实战建议：医疗贴片的数据采集架构
最后，我分享一下个人常用的架构：
- 传感器层：每个传感器独立配置，开启DMA传输模式
- DMA层：每个传感器对应一个DMA通道，使用双缓冲
- 缓存层：DMA中断里，将数据从双缓冲搬到环形缓冲区
- 处理层：主循环或RTOS任务，从环形缓冲区取数据，做滤波、融合、打包
- 输出层：通过UART或BLE将数据发送出去
这个架构我用了好几年，在多个医疗贴片项目里验证过。数据不丢、时间戳准确、CPU占用率低。你想想看，如果CPU大部分时间都在睡觉，那电池续航自然就长了。
好了，这一章就到这里。下一章我们聊聊传感器数据怎么滤波——别小看这一步，有时候一个卡尔曼滤波器能救活整个项目。