第2章系统架构设计

第2章：系统架构设计——硬件架构选型、软件分层设计、数据流与事件流设计

好，咱们进入第二章。上一章我们把心电监护仪的需求理清楚了，现在该动真格的了——搭架子。

系统架构设计这事儿，说白了就是回答三个问题：用什么硬件跑？软件怎么分层？数据怎么流动？ 这三个问题想明白了，后面写代码、调板子才不会乱成一锅粥。

我个人习惯，做嵌入式系统设计，先画一张大图。把硬件框、软件层、数据流向全画在一张纸上。嗯，这张图就是咱们这章的骨架。

2.1 硬件架构选型

先聊硬件。心电监护仪对硬件的要求其实挺明确的：

要能实时采集心电信号（ADC得够快）
要能处理算法（CPU不能太弱）
要能显示波形（屏幕驱动得跟上）
要能联网报警（Wi-Fi/以太网得有）
最关键的是——绝对不能死机

我在项目中遇到过选型翻车的情况。有一回选了颗性价比很高的MCU，结果跑完心电滤波算法后，CPU占用率飙到95%，连刷屏都卡。后来硬着头皮换了颗带硬件浮点运算的芯片，才把问题解决。

所以我的建议是：主控芯片至少预留30%的性能余量。别卡着极限选型，那是给自己挖坑。

下面是我个人比较推荐的一套硬件架构：

模块	推荐选型	说明
主控MCU	STM32H743 / NXP i.MX RT1050	Cortex-M7内核，带FPU，主频400MHz+
心电前端	ADS1292R / AD8232	集成右腿驱动、导联脱落检测
显示	7寸LCD (800x480) + RGB接口	刷新率至少30fps，波形才不卡顿
存储	W25Q64 (8MB Flash) + MicroSD	事件日志存SD卡，固件放Flash
通信	ESP32-S3 (Wi-Fi) + W5500 (以太网)	双通道冗余，断网自动切换
电源管理	TPS63070 + 电池充电管理	支持电池/市电无缝切换

⚠️ 避坑指南： 我曾经在选心电前端时贪便宜用了某国产ADC，结果共模抑制比不够，工频干扰滤都滤不掉。后来老老实实换回TI的ADS1292R，问题一次解决。心电信号是微伏级别的，前端芯片的钱不能省。

2.2 软件分层设计

硬件选好了，接下来是软件。你想想看，一个心电监护仪的软件有多复杂？

底层要驱动ADC、LCD、SD卡
中间层要跑滤波算法、心率计算、心律失常检测
上层要处理用户交互、报警逻辑、事件记录

如果不分层，全揉在一个main.c里，那维护起来就是噩梦。我见过一个项目，整个工程就三个文件：main.c、interrupt.c、utils.c。后来加需求，改一个地方崩三个功能，最后只能重写。

所以我一直坚持四层架构：

┌─────────────────────────────────────┐
│         应用层 (App Layer)           │
│  用户界面、报警管理、事件记录、网络服务 │
├─────────────────────────────────────┤
│         业务层 (Service Layer)       │
│  心率计算、心律失常检测、数据缓存管理   │
├─────────────────────────────────────┤
│         驱动抽象层 (HAL)             │
│  ADC驱动、LCD驱动、SD卡驱动、Wi-Fi驱动 │
├─────────────────────────────────────┤
│         硬件层 (Hardware)            │
│  MCU、心电前端、LCD、SD卡、Wi-Fi模块  │
└─────────────────────────────────────┘

每一层只跟相邻层打交道。应用层不直接操作寄存器，驱动层不关心业务逻辑。这样改一层，其他层基本不用动。

举个例子：

假设我们要把LCD从7寸换成5寸，分辨率变了。在分层架构下，我只需要改驱动抽象层里的LCD驱动，把初始化参数和绘图函数改一下。应用层里的波形绘制代码完全不用动——它调用的还是LCD_DrawLine()、LCD_FillRect()这些接口。

💡 我的小技巧： 驱动抽象层的接口命名，我习惯用 HAL_模块名_功能() 的格式。比如 HAL_ADC_Start()、HAL_LCD_DisplayWave()。这样一看就知道是哪个模块、干什么用的。团队协作时，这个命名规范能省不少沟通成本。

2.3 数据流与事件流设计

架构搭好了，数据怎么流？事件怎么传？这是整个系统能不能跑稳的关键。

先看数据流。心电数据从采集到显示，经过的路径是这样的：

采集：心电前端芯片以250Hz~500Hz的采样率，把模拟信号转成数字信号
预处理：MCU通过SPI/DMA读取数据，做50Hz工频陷波、基线漂移滤波
分析：滤波后的数据送入心率计算模块，同时做心律失常检测
缓存：原始数据和计算结果存入环形缓冲区，供显示和事件记录使用
显示：UI模块每隔40ms从缓冲区取数据，刷新波形
存储：异常事件触发时，将前后各5秒的数据打包，写入SD卡

这里有个坑，我踩过：数据流不能有阻塞。采集线程如果等显示线程画完图才继续采，那采样率就稳不住。我的做法是：采集用DMA+双缓冲，采集线程只管往缓冲区写，显示线程只管从缓冲区读，互不干扰。

再看事件流。事件流处理的是「发生了什么事」，比如：

用户按了报警静音键
心率超过120bpm
导联脱落
SD卡写满

这些事件怎么传递？我推荐用事件队列。任何模块产生事件，就往队列里丢。事件处理线程从队列里取事件，分发给对应的处理函数。

事件结构体长这样：

typedef struct {
    uint32_t event_id;      // 事件ID，比如 EVT_HR_ALARM
    uint32_t timestamp;     // 事件发生时间戳
    uint8_t  priority;      // 优先级：0紧急，1高，2普通
    uint8_t  source;        // 来源模块：0采集，1分析，2UI
    union {
        uint32_t value;     // 数值型数据，比如心率值
        char     str[32];   // 字符串型数据，比如错误描述
    } data;
} Event_t;

🔑 核心原则： 事件处理必须快。我曾经在事件处理函数里写了个SD卡写入操作，结果卡了200ms，导致UI刷新丢帧。后来把所有耗时操作都丢到任务队列里异步处理，事件处理函数只做「记录+通知」，不做「执行」。

最后说说事件记录。心电监护仪有个硬性要求：异常事件必须记录，且不能丢失。我的方案是：

事件发生时，先写入环形缓冲区（内存里，速度快）
同时启动一个延迟写入任务，500ms后将事件写入SD卡
如果SD卡写入失败（比如卡被拔出），事件保留在环形缓冲区，每隔1秒重试一次
环形缓冲区满了怎么办？覆盖最旧的事件。但紧急事件（如心脏骤停）不能被覆盖，单独开一个保护区

这个方案我用了好几年，没出过丢事件的问题。说白了就是：内存做缓冲，SD卡做持久化，重试机制兜底。

嗯，第二章就到这儿。硬件选型、软件分层、数据流事件流，这三个东西搭好了，后面的开发就是往这个架子里填代码。下一章我们开始写真正的代码——心电数据采集与预处理。

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