第三章 系统架构设计：主控芯片选型、模块划分与通信协议
好，咱们进入第三章。这一章我打算聊聊系统架构设计。说白了，就是决定「用什么脑子、带什么器官、怎么说话」。
很多新手一上来就画原理图，结果做到一半发现芯片管脚不够用，或者蓝牙连不上。嗯，我当年也干过这种事。后来学乖了——先想清楚架构，再动手。
3.1 主控芯片选型：STM32 vs ESP32
理疗仪的主控芯片，我建议你在 STM32 和 ESP32 之间二选一。这两款我都用过，各有各的脾气。
核心结论：
- STM32：适合对实时性要求高、需要多路 PWM 精确控制的场景。比如中频理疗仪、电刺激仪。
- ESP32：适合需要 Wi-Fi/蓝牙联网、OTA 升级、数据上云的场景。比如智能理疗仪、远程康复设备。
我个人习惯这样选：如果产品需要「本地闭环控制」，选 STM32；如果需要「云端交互」，选 ESP32。当然，也有两者结合的做法——STM32 做控制，ESP32 做通信，但成本会高一些。
来，看个对比表，更直观：
| 对比项 | STM32F103（主流款） | ESP32（经典款） |
|---|---|---|
| 主频 | 72 MHz | 240 MHz（双核） |
| PWM 定时器 | 4 个通用定时器，支持多通道 | 2 个 MCPWM，精度略低 |
| ADC 精度 | 12 位，1μs 转换时间 | 12 位，但噪声稍大 |
| 无线通信 | 需外挂模块 | 内置 Wi-Fi + BLE |
| 开发难度 | 中等，HAL 库成熟 | 较低，Arduino 生态丰富 |
| 成本（批量） | 约 8-15 元 | 约 12-20 元 |
我的经验：如果你做的是低频理疗仪（比如 TENS），STM32F103 完全够用。我做过一个项目，用 STM32 同时控制 4 路独立 PWM，每路频率 1-250Hz 可调，占空比 10%-90%，跑起来稳得很。
避坑指南：我曾经在一个项目中选了 ESP32 做纯控制，结果发现它的 PWM 分辨率在低频段不够细腻。后来加了外部 PWM 驱动芯片才解决。所以，如果你对 PWM 精度要求很高，优先考虑 STM32。
3.2 模块划分：理疗仪的「五脏六腑」
理疗仪的系统，我习惯分成 5 个模块。你想想看，就像一个人——有大脑、有心脏、有手脚、有嘴巴耳朵、还有皮肤。
- 主控模块：就是芯片本身，负责逻辑运算、时序控制、通信管理。
- 电源模块：把电池或 USB 的电压，转换成各模块需要的电压。理疗仪常用 3.3V（主控）、5V（驱动）、12V（升压输出）。
- 驱动模块：把主控的 PWM 信号放大，变成能刺激人体的电流或电压。这里常用 H 桥电路或专用驱动芯片。
- 人机交互模块：按键、旋钮、OLED 屏幕、蜂鸣器。用户怎么调参数、怎么看状态，全靠它。
- 通信模块：蓝牙或 Wi-Fi，用于连接手机 App 或云端。ESP32 自带，STM32 需要外挂。
我画过一张模块关系图，大概是这样：
电源模块
│
▼
主控模块 ←→ 人机交互模块（按键/屏幕）
│
├──→ 驱动模块 → 电极输出
│
└──→ 通信模块 → 手机 App每个模块之间，用明确的接口连接。比如主控和驱动之间，就是几根 GPIO 线——PWM、使能、方向。这样设计的好处是：哪个模块出问题，单独换掉就行，不用动整个板子。
我的习惯：先画模块框图，再画原理图。模块框图用 Visio 或 Draw.io 都行，关键是理清信号流向。我一般会标出每个模块的供电电压、最大电流、通信速率，这样后面选型时心里有数。
3.3 通信协议选择：让模块「说同一种语言」
模块之间怎么通信？说白了，就是选协议。理疗仪里常用的就三种：I2C、SPI、UART。另外，如果涉及无线，还有 BLE 和 Wi-Fi。
我直接说结论：
- I2C：适合接传感器、OLED 屏幕、EEPROM。两根线（SCL、SDA），速度 100-400kHz。优点是管脚少，缺点是速度慢、不适合大数据量。
- SPI：适合接高速 ADC、DAC、Flash 存储。四根线（MOSI、MISO、SCK、CS），速度可达几十 MHz。我一般用它来传输波形数据。
- UART：适合接蓝牙模块、GPS 模块、调试串口。两根线（TX、RX），异步通信。简单可靠，但只能点对点。
- BLE（蓝牙低功耗）：适合手机 App 控制。ESP32 内置，STM32 需外挂模块（如 HC-08、CC2541）。
- Wi-Fi：适合数据上云、OTA 升级。ESP32 的强项。
来，看个实际案例。我做过一个理疗仪，内部通信是这样分配的：
主控（STM32F103）
├── I2C1 → OLED 屏幕（0.96寸，128x64）
├── I2C2 → 温度传感器（LM75）
├── SPI1 → DAC 芯片（MCP4921，输出波形）
├── UART1 → 蓝牙模块（HC-08，连接手机）
└── GPIO → 按键、LED、蜂鸣器你看，每个外设都用最合适的协议。OLED 和传感器用 I2C，因为数据量小、管脚省；DAC 用 SPI，因为需要高速更新波形数据；蓝牙用 UART，因为模块本身只支持串口。
避坑指南：我曾经在一个项目里，把所有外设都挂到 I2C 总线上。结果屏幕刷新时，传感器数据就丢了。为什么？I2C 是半双工，多个设备抢总线。后来我把屏幕改到 SPI，问题解决。所以，记住：I2C 适合低速、少量设备；SPI 适合高速、大数据量。
3.4 实战建议：从选型到落地的三步走
好，理论讲完了。我直接给你一个可执行的步骤：
- 第一步：列需求清单。把理疗仪的功能全部写下来。比如：几路输出？频率范围？要不要蓝牙？电池供电还是插电？屏幕多大？
- 第二步：选主控。根据需求，在 STM32 和 ESP32 之间选。如果拿不准，我建议先选 STM32F103，资料多、坑少。
- 第三步：画模块框图。把每个模块的接口、供电、通信协议标清楚。这一步花 1 小时，后面省 10 小时。
我的经验：选型时，多留 20% 的余量。比如你需要 4 路 PWM，选一个有 6 路定时器的芯片。为什么？因为后期加功能时，你不会被管脚限制住。我吃过这个亏——一个项目做到一半，发现 PWM 不够用，只能换芯片，重新画板子，浪费了两周。
嗯，这一章就到这里。下一章我们开始讲硬件电路设计，从电源模块入手。到时候我会分享一些「让电池多用半小时」的小技巧。