系统架构设计：硬件架构与软件分层

好，咱们进入第二章。系统架构设计，说白了就是给分拣机画一张「施工蓝图」。我做了这么多年嵌入式，见过太多项目一上来就写代码，写到一半发现引脚不够用、电源带不动、状态机乱成一锅粥。嗯，咱们今天就把这事聊透。

一、硬件架构：五大模块怎么搭

分拣机的硬件，我习惯拆成五个部分：电源、主控、驱动、传感、通信。你想想看，这就像人的身体——电源是心脏，主控是大脑，驱动是肌肉，传感是感官，通信是神经。

1. 电源模块

电源设计，我吃过不少亏。有一次项目里用了便宜的DC-DC模块，结果电机一启动，主控直接复位。后来查了半天，是电源纹波太大。

我个人习惯在电源入口加一个TVS管，再串一个自恢复保险丝。别省这个钱，我曾经因为没加TVS，雷雨天气烧了三块板子。

2. 主控模块

主控选型，我建议看三点：

• 外设数量：至少2路UART（一路给触摸屏，一路给上位机），3路定时器（PWM输出），1路SPI（给传感器）
• 处理能力：分拣机不需要跑Linux，STM32F4系列或者国产GD32F4系列足够了
• 引脚余量：留20%的GPIO做扩展，你永远不知道客户会加什么功能

我最近一个项目用的GD32F407，主频200MHz，跑FreeRTOS，带6个电机和8个传感器，绰绰有余。

3. 驱动模块

电机驱动是分拣机的核心。分拣机一般用步进电机或者直流有刷电机。

电机类型	驱动芯片	控制方式	适用场景
步进电机	DRV8825 / A4988	脉冲+方向	精准定位（分拣臂）
直流有刷	L298N / TB6612	PWM+方向	传送带
无刷电机	ESC（电子调速器）	PWM信号	高速旋转（离心分拣）

驱动电路要注意加续流二极管和光耦隔离。我之前偷懒没加光耦，电机启停时主控直接死机——教训啊。

4. 传感模块

分拣机常用的传感器：

• 光电传感器：检测物体有无，我用E3Z系列的，稳定
• 颜色传感器：TCS34725，I2C接口，分拣颜色用
• 称重传感器：HX711+应变片，分拣重量用
• 限位开关：机械式或者霍尔式，做原点定位

传感器布线要注意屏蔽。我遇到过传感器数据跳变，后来发现是电机线跟信号线走一起了。分开走线，加磁环，问题解决。

5. 通信模块

分拣机一般需要跟PLC或者MES系统通信。常用方案：

• RS485：工业现场最稳，Modbus协议，距离1000米没问题
• CAN总线：实时性高，适合多机协同
• 以太网：数据量大，但成本高
• WiFi/蓝牙：调试用可以，工业现场不推荐

二、软件架构：三层分离，各司其职

软件架构我坚持分层设计。为什么？因为不分层的代码，三个月后你自己都看不懂。我接手过一个项目，所有逻辑写在一个main.c里，5000行，改一个bug要花三天。

1. 驱动层

驱动层直接操作硬件寄存器。说白了，就是给上层提供API。

// 驱动层示例：步进电机驱动
void stepper_init(void);
void stepper_set_speed(uint16_t rpm);
void stepper_move_steps(int32_t steps);
uint8_t stepper_get_status(void);

驱动层要做的：

• 初始化外设时钟、GPIO、定时器
• 提供硬件抽象接口
• 处理中断服务函数

注意：驱动层不要加业务逻辑。我曾经看到有人在驱动层写分拣算法，那叫一个乱。

2. 中间件层

中间件层是承上启下的。它封装了常用的功能模块：

• FreeRTOS：任务调度、信号量、消息队列
• 协议栈：Modbus从站协议、自定义通信协议
• 算法库：PID控制、滤波算法、颜色识别
• 日志系统：环形缓冲区、串口打印

中间件层的好处是：换主控芯片时，只需要改驱动层，中间件和应用层基本不动。

3. 应用层

应用层就是业务逻辑。分拣机的应用层包括：

• 状态机管理（下面细说）
• 用户交互（按键、触摸屏）
• 分拣策略（按颜色、按重量、按形状）
• 异常处理（卡料、缺料、过载）

三、状态机设计：分拣机的灵魂

状态机，说白了就是分拣机的大脑。它决定了机器在什么条件下做什么事。我见过太多人用一堆if-else来写状态逻辑，结果状态一多，代码就成了一团乱麻。

状态机的基本要素

一个完整的状态机包含：

• 状态：机器当前处于什么阶段
• 事件：触发状态切换的条件
• 动作：进入/退出状态时执行的操作
• 转移：状态之间的跳转规则

分拣机的典型状态

我设计的分拣机状态机一般包含以下状态：

typedef enum {
    STATE_IDLE,          // 空闲等待
    STATE_DETECT,        // 检测物料
    STATE_CLASSIFY,      // 分类判断
    STATE_SORT,          // 执行分拣
    STATE_ERROR,         // 错误处理
    STATE_CALIBRATE      // 校准模式
} SorterState;

状态转移图

状态转移的逻辑：

• IDLE → DETECT：传感器检测到物料
• DETECT → CLASSIFY：物料信息采集完成
• CLASSIFY → SORT：分类结果确定
• SORT → IDLE：分拣动作完成
• 任何状态 → ERROR：出现异常（卡料、超时）
• ERROR → IDLE：手动复位或自动恢复

代码实现示例

void sorter_task(void *param) {
    SorterEvent event;
    while(1) {
        event = get_next_event();  // 从队列获取事件
        switch(current_state) {
            case STATE_IDLE:
                if(event == EVT_DETECT) {
                    motor_start();          // 动作
                    current_state = STATE_DETECT;
                }
                break;
            case STATE_DETECT:
                if(event == EVT_DATA_READY) {
                    classify_material();    // 动作
                    current_state = STATE_CLASSIFY;
                } else if(event == EVT_TIMEOUT) {
                    current_state = STATE_ERROR;
                }
                break;
            // ... 其他状态处理
        }
    }
}

状态机设计要点

• 状态要正交：每个状态只做一件事，不要一个状态既检测又分拣
• 事件要明确：事件来源要清晰（传感器、定时器、通信、用户）
• 要有默认处理：switch语句一定要加default，处理未定义事件
• 状态机可视化：我习惯先画状态转移图，再写代码。用draw.io或者手画都行

好了，系统架构设计就聊到这儿。硬件架构是骨架，软件分层是肌肉，状态机是灵魂。三者缺一不可。下一章咱们开始讲具体的硬件选型和电路设计，到时候我会把踩过的坑一个一个说给你听。