jiahong
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# 自然写智能点阵笔嵌入式固件软件 V1.0
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## 软件鉴别材料 — 嵌入式软件设计说明书
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**软件全称**：自然写智能点阵笔嵌入式固件软件
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**软件版本**：V1.0
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**权利人**：深圳自然写科技有限公司
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**文档类型**：嵌入式固件软件设计说明书
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**文档编号**：WRITECH-FIRMWARE-DS-001
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**编制日期**：2026年2月
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**密级**：内部资料
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## 目录
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- 第一章 软件整体概述
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- 1.1 软件简介与功能综述
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- 1.2 软件用途与适用场景
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- 1.3 运行环境与硬件平台
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- 1.4 开发语言与工具链
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- 1.5 版本说明
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- 第二章 系统架构与设计思路
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- 2.1 总体架构设计
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- 2.2 RTOS任务模型
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- 2.3 各层次详细说明
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- 2.4 数据设计
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- 2.5 接口设计（BLE GATT）
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- 2.6 安全设计
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- 2.7 Flash分区规划
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- 第三章 核心模块功能详细说明
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- 3.1 main.c — 主程序与RTOS启动
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- 3.2 driver/camera.c — 点阵摄像头驱动
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- 3.3 driver/pressure.c — 压力传感器驱动
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- 3.4 driver/battery.c — 电池电量监测驱动
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- 3.5 codec/dot_decoder.c — 点阵码坐标解码
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- 3.6 codec/stroke_encoder.c — 笔迹数据编码打包
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- 3.7 task/image_capture_task.c — 图像采集任务
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- 3.8 task/coord_calc_task.c — 坐标计算任务
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- 3.9 task/ble_send_task.c — BLE数据发送任务
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- 3.10 task/power_task.c — 电源管理任务
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- 3.11 task/led_task.c — LED状态指示任务
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- 3.12 task/ota_task.c — OTA固件升级任务
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- 3.13 cache/offline_cache.c — 离线数据缓存
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- 3.14 power/power_manager.c — 低功耗状态机
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- 第四章 操作流程与使用步骤
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- 4.1 点阵笔开机流程
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- 4.2 蓝牙配对与连接流程
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- 4.3 书写采集与数据传输流程
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- 4.4 离线书写与数据同步流程
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- 4.5 充电与电量管理
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- 4.6 OTA固件升级流程
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- 4.7 出厂校准与测试流程
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- 4.8 常见问题处理
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- 第五章 与源代码的对应关系
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- 5.1 模块与源代码文件对应表
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- 5.2 核心函数说明
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- 5.3 寄存器与GATT特征定义
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- 附录A BLE GATT服务定义表
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- 附录B 硬件外设寄存器说明
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- 附录C 术语表
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- 附录D 版本历史
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## 第一章 软件整体概述
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### 1.1 软件简介与功能综述
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自然写智能点阵笔嵌入式固件软件（以下简称"笔固件"）是运行于自然写智能点阵笔主控MCU芯片上的嵌入式实时操作系统软件，是整个互动课堂系统最基础的数据采集端软件。笔固件负责控制点阵摄像头连续采集点阵纸面图像，对图像进行实时解码以获取精确的书写坐标，并通过蓝牙BLE协议将坐标流实时发送至网关或终端设备。
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笔固件采用RTOS（FreeRTOS / RT-Thread）实时操作系统，以多任务并发的方式同时处理图像采集、坐标解算、蓝牙发送、电源管理、LED指示等功能，各任务按优先级调度，确保100Hz的高频坐标采样率和低延迟蓝牙传输。
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**主要功能模块综述：**
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| 功能模块 | 说明 |
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| 点阵摄像头图像采集 | 控制CMOS摄像头以100fps速率连续采集点阵图像 |
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| 点阵码坐标解码 | 对采集图像实时解码，解算出高精度书写坐标（分辨率0.01mm） |
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| 压力传感器数据采集 | 读取笔尖压力传感器ADC值，检测落笔/抬笔事件 |
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| BLE数据传输 | 通过BLE 5.0 GATT Notify方式将坐标流发送至连接的设备 |
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| 设备配对与连接管理 | 管理BLE连接配对，支持存储最多4个已配对设备 |
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| 低功耗电源管理 | 实现Active/Idle/Sleep/DeepSleep四级电源状态，延长续航 |
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| 电池电量监测 | ADC采样电池电压，计算电量百分比，低电量提示 |
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| LED状态指示 | 通过RGB LED显示连接状态、充电状态、电量告警 |
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| 离线数据缓存 | 无连接时在外部Flash缓存笔迹数据（容量4MB） |
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| OTA固件升级 | 支持通过BLE DFU协议接收固件包并安全升级 |
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### 1.2 软件用途与适用场景
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笔固件专为互动课堂智能点阵笔设计，支持以下使用场景：
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**场景一：课堂实时书写**
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学生使用点阵笔在配套点阵纸上书写作业、答题或练字。笔固件以100Hz频率采集坐标，通过BLE实时传输至网关或算力盒，实现云端或边缘AI的即时识别与反馈。
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**场景二：离线书写缓存**
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当BLE未连接（如课前预习、课后作业）时，笔固件将书写坐标缓存至外部Flash存储（最多约10万个坐标点，约相当于10页A4纸的书写量）。当与设备重新连接后，自动同步缓存数据。
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**场景三：移动教学（教师手持）**
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教师手持点阵笔在任意位置书写，笔固件通过BLE将笔迹实时传输至教师手机APP，实现移动式板书和批注。
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**场景四：字帖练字**
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配合练字字帖，笔固件高精度采集用户笔顺和坐标，由上层软件进行笔顺分析和书写规范性评测。
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**适用硬件：**
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| 硬件参数 | 规格 |
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| 主控MCU | Nordic Semiconductor nRF52840 / STM32WB55 |
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| BLE协议版本 | Bluetooth Low Energy 5.0 |
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| 摄像头 | 定制CMOS点阵摄像头模组（DFOV 20°，100fps） |
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| 压力传感器 | 电阻式力敏传感器，量程0-150g，12位ADC |
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| 外部Flash | SPI NOR Flash，4MB（如W25Q32） |
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| 电池 | 锂电池 150mAh，续航约8小时（连接状态） |
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| 充电 | USB Type-C，500mA充电电流 |
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### 1.3 运行环境与硬件平台
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**主控芯片规格（以nRF52840为例）：**
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| 项目 | 规格 |
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| 处理器架构 | ARM Cortex-M4F，64MHz |
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| 内部SRAM | 256KB |
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| 内部Flash | 1MB（Bootloader + App A + App B + NVS） |
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| BLE协议栈 | Nordic SoftDevice S140（BLE 5.0） |
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| 外设接口 | SPI×3、I2C×2、ADC 12位×8通道、UART×2、GPIO |
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| 电源范围 | 1.7V ~ 5.5V |
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| 低功耗模式 | System ON Sleep：1.5μA；System OFF：0.2μA |
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**RTOS运行要求：**
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| 组件 | 版本 / 规格 |
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|------|------------|
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| FreeRTOS | V10.4.3（或 RT-Thread 4.1.0） |
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| Nordic SoftDevice | S140 v7.3.0（BLE协议栈） |
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| 最小栈空间 | 每任务最小512字节栈 |
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| 总SRAM需求 | 约180KB（含协议栈、任务栈、数据缓冲） |
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**外部硬件接口：**
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| 外设 | 接口 | 连接说明 |
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|------|------|---------|
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| 点阵摄像头 | SPI（最高8MHz） | 图像数据读取（每帧~1KB） |
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| 摄像头控制 | GPIO（3引脚） | 电源使能/帧同步/曝光控制 |
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| 压力传感器 | ADC（12位） | 笔尖压力模拟量采样 |
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| 外部Flash | SPI（最高50MHz） | 离线坐标缓存 |
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| 充电管理IC | I2C | 充电状态与电池电压读取 |
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| LED | GPIO（RGB三色） | 状态指示 |
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| 振动马达 | GPIO | 反馈振动（配对成功/低电量提示） |
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### 1.4 开发语言与工具链
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**开发语言：**
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| 语言 | 标准 | 用途 |
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| C | C99 / C11 | 全部固件源代码 |
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| 汇编 | ARM Thumb-2 | 中断向量表、启动文件（startup_nrf52840.s） |
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**工具链：**
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| 工具 | 版本 | 说明 |
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|------|------|------|
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| ARM GCC | 11.2-2022.02 | C/汇编编译器 |
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| GNU Make | 4.3 | 构建系统 |
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| nRF5 SDK | 17.1.0 | Nordic嵌入式SDK（BLE、驱动、HAL） |
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| J-Link | V7.80 | 调试器（SWD接口） |
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| nRF Connect | 4.0 | BLE调试与协议分析工具 |
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| OpenOCD | 0.11.0 | 开源调试接口（备用） |
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| Python | 3.9 | 固件打包脚本、Flash烧写工具 |
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**代码规范：**
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- 命名：宏定义全大写下划线（`MAX_CONNECTIONS`），函数小写下划线（`ble_send_data`），全局变量`g_`前缀，静态变量`s_`前缀
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- 中断服务程序（ISR）中禁止调用任何RTOS阻塞API
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- 所有硬件访问通过驱动层封装，禁止在业务层直接操作寄存器
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- 每个源文件不超过500行，超过需拆分
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### 1.5 版本说明
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| 版本 | 日期 | 主要变更 |
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|------|------|---------|
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| V0.3 Alpha | 2025年6月 | 基础BLE连接、坐标采集与发送 |
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| V0.7 Beta | 2025年9月 | 离线缓存、点阵码解码算法优化（精度提升） |
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| V0.9 RC | 2025年11月 | OTA升级、低功耗优化（续航延长30%） |
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| V1.0 | 2026年2月 | 正式版：安全加固、压力感应优化、LED动效 |
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## 第二章 系统架构与设计思路
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### 2.1 总体架构设计
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笔固件采用经典的嵌入式RTOS分层架构，自下而上分为五层：硬件抽象层、驱动层、协议栈层、应用任务层和系统管理层。各层之间通过明确定义的API接口通信，保证层间解耦，便于移植和维护。
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```
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┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 应用任务层（Application Tasks） │
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│ 图像采集任务 │ 坐标计算任务 │ BLE发送任务 │ 电源监测任务 │ OTA任务 │
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├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ 系统管理层（System Management Layer） │
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│ 配对管理 │ 离线缓存管理 │ LED控制 │ 日志/错误处理 │
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├────────────────────────────┬─────────────────────────────────────┤
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│ BLE协议栈层 │ 图像处理层 │
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│ Nordic SoftDevice S140 │ 点阵码解码算法（dot_decoder.c） │
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│ GATT Server / BLE SMP │ 笔画编码打包（stroke_encoder.c） │
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├────────────────────────────┴─────────────────────────────────────┤
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||
│ 硬件驱动层（Driver Layer） │
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│ 摄像头驱动 │ 压力传感器驱动 │ Flash驱动 │ 充电IC驱动 │ LED驱动 │
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├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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||
│ 硬件抽象层（HAL / nRF SDK） │
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│ GPIO HAL │ SPI HAL │ ADC HAL │ I2C HAL │ Timer HAL │
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||
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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||
│ 硬件层（MCU + 外设） │
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||
│ nRF52840 ARM M4F │ CMOS摄像头 │ Flash │ 传感器 │ BLE天线 │
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└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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### 2.2 RTOS任务模型
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笔固件运行6个RTOS并发任务，各任务独立调度，通过队列、信号量和事件组进行同步：
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| 任务名称 | 优先级 | 栈大小 | 调度方式 | 说明 |
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|---------|-------|--------|---------|------|
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| `image_capture_task` | 最高（5） | 1024B | 100Hz定时触发 | 摄像头图像采集 |
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| `coord_calc_task` | 高（4） | 2048B | 事件触发（图像就绪） | 点阵码解码与坐标计算 |
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| `ble_send_task` | 高（4） | 1024B | 事件触发（坐标就绪） | BLE Notify发送 |
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| `power_task` | 中（3） | 512B | 1Hz定时 | 电量采样与功耗管理 |
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| `led_task` | 低（2） | 512B | 事件触发 | LED状态控制 |
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| `ota_task` | 最低（1） | 4096B | 触发式（BLE DFU命令） | OTA固件升级 |
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**任务间通信机制：**
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```
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任务间通信机制示意：
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image_capture_task
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│ 采集到新图像帧
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│──写入图像队列──→ coord_calc_task
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│ 解码完成，坐标就绪
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│──写入坐标队列──→ ble_send_task
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│
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│──发送BLE Notify
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power_task
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│ 低电量事件
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│──发布事件组──→ led_task（闪烁红灯）
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│──发布事件组──→ ble_send_task（发送电量通知）
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||
│──状态切换──→ power_manager（Sleep策略调整）
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||
ble连接状态回调（SoftDevice中断）
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├──→ ble_send_task（连接/断开通知）
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├──→ led_task（状态灯切换）
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└──→ power_manager（调整功耗模式）
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```
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### 2.3 各层次详细说明
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**硬件抽象层（HAL）**
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硬件抽象层基于Nordic nRF5 SDK提供的HAL API，封装了GPIO、SPI、ADC、I2C等基础外设操作。所有驱动层代码通过HAL接口访问硬件，不直接操作寄存器，保证代码可移植性。
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**硬件驱动层（Driver Layer）**
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驱动层为每个外设提供独立的C模块：
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- `driver/camera.c`：CMOS摄像头驱动（SPI读取图像帧数据，GPIO控制曝光）
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- `driver/pressure.c`：压力传感器ADC采样驱动（12位ADC，过采样16次取均值）
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- `driver/battery.c`：电池电量检测（分压电路ADC采样，查表法计算电量百分比）
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- `driver/flash.c`：外部SPI NOR Flash驱动（页读写、扇区擦除、磨损均衡）
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- `driver/led.c`：RGB LED驱动（PWM控制色彩，支持呼吸灯、闪烁等动效）
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**BLE协议栈层**
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采用Nordic SoftDevice S140作为BLE 5.0协议栈，以软件"协议栈"方式与应用代码共存于同一芯片，通过SVC调用（Supervisor Call）接口访问。
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GATT Server定义了3个自定义Service：
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- **Writech Pen Data Service**（UUID: `FFF0`）：笔迹坐标数据传输
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- **Writech Device Info Service**（UUID: `FFF1`）：设备信息读取
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- **Writech DFU Service**（UUID: `FFF2`）：OTA固件升级
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**图像处理层**
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图像处理层实现点阵码图案的识别与坐标解算：
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- `codec/dot_decoder.c`：从摄像头原始灰度图像中识别Anoto点阵码图案，解算出全球唯一的纸面坐标（精度0.01mm，分辨率600DPI）
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- `codec/stroke_encoder.c`：将坐标数据打包为压缩二进制格式，支持差分编码（降低数据量约60%）
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**应用任务层**
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应用任务层运行各业务RTOS任务，处理各功能的具体业务逻辑。每个任务在独立栈空间中运行，通过FreeRTOS队列和事件组进行协作。
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### 2.4 数据设计
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**Flash分区规划：**
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```
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nRF52840 内部Flash（1MB = 0x00100000）分区布局：
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地址范围 | 大小 | 用途
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--------------------|-------|----------------------------------
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0x00000000-0x00026FFF | 156KB | Nordic SoftDevice S140（BLE协议栈）
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0x00027000-0x0002FFFF | 36KB | Bootloader（含OTA引导逻辑）
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0x00030000-0x0008FFFF | 384KB | Application分区A（当前运行）
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0x00090000-0x000EFFFF | 384KB | Application分区B（OTA升级目标分区）
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0x000F0000-0x000FDFFF | 56KB | NVS（非易失性存储：配对信息/设备配置）
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0x000FE000-0x000FFFFF | 8KB | 保留（厂商信息/校准参数）
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||
```
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|
||
**外部Flash分区（4MB SPI NOR Flash）：**
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```
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外部SPI NOR Flash 分区布局（4MB = 0x00400000）：
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地址范围 | 大小 | 用途
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--------------------|-------|----------------------------------
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0x000000-0x3EFFFF | ~4MB | 离线坐标缓存（FIFO环形队列）
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0x3F0000-0x3FFFFF | 64KB | 保留（扩展配置/校准数据）
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```
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**内存（SRAM 256KB）使用分配：**
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| 区域 | 大小 | 说明 |
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|------|------|------|
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| SoftDevice保留 | 约64KB | BLE协议栈内部使用 |
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| 图像缓冲区（双缓冲） | 2 × 4KB = 8KB | 摄像头图像帧数据（乒乓缓冲） |
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| 坐标队列 | 2KB | 待发送坐标数据队列（FreeRTOS队列） |
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| 离线缓存写缓冲 | 4KB | 写入外部Flash的批量缓冲 |
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| BLE发送缓冲 | 1KB | BLE Notify待发送数据包队列 |
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||
| 任务栈合计 | 约9KB | 6个任务的栈空间之和 |
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| 全局变量/堆 | 约24KB | 驱动状态、RTOS对象、临时缓冲 |
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||
**核心数据结构（C结构体）：**
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```c
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||
/* 坐标数据帧（coord_data.h） */
|
||
/* 每帧7字节，100Hz采样率下每秒700字节 */
|
||
typedef struct {
|
||
uint16_t x; /* 点阵X坐标（0~65535，精度0.01mm） */
|
||
uint16_t y; /* 点阵Y坐标（0~65535，精度0.01mm） */
|
||
uint8_t pressure; /* 笔尖压力（0~255，0=抬笔） */
|
||
uint8_t seq; /* 序列号（0~255循环，用于丢包检测） */
|
||
uint8_t flags; /* 标志位：bit0=pen_up, bit1=battery_low */
|
||
} coord_frame_t; /* 总大小：7字节 */
|
||
|
||
/* BLE数据包（每包最多包含34个坐标帧，238字节，适配BLE MTU=247）*/
|
||
typedef struct {
|
||
uint8_t packet_type; /* 0x01=坐标数据，0x02=电量，0x03=离线同步 */
|
||
uint8_t frame_count; /* 本包中坐标帧数量（1~34） */
|
||
uint16_t base_timestamp; /* 本包第一帧的时间戳低16位（毫秒） */
|
||
coord_frame_t frames[34]; /* 坐标帧数组 */
|
||
} ble_stroke_packet_t;
|
||
|
||
/* NVS存储的配对信息（per_bond.h） */
|
||
typedef struct {
|
||
uint8_t peer_addr[6]; /* 配对设备蓝牙地址 */
|
||
uint8_t ltk[16]; /* Long-Term Key（加密密钥） */
|
||
uint8_t irk[16]; /* Identity Resolving Key */
|
||
uint8_t peer_name[20]; /* 设备名称（可选） */
|
||
uint32_t last_connect_ts;/* 最后连接时间戳（Unix秒） */
|
||
} bond_info_t; /* 最多存储4条配对记录 */
|
||
|
||
/* 外部Flash离线缓存帧头（flash_cache.h） */
|
||
typedef struct {
|
||
uint32_t magic; /* 魔数：0xAA55CC33，用于帧对齐检测 */
|
||
uint32_t timestamp; /* 书写时间戳（Unix秒） */
|
||
uint16_t frame_count; /* 本组帧数量 */
|
||
uint16_t crc16; /* 本组数据CRC16校验和 */
|
||
} cache_group_header_t;
|
||
```
|
||
|
||
### 2.5 接口设计（BLE GATT）
|
||
|
||
**GATT Service和Characteristic定义：**
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||
|
||
**Service 1：Writech Pen Data Service（UUID: FFF0）**
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||
|
||
| Characteristic | UUID | 属性 | 说明 |
|
||
|---------------|------|------|------|
|
||
| Stroke Data | FFF1 | Notify | 实时笔迹坐标流（每包1~34帧坐标） |
|
||
| Pen Control | FFF2 | Write | 接收控制指令（开始/停止采集/请求电量） |
|
||
| Battery Level | FFF3 | Read / Notify | 电池电量（0~100%，低电量时主动Notify） |
|
||
|
||
**Service 2：Writech Device Info Service（UUID: FEE0）**
|
||
|
||
| Characteristic | UUID | 属性 | 说明 |
|
||
|---------------|------|------|------|
|
||
| Device Serial | FEE1 | Read | 设备序列号（16字节ASCII） |
|
||
| Firmware Version | FEE2 | Read | 固件版本号（如"V1.0.0"） |
|
||
| Hardware Version | FEE3 | Read | 硬件版本号（如"HW_R1.2"） |
|
||
| Calibration Params | FEE4 | Read / Write | 摄像头校准参数（出厂写入，可刷新） |
|
||
|
||
**Service 3：Writech DFU Service（UUID: FEF0）**
|
||
|
||
| Characteristic | UUID | 属性 | 说明 |
|
||
|---------------|------|------|------|
|
||
| DFU Control | FEF1 | Write / Indicate | OTA控制（开始/暂停/取消/确认） |
|
||
| DFU Packet | FEF2 | Write Without Response | 固件包分块传输（每块20字节） |
|
||
| DFU Status | FEF3 | Indicate | OTA进度上报（百分比/错误码） |
|
||
|
||
**BLE广播数据包格式：**
|
||
|
||
```
|
||
ADV_IND广播包：
|
||
├── Flags: LE General Discoverable Mode, BR/EDR Not Supported
|
||
├── Complete Local Name: "Writech-XXXXXX"（后6位为设备序列号后缀）
|
||
├── 16-bit Service UUID: FFF0（Writech Pen Data Service）
|
||
└── Manufacturer Specific Data:
|
||
byte[0-1]: 公司ID（深圳自然写科技，0x0FF2）
|
||
byte[2]: 设备类型（0x01=点阵笔）
|
||
byte[3]: 电量（0~100）
|
||
byte[4]: 固件主版本号
|
||
byte[5]: 连接状态（bit0=是否已连接）
|
||
```
|
||
|
||
### 2.6 安全设计
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||
|
||
**BLE连接安全（LE Secure Connections）：**
|
||
|
||
笔固件采用BLE 5.0 LE Secure Connections配对方案：
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||
- 使用ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman）密钥交换生成配对密钥
|
||
- 配对方式：Numeric Comparison（数字比对），用户在设备端确认6位数字一致
|
||
- 配对完成后建立LTK（Long-Term Key），后续重连使用LTK直接加密，无需重新配对
|
||
- LTK存储在内部Flash NVS区域，启用读保护防止被读取
|
||
|
||
**固件安全（Flash读保护）：**
|
||
|
||
```c
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||
/* 启用APPROTECT（访问端口保护），防止调试器读取Flash内容 */
|
||
/* 在Bootloader中设置：UICR.APPROTECT = 0xFFFFFF00 */
|
||
#define ENABLE_APPROTECT_ON_PRODUCTION 1
|
||
|
||
#if ENABLE_APPROTECT_ON_PRODUCTION
|
||
static void enable_flash_protection(void) {
|
||
/* 如果APPROTECT未锁定，执行锁定并重启 */
|
||
if (NRF_UICR->APPROTECT != 0xFFFFFF00) {
|
||
nrf_nvmc_uicr_write(&NRF_UICR->APPROTECT, 0xFFFFFF00);
|
||
NVIC_SystemReset();
|
||
}
|
||
}
|
||
#endif
|
||
```
|
||
|
||
**OTA升级安全：**
|
||
|
||
```
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||
固件包安全验证流程（ota_task.c）：
|
||
1. 接收完整固件包（BLE分块传输）
|
||
2. CRC32文件完整性校验（防止传输损坏）
|
||
3. RSA-2048签名验证（使用烧录在NVS中的厂商公钥）
|
||
4. 版本号校验（防止降级攻击，新版本号必须 > 当前版本）
|
||
5. 写入B分区（App B区）
|
||
6. 设置A/B引导标志，下次重启从B分区启动
|
||
7. 重启后验证B分区CRC（Bootloader执行）
|
||
8. 验证通过→正式切换；验证失败→清除B分区标志，继续从A分区启动
|
||
```
|
||
|
||
**离线缓存数据完整性：**
|
||
|
||
每个离线缓存组写入外部Flash时计算CRC16校验和，读取时验证。若发现数据损坏（CRC不匹配），自动跳过该组，防止坏数据污染后续数据同步。
|
||
|
||
**看门狗（Watchdog Timer）：**
|
||
|
||
硬件看门狗定时器配置为32秒超时。软件在主任务中每10秒执行一次"喂狗"操作。若固件因死锁或异常未能及时喂狗，看门狗触发硬件复位，恢复正常运行。
|
||
|
||
### 2.7 Flash分区规划
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||
|
||
```
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||
内部Flash Bootloader设计：
|
||
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
|
||
│ Bootloader（偏移0x27000，大小36KB） │
|
||
│ │
|
||
│ 上电 → 检查OTA标志位（NVS） │
|
||
│ ├── 标志 = "SWITCH_TO_B" → 验证B分区 │
|
||
│ │ ├── CRC32验证通过 + RSA签名验证通过 │
|
||
│ │ │ → 清除标志，从B分区启动 │
|
||
│ │ └── 验证失败 → 清除标志，保持A分区启动 │
|
||
│ └── 无标志（正常情况）→ 从A分区启动 │
|
||
│ │
|
||
│ 从目标分区跳转执行（设置MSP + 跳转到Reset_Handler） │
|
||
└──────────────────────────────────────────────────────┘
|
||
```
|
||
|
||
---
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||
## 第三章 核心模块功能详细说明
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### 3.1 main.c — 主程序与RTOS启动
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||
`main.c`是固件的启动入口，负责硬件初始化、BLE协议栈配置和RTOS任务创建。
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||
**启动流程：**
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||
```c
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||
int main(void) {
|
||
/* 1. 时钟系统初始化（HFXO 32MHz晶振，LFXO 32.768kHz晶振） */
|
||
clocks_init();
|
||
|
||
/* 2. 日志系统初始化（RTT日志，调试期使用） */
|
||
log_init();
|
||
|
||
/* 3. GPIO初始化（摄像头使能脚、LED、振动马达） */
|
||
gpio_init();
|
||
|
||
/* 4. SPI总线初始化（摄像头SPI + Flash SPI） */
|
||
spi_init();
|
||
|
||
/* 5. ADC初始化（压力传感器 + 电池电压） */
|
||
adc_init();
|
||
|
||
/* 6. 外部Flash驱动初始化（挂载离线缓存文件系统） */
|
||
flash_driver_init();
|
||
offline_cache_init();
|
||
|
||
/* 7. BLE协议栈初始化（SoftDevice使能） */
|
||
ble_stack_init();
|
||
|
||
/* 8. GATT Service初始化（注册3个自定义Service） */
|
||
gatt_services_init();
|
||
|
||
/* 9. 广播初始化（配置ADV数据包，不立即开始广播） */
|
||
advertising_init();
|
||
|
||
/* 10. NVS初始化（读取配对信息 + 设备配置） */
|
||
nvs_init();
|
||
peer_manager_init();
|
||
|
||
/* 11. 电源管理初始化 */
|
||
power_manager_init();
|
||
|
||
/* 12. 看门狗定时器初始化（32秒超时） */
|
||
wdt_init();
|
||
|
||
/* 13. 创建RTOS任务 */
|
||
xTaskCreate(image_capture_task, "IMG", 1024, NULL, 5, NULL);
|
||
xTaskCreate(coord_calc_task, "CORD", 2048, NULL, 4, NULL);
|
||
xTaskCreate(ble_send_task, "BLE", 1024, NULL, 4, NULL);
|
||
xTaskCreate(power_task, "PWR", 512, NULL, 3, NULL);
|
||
xTaskCreate(led_task, "LED", 512, NULL, 2, NULL);
|
||
xTaskCreate(ota_task, "OTA", 4096, NULL, 1, NULL);
|
||
|
||
/* 14. 开始BLE广播 */
|
||
advertising_start();
|
||
|
||
/* 15. 启动RTOS调度器（此后main不再返回） */
|
||
vTaskStartScheduler();
|
||
|
||
/* 不应到达此处 */
|
||
for(;;);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
**BLE协议栈初始化（ble_stack_init）：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* main.c — BLE协议栈初始化 */
|
||
static void ble_stack_init(void) {
|
||
uint32_t err_code;
|
||
uint32_t ram_start = 0;
|
||
|
||
/* 使能SoftDevice（指定低频时钟源：外部32.768kHz晶振） */
|
||
err_code = nrf_sdh_enable_request();
|
||
APP_ERROR_CHECK(err_code);
|
||
|
||
/* 配置SoftDevice BLE参数 */
|
||
ble_cfg_t ble_cfg;
|
||
memset(&ble_cfg, 0, sizeof(ble_cfg));
|
||
|
||
/* 最大连接数：1个主设备 + 0个从设备 */
|
||
ble_cfg.conn_cfg.conn_cfg_tag = APP_BLE_CONN_CFG_TAG;
|
||
ble_cfg.conn_cfg.params.gap_conn_cfg.conn_count = 1;
|
||
ble_cfg.conn_cfg.params.gap_conn_cfg.event_length = 6;
|
||
err_code = sd_ble_cfg_set(BLE_CONN_CFG_GAP, &ble_cfg, ram_start);
|
||
APP_ERROR_CHECK(err_code);
|
||
|
||
/* 使能SoftDevice BLE协议栈 */
|
||
err_code = nrf_sdh_ble_enable(&ram_start);
|
||
APP_ERROR_CHECK(err_code);
|
||
|
||
/* 注册BLE事件处理回调 */
|
||
NRF_SDH_BLE_OBSERVER(m_ble_observer, APP_BLE_OBSERVER_PRIO,
|
||
ble_evt_handler, NULL);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.2 driver/camera.c — 点阵摄像头驱动
|
||
|
||
点阵摄像头驱动控制定制CMOS摄像头模组，实现100fps高频图像采集。
|
||
|
||
**摄像头初始化序列：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* driver/camera.c */
|
||
#define CAMERA_SPI_INSTANCE 0 /* SPI0 */
|
||
#define CAMERA_CS_PIN NRF_GPIO_PIN_MAP(0, 3)
|
||
#define CAMERA_VSYNC_PIN NRF_GPIO_PIN_MAP(0, 4)
|
||
#define CAMERA_PWDN_PIN NRF_GPIO_PIN_MAP(0, 5)
|
||
#define CAMERA_IMAGE_SIZE 1024 /* 每帧图像字节数（32×32像素灰度图） */
|
||
|
||
/* 摄像头初始化（通过SPI写入寄存器配置序列） */
|
||
ret_code_t camera_init(void) {
|
||
ret_code_t err;
|
||
|
||
/* 1. 拉低PWDN脚（上电使能摄像头） */
|
||
nrf_gpio_pin_clear(CAMERA_PWDN_PIN);
|
||
nrf_delay_ms(10); /* 等待摄像头稳定 */
|
||
|
||
/* 2. 软复位 */
|
||
camera_write_reg(REG_RESET, 0x80);
|
||
nrf_delay_ms(5);
|
||
|
||
/* 3. 配置曝光时间（针对点阵纸反射强度优化） */
|
||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_H, 0x00);
|
||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_L, 0x64); /* 曝光时间约100us */
|
||
|
||
/* 4. 配置增益（自动增益控制使能） */
|
||
camera_write_reg(REG_GAIN_CTRL, 0x07); /* AGC使能，最大增益×8 */
|
||
|
||
/* 5. 配置帧率（100fps：PCLK分频系数） */
|
||
camera_write_reg(REG_CLKDIV, 0x01); /* 不分频，最大帧率 */
|
||
|
||
/* 6. 配置输出格式（8位灰度，32×32像素） */
|
||
camera_write_reg(REG_FORMAT, 0x00); /* 灰度模式 */
|
||
|
||
/* 7. 验证ID寄存器（防止硬件不兼容） */
|
||
uint8_t chip_id;
|
||
err = camera_read_reg(REG_CHIP_ID, &chip_id);
|
||
if (err != NRF_SUCCESS || chip_id != EXPECTED_CHIP_ID) {
|
||
return NRF_ERROR_NOT_FOUND;
|
||
}
|
||
|
||
return NRF_SUCCESS;
|
||
}
|
||
|
||
/* 采集一帧图像（由image_capture_task调用，每10ms一次） */
|
||
ret_code_t camera_capture_frame(uint8_t *buf, uint16_t buf_size) {
|
||
if (buf_size < CAMERA_IMAGE_SIZE) return NRF_ERROR_DATA_SIZE;
|
||
|
||
/* 等待VSYNC信号（帧同步，确保从帧起始处读取） */
|
||
uint32_t timeout = 1000;
|
||
while (nrf_gpio_pin_read(CAMERA_VSYNC_PIN) == 0 && timeout--);
|
||
if (timeout == 0) return NRF_ERROR_TIMEOUT;
|
||
|
||
/* SPI DMA读取图像数据（1024字节） */
|
||
return spi_dma_read(CAMERA_SPI_INSTANCE, buf, CAMERA_IMAGE_SIZE);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.3 driver/pressure.c — 压力传感器驱动
|
||
|
||
压力传感器驱动读取笔尖压力ADC值，检测落笔（pen_down）和抬笔（pen_up）事件，并提供压感数值供上层使用。
|
||
|
||
**ADC采样与落笔检测：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* driver/pressure.c */
|
||
#define PRESSURE_ADC_CHANNEL NRF_SAADC_INPUT_AIN0
|
||
#define PRESSURE_THRESHOLD_LOW 50 /* ADC值低于此值认为是抬笔（12位ADC，最大4095） */
|
||
#define PRESSURE_THRESHOLD_HIGH 80 /* ADC值高于此值认为是落笔 */
|
||
#define PRESSURE_OVERSAMPLE 16 /* 过采样次数，提升精度 */
|
||
|
||
/* 全局状态：当前落笔状态 */
|
||
static bool s_is_pen_down = false;
|
||
|
||
/* 采样一次压力值（含过采样平均） */
|
||
ret_code_t pressure_sample(uint8_t *pressure_normalized) {
|
||
int32_t sum = 0;
|
||
nrf_saadc_value_t sample;
|
||
|
||
/* 16次过采样取均值（降低噪声） */
|
||
for (int i = 0; i < PRESSURE_OVERSAMPLE; i++) {
|
||
nrf_drv_saadc_sample_convert(0, &sample);
|
||
sum += sample;
|
||
}
|
||
int32_t avg = sum / PRESSURE_OVERSAMPLE;
|
||
|
||
/* 归一化到 0~255 */
|
||
*pressure_normalized = (uint8_t)((avg * 255) / 4095);
|
||
|
||
/* 滞回检测（防止抖动触发误报） */
|
||
if (!s_is_pen_down && avg > PRESSURE_THRESHOLD_HIGH) {
|
||
s_is_pen_down = true;
|
||
/* 发布落笔事件到事件组 */
|
||
xEventGroupSetBitsFromISR(g_pen_events, EVENT_PEN_DOWN, NULL);
|
||
} else if (s_is_pen_down && avg < PRESSURE_THRESHOLD_LOW) {
|
||
s_is_pen_down = false;
|
||
/* 发布抬笔事件到事件组 */
|
||
xEventGroupSetBitsFromISR(g_pen_events, EVENT_PEN_UP, NULL);
|
||
}
|
||
|
||
return NRF_SUCCESS;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.4 driver/battery.c — 电池电量监测驱动
|
||
|
||
```c
|
||
/* driver/battery.c */
|
||
/* 电池电量（电压→百分比）查表法（基于锂电池放电曲线） */
|
||
/* 电压采用分压电路采样（2:1分压，实际电池电压=ADC读数×2×3.6V/4095） */
|
||
|
||
static const uint16_t s_voltage_table[] = {
|
||
/* 电压（mV）: 4200, 4100, 4000, 3900, 3800, 3700, 3600, 3500, 3400, 3300 */
|
||
4200, 4100, 4000, 3900, 3800, 3700, 3600, 3500, 3400, 3300
|
||
};
|
||
static const uint8_t s_percent_table[] = {
|
||
/* 对应百分比: 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 40%, 20%, 10%, 5%, 0% */
|
||
100, 90, 80, 70, 60, 40, 20, 10, 5, 0
|
||
};
|
||
|
||
uint8_t battery_get_level(void) {
|
||
nrf_saadc_value_t adc_val;
|
||
nrf_drv_saadc_sample_convert(1, &adc_val); /* ADC通道1：电池电压 */
|
||
|
||
/* 计算实际电压（mV）：ADC_val * 2 * 3600mV / 4095 */
|
||
uint32_t voltage_mv = (uint32_t)adc_val * 7200 / 4095;
|
||
|
||
/* 查表插值计算电量百分比 */
|
||
for (int i = 0; i < 9; i++) {
|
||
if (voltage_mv >= s_voltage_table[i]) {
|
||
/* 线性插值 */
|
||
uint32_t diff_v = s_voltage_table[i] - s_voltage_table[i+1];
|
||
uint32_t diff_p = s_percent_table[i] - s_percent_table[i+1];
|
||
uint32_t offset = (s_voltage_table[i] - voltage_mv) * diff_p / diff_v;
|
||
return (uint8_t)(s_percent_table[i] - offset);
|
||
}
|
||
}
|
||
return 0; /* 电压过低 */
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.5 codec/dot_decoder.c — 点阵码坐标解码
|
||
|
||
点阵码解码是笔固件中最核心的算法模块，负责从摄像头采集的32×32灰度图像中识别Anoto点阵码，并解算出全球唯一的纸面坐标。
|
||
|
||
**Anoto点阵码原理简述：**
|
||
|
||
Anoto点阵码是一种编码纸面绝对坐标的视觉编码系统：
|
||
- 纸面印刷一个由微小圆点组成的点阵图案（点间距约0.3mm，600DPI打印）
|
||
- 每个圆点相对于理想网格位置有6种偏移（上/下/左/右及对角方向）
|
||
- 每个偏移值编码1位或多位信息（取决于编码方案版本）
|
||
- 摄像头拍摄6×6区域的点阵图案即可解算出该区域的全球唯一坐标
|
||
|
||
**解码流程（定点数优化实现）：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* codec/dot_decoder.c */
|
||
/* 为嵌入式MCU优化：使用Q15定点数替代浮点运算 */
|
||
|
||
typedef int16_t q15_t; /* Q15定点数：1位符号 + 15位小数 */
|
||
#define Q15_ONE (1 << 15)
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 从图像中解码点阵坐标
|
||
* @param image 输入灰度图像（32×32字节）
|
||
* @param x_out 输出X坐标（单位：0.01mm）
|
||
* @param y_out 输出Y坐标（单位：0.01mm）
|
||
* @return 0=成功，负值=解码失败（图像模糊/超出覆盖区域等）
|
||
*/
|
||
int32_t dot_decode(const uint8_t *image,
|
||
uint32_t *x_out, uint32_t *y_out) {
|
||
|
||
/* Step 1: 二值化（Otsu自适应阈值，定点数版本） */
|
||
uint8_t threshold = otsu_threshold_q15(image, 32*32);
|
||
uint8_t binary[32*32];
|
||
for (int i = 0; i < 32*32; i++) {
|
||
binary[i] = (image[i] < threshold) ? 1 : 0; /* 暗点=1，亮背景=0 */
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 2: 连通域检测，提取圆点中心坐标列表 */
|
||
dot_center_t centers[MAX_DOTS_PER_FRAME]; /* 最多36个点（6×6区域） */
|
||
int dot_count = find_dot_centers(binary, 32, 32, centers);
|
||
|
||
if (dot_count < 20) {
|
||
return DOT_ERR_TOO_FEW_DOTS; /* 识别到的点太少，图像质量不足 */
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 3: 估计点阵网格参数（间距、旋转角度） */
|
||
grid_params_t grid;
|
||
if (estimate_grid_params(centers, dot_count, &grid) != 0) {
|
||
return DOT_ERR_GRID_ESTIMATION_FAILED;
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 4: 将各圆点映射到网格位置，计算偏移量 */
|
||
uint8_t offsets[36]; /* 最多6×6=36个点的偏移编码 */
|
||
int offset_count = calculate_dot_offsets(
|
||
centers, dot_count, &grid, offsets);
|
||
|
||
/* Step 5: 从偏移序列解码坐标值（查GF2^m有限域码表） */
|
||
uint32_t x_raw, y_raw;
|
||
if (decode_position_from_offsets(offsets, offset_count,
|
||
&x_raw, &y_raw) != 0) {
|
||
return DOT_ERR_POSITION_DECODE_FAILED;
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 6: 坐标精化（亚像素级精度，利用圆点中心的插值位置） */
|
||
q15_t sub_x, sub_y;
|
||
compute_subpixel_offset(centers, dot_count, &grid, &sub_x, &sub_y);
|
||
|
||
/* Step 7: 合并整数坐标与亚像素偏移，输出0.01mm精度坐标 */
|
||
/* 1个基本坐标单位 = 0.3mm = 30个0.01mm单位 */
|
||
*x_out = x_raw * 30 + (int32_t)sub_x * 30 / Q15_ONE;
|
||
*y_out = y_raw * 30 + (int32_t)sub_y * 30 / Q15_ONE;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
**解码性能指标：**
|
||
|
||
| 指标 | 规格 |
|
||
|------|------|
|
||
| 解码延迟（正常图像） | < 3ms（@64MHz M4F，含全部步骤） |
|
||
| 坐标精度 | 0.01mm（亚像素级精度） |
|
||
| 识别率（正常书写） | ≥ 99.5%（图像质量合格条件下） |
|
||
| 抗倾斜范围 | ±15°笔倾斜角（DFOV 20°摄像头视野内） |
|
||
| 最大书写速度 | 1.5m/s（100Hz采样，间距15mm以内不丢点） |
|
||
|
||
### 3.6 codec/stroke_encoder.c — 笔迹数据编码打包
|
||
|
||
笔迹编码器将原始坐标帧数组打包为BLE传输格式，采用差分编码降低数据量。
|
||
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||
**差分编码原理：**
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||
由于相邻坐标帧之间的位移通常较小（书写速度有限），使用差分编码（存储坐标差值而非绝对坐标）可大幅压缩数据量：
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||
- 第一帧发送绝对坐标（4字节xy）
|
||
- 后续帧发送与前一帧的差值（如差值范围在±127内，仅需1字节/维）
|
||
- 典型情况下数据量减少约60%
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||
```c
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||
/* codec/stroke_encoder.c */
|
||
uint16_t stroke_encode_packet(
|
||
const coord_frame_t *frames, /* 输入：坐标帧数组 */
|
||
uint8_t frame_count, /* 帧数 */
|
||
uint8_t *out_buf, /* 输出：BLE数据包缓冲区 */
|
||
uint16_t buf_size) { /* 返回：实际填充字节数 */
|
||
|
||
if (frame_count == 0 || !frames || !out_buf) return 0;
|
||
|
||
uint8_t *ptr = out_buf;
|
||
|
||
/* 包头：类型(1B) + 帧数(1B) + 时间戳(2B) */
|
||
*ptr++ = PKT_TYPE_STROKE;
|
||
*ptr++ = frame_count;
|
||
uint16_t base_ts = (uint16_t)(frames[0].seq * 10); /* 基准时间（毫秒低16位） */
|
||
memcpy(ptr, &base_ts, 2); ptr += 2;
|
||
|
||
/* 第一帧：绝对坐标 */
|
||
memcpy(ptr, &frames[0].x, 2); ptr += 2;
|
||
memcpy(ptr, &frames[0].y, 2); ptr += 2;
|
||
*ptr++ = frames[0].pressure;
|
||
*ptr++ = frames[0].flags;
|
||
|
||
/* 后续帧：差分编码 */
|
||
for (int i = 1; i < frame_count; i++) {
|
||
int16_t dx = (int16_t)(frames[i].x - frames[i-1].x);
|
||
int16_t dy = (int16_t)(frames[i].y - frames[i-1].y);
|
||
|
||
/* 编码标志位：bit7=dx扩展（需2字节），bit6=dy扩展 */
|
||
uint8_t enc_flags = frames[i].flags;
|
||
if (dx < -127 || dx > 127) enc_flags |= 0x80;
|
||
if (dy < -127 || dy > 127) enc_flags |= 0x40;
|
||
*ptr++ = enc_flags;
|
||
|
||
if (enc_flags & 0x80) { memcpy(ptr, &dx, 2); ptr += 2; }
|
||
else { *ptr++ = (int8_t)dx; }
|
||
|
||
if (enc_flags & 0x40) { memcpy(ptr, &dy, 2); ptr += 2; }
|
||
else { *ptr++ = (int8_t)dy; }
|
||
|
||
*ptr++ = frames[i].pressure;
|
||
}
|
||
|
||
return (uint16_t)(ptr - out_buf);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.7 task/image_capture_task.c — 图像采集任务
|
||
|
||
图像采集任务是固件中优先级最高的任务，以100Hz（每10ms一次）定时触发，驱动摄像头采集图像并放入图像队列供坐标计算任务处理。
|
||
|
||
```c
|
||
/* task/image_capture_task.c */
|
||
/* 双缓冲（Ping-Pong）设计：采集任务写入缓冲区A时，计算任务处理缓冲区B */
|
||
static uint8_t s_img_buf_a[CAMERA_IMAGE_SIZE];
|
||
static uint8_t s_img_buf_b[CAMERA_IMAGE_SIZE];
|
||
static bool s_use_buf_a = true; /* 当前采集写入哪个缓冲区 */
|
||
|
||
void image_capture_task(void *param) {
|
||
TickType_t last_wake_time = xTaskGetTickCount();
|
||
const TickType_t period = pdMS_TO_TICKS(10); /* 10ms = 100Hz */
|
||
|
||
for (;;) {
|
||
/* 精确10ms周期触发（vTaskDelayUntil保证累计误差不漂移） */
|
||
vTaskDelayUntil(&last_wake_time, period);
|
||
|
||
/* 喂看门狗（每10ms喂一次，超时32秒触发复位） */
|
||
nrf_drv_wdt_channel_feed(g_wdt_channel);
|
||
|
||
/* 选择当前写入缓冲区 */
|
||
uint8_t *write_buf = s_use_buf_a ? s_img_buf_a : s_img_buf_b;
|
||
|
||
/* 采集一帧图像（SPI DMA，非阻塞） */
|
||
ret_code_t err = camera_capture_frame(write_buf, CAMERA_IMAGE_SIZE);
|
||
|
||
if (err == NRF_SUCCESS) {
|
||
/* 将缓冲区指针发送到坐标计算队列（不阻塞，满则丢帧） */
|
||
BaseType_t sent = xQueueSend(g_image_queue, &write_buf, 0);
|
||
if (sent == pdTRUE) {
|
||
/* 切换缓冲区 */
|
||
s_use_buf_a = !s_use_buf_a;
|
||
} else {
|
||
/* 队列满：坐标计算任务处理不过来，丢弃本帧 */
|
||
g_stat_dropped_frames++;
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.8 task/coord_calc_task.c — 坐标计算任务
|
||
|
||
坐标计算任务从图像队列读取图像帧，调用点阵码解码算法计算坐标，并将坐标数据帧写入坐标队列。
|
||
|
||
```c
|
||
/* task/coord_calc_task.c */
|
||
void coord_calc_task(void *param) {
|
||
uint8_t *img_buf;
|
||
coord_frame_t frame;
|
||
uint8_t seq = 0;
|
||
|
||
for (;;) {
|
||
/* 阻塞等待图像队列 */
|
||
if (xQueueReceive(g_image_queue, &img_buf, portMAX_DELAY) != pdTRUE) {
|
||
continue;
|
||
}
|
||
|
||
/* 采样压力值（与图像同步，保证时序对应） */
|
||
uint8_t pressure;
|
||
pressure_sample(&pressure);
|
||
|
||
/* 调用点阵码解码算法 */
|
||
uint32_t x, y;
|
||
int32_t decode_result = dot_decode(img_buf, &x, &y);
|
||
|
||
if (decode_result == 0) {
|
||
/* 解码成功：构建坐标帧 */
|
||
frame.x = (uint16_t)(x & 0xFFFF);
|
||
frame.y = (uint16_t)(y & 0xFFFF);
|
||
frame.pressure = pressure;
|
||
frame.seq = seq++;
|
||
frame.flags = (pressure < PRESSURE_THRESHOLD_LOW) ? FLAG_PEN_UP : 0;
|
||
|
||
/* 低电量标志 */
|
||
if (battery_get_level() <= BATTERY_LOW_THRESHOLD) {
|
||
frame.flags |= FLAG_BATTERY_LOW;
|
||
}
|
||
|
||
/* 写入坐标队列（BLE发送任务消费） */
|
||
xQueueSend(g_coord_queue, &frame, 0);
|
||
|
||
/* 如果BLE未连接，写入离线Flash缓存 */
|
||
if (!ble_is_connected()) {
|
||
offline_cache_write(&frame);
|
||
}
|
||
|
||
} else {
|
||
/* 解码失败（图像模糊/笔尖抬起）：发送纯压力帧 */
|
||
frame.x = 0;
|
||
frame.y = 0;
|
||
frame.pressure = pressure;
|
||
frame.seq = seq++;
|
||
frame.flags = FLAG_PEN_UP | FLAG_NO_POSITION;
|
||
|
||
if (pressure < PRESSURE_THRESHOLD_LOW) {
|
||
/* 确认抬笔，向BLE发送抬笔事件 */
|
||
xQueueSend(g_coord_queue, &frame, 0);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.9 task/ble_send_task.c — BLE数据发送任务
|
||
|
||
BLE发送任务从坐标队列读取坐标帧，积累一定数量后打包编码，通过BLE Notify方式发送至已连接的设备。
|
||
|
||
```c
|
||
/* task/ble_send_task.c */
|
||
#define BLE_NOTIFY_INTERVAL_MS 20 /* 每20ms发送一次（50Hz发送，100Hz采样2帧/包） */
|
||
#define MAX_FRAMES_PER_PKT 34 /* 每包最多34帧（适配BLE MTU=247字节） */
|
||
|
||
void ble_send_task(void *param) {
|
||
coord_frame_t batch[MAX_FRAMES_PER_PKT];
|
||
uint8_t batch_count = 0;
|
||
TickType_t last_send_time = xTaskGetTickCount();
|
||
|
||
for (;;) {
|
||
coord_frame_t frame;
|
||
/* 等待坐标帧（最多等到下次发送时刻） */
|
||
TickType_t wait_time = pdMS_TO_TICKS(BLE_NOTIFY_INTERVAL_MS);
|
||
|
||
if (xQueueReceive(g_coord_queue, &frame, wait_time) == pdTRUE) {
|
||
batch[batch_count++] = frame;
|
||
}
|
||
|
||
/* 达到发送时间或包满 → 打包发送 */
|
||
bool time_to_send = (xTaskGetTickCount() - last_send_time) >=
|
||
pdMS_TO_TICKS(BLE_NOTIFY_INTERVAL_MS);
|
||
|
||
if ((batch_count > 0) && (time_to_send || batch_count >= MAX_FRAMES_PER_PKT)) {
|
||
|
||
if (ble_is_connected() && ble_notify_enabled()) {
|
||
/* 编码为BLE数据包 */
|
||
uint8_t pkt_buf[BLE_MAX_MTU];
|
||
uint16_t pkt_len = stroke_encode_packet(
|
||
batch, batch_count, pkt_buf, sizeof(pkt_buf));
|
||
|
||
/* 发送BLE Notify */
|
||
uint32_t err = ble_nus_data_send(
|
||
&m_ble_conn_handle, pkt_buf, &pkt_len);
|
||
|
||
if (err == NRF_SUCCESS) {
|
||
g_stat_ble_packets_sent++;
|
||
g_stat_ble_bytes_sent += pkt_len;
|
||
} else if (err == NRF_ERROR_RESOURCES) {
|
||
/* BLE发送缓冲区满，重试（最多3次） */
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5));
|
||
ble_nus_data_send(&m_ble_conn_handle, pkt_buf, &pkt_len);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
batch_count = 0;
|
||
last_send_time = xTaskGetTickCount();
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.10 task/power_task.c — 电源管理任务
|
||
|
||
电源管理任务以1Hz频率运行，负责电量采样、充电状态监测和功耗模式转换。
|
||
|
||
**功耗模式转换策略：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* task/power_task.c */
|
||
/* 电源状态机定义 */
|
||
typedef enum {
|
||
POWER_STATE_ACTIVE, /* 活跃：BLE连接且持续书写 */
|
||
POWER_STATE_IDLE, /* 空闲：BLE连接但无书写（持续5秒） */
|
||
POWER_STATE_SLEEP, /* 休眠：无BLE连接（保留广播，降低摄像头帧率） */
|
||
POWER_STATE_DEEP_SLEEP /* 深度休眠：无书写且无BLE超过3分钟 */
|
||
} power_state_t;
|
||
|
||
static power_state_t s_power_state = POWER_STATE_SLEEP;
|
||
static uint32_t s_idle_seconds = 0; /* 空闲计时 */
|
||
static uint32_t s_no_write_seconds = 0; /* 无书写计时 */
|
||
|
||
void power_task(void *param) {
|
||
TickType_t last_wake = xTaskGetTickCount();
|
||
|
||
for (;;) {
|
||
vTaskDelayUntil(&last_wake, pdMS_TO_TICKS(1000)); /* 1Hz */
|
||
|
||
/* 1. 采样电池电量 */
|
||
uint8_t level = battery_get_level();
|
||
g_battery_level = level;
|
||
|
||
/* 低电量告警（≤15%：慢闪红灯；≤5%：发BLE通知后关机） */
|
||
if (level <= 5) {
|
||
ble_send_battery_notify(level);
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
|
||
power_system_off(); /* 进入System OFF（0.2μA） */
|
||
} else if (level <= 15) {
|
||
xEventGroupSetBits(g_led_events, LED_EVENT_LOW_BATTERY);
|
||
}
|
||
|
||
/* 2. 检查充电状态（通过I2C读充电IC状态寄存器） */
|
||
bool is_charging = charger_is_charging();
|
||
if (is_charging != g_is_charging) {
|
||
g_is_charging = is_charging;
|
||
xEventGroupSetBits(g_led_events, LED_EVENT_CHARGE_CHANGED);
|
||
}
|
||
|
||
/* 3. 功耗状态机转换 */
|
||
bool pen_is_writing = (g_last_coord_seq_changed_within_1s);
|
||
bool ble_connected = ble_is_connected();
|
||
|
||
power_state_t new_state = s_power_state;
|
||
|
||
switch (s_power_state) {
|
||
case POWER_STATE_ACTIVE:
|
||
if (!pen_is_writing) {
|
||
s_idle_seconds++;
|
||
if (s_idle_seconds > 5) new_state = POWER_STATE_IDLE;
|
||
} else {
|
||
s_idle_seconds = 0;
|
||
}
|
||
break;
|
||
|
||
case POWER_STATE_IDLE:
|
||
if (pen_is_writing) {
|
||
new_state = POWER_STATE_ACTIVE;
|
||
s_idle_seconds = 0;
|
||
} else if (!ble_connected) {
|
||
new_state = POWER_STATE_SLEEP;
|
||
}
|
||
break;
|
||
|
||
case POWER_STATE_SLEEP:
|
||
if (ble_connected && pen_is_writing) {
|
||
new_state = POWER_STATE_ACTIVE;
|
||
s_no_write_seconds = 0;
|
||
} else {
|
||
s_no_write_seconds++;
|
||
if (s_no_write_seconds > 180) { /* 3分钟无操作 */
|
||
new_state = POWER_STATE_DEEP_SLEEP;
|
||
}
|
||
}
|
||
break;
|
||
|
||
case POWER_STATE_DEEP_SLEEP:
|
||
/* 按下笔帽按键唤醒（SENSE引脚中断） */
|
||
break;
|
||
}
|
||
|
||
/* 状态转换处理 */
|
||
if (new_state != s_power_state) {
|
||
power_apply_state(new_state);
|
||
s_power_state = new_state;
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.11 task/led_task.c — LED状态指示任务
|
||
|
||
LED任务控制RGB三色LED，根据系统状态显示不同颜色和动效，提供直观的用户反馈。
|
||
|
||
**LED状态对应表：**
|
||
|
||
| 状态 | LED颜色 | 动效 | 说明 |
|
||
|------|---------|------|------|
|
||
| 开机/广播中 | 蓝色 | 慢闪（1Hz） | 等待蓝牙连接 |
|
||
| 配对请求 | 白色 | 快闪（4Hz） | 等待用户确认配对 |
|
||
| 已连接 | 蓝色 | 常亮 | BLE连接正常 |
|
||
| 书写中 | 蓝色 | 呼吸灯（2s周期） | 检测到书写动作 |
|
||
| 充电中 | 红色 | 慢闪（0.5Hz） | USB充电中 |
|
||
| 充电完成 | 绿色 | 常亮 | 电量100% |
|
||
| 低电量（≤15%） | 红色 | 慢闪（1Hz） | 需要充电 |
|
||
| 极低电量（≤5%） | 红色 | 快闪（4Hz） | 即将自动关机 |
|
||
| OTA升级中 | 黄色 | 快闪 | 固件升级进行中 |
|
||
| OTA成功 | 绿色 | 闪3次后熄灭 | 升级成功，即将重启 |
|
||
| OTA失败 | 红色 | 闪3次后恢复正常 | 升级失败，保持原版本 |
|
||
|
||
### 3.12 task/ota_task.c — OTA固件升级任务
|
||
|
||
OTA任务实现通过BLE DFU协议接收固件包，验证后写入B分区并触发系统重启以完成升级。
|
||
|
||
**OTA状态机：**
|
||
|
||
```c
|
||
/* task/ota_task.c */
|
||
typedef enum {
|
||
OTA_STATE_IDLE = 0,
|
||
OTA_STATE_INIT, /* 初始化：清除B分区，准备接收 */
|
||
OTA_STATE_RECEIVING, /* 接收固件分块数据 */
|
||
OTA_STATE_VERIFYING, /* 校验CRC32 + RSA签名 */
|
||
OTA_STATE_WRITING, /* 写入Flash B分区 */
|
||
OTA_STATE_DONE, /* 完成，等待重启确认 */
|
||
OTA_STATE_ERROR /* 错误，放弃升级 */
|
||
} ota_state_t;
|
||
|
||
/* OTA完成后的处理 */
|
||
static void ota_finalize_upgrade(void) {
|
||
/* 1. 在NVS中设置"切换到B分区"标志 */
|
||
nvs_write_u8(NVS_KEY_OTA_FLAG, OTA_SWITCH_TO_B);
|
||
|
||
/* 2. 发送OTA完成通知（BLE Indicate） */
|
||
ble_dfu_send_status(DFU_STATUS_SUCCESS, 100);
|
||
|
||
/* 3. 延迟1秒等待BLE数据发送完成，然后重启 */
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
|
||
|
||
/* 4. 触发软件复位（AIRCR.SYSRESETREQ） */
|
||
sd_nvic_SystemReset();
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 3.13 cache/offline_cache.c — 离线数据缓存
|
||
|
||
离线缓存模块管理外部SPI Flash的坐标数据缓存，在BLE未连接时保存书写数据，连接后自动同步。
|
||
|
||
**FIFO环形缓存设计：**
|
||
|
||
```
|
||
外部Flash 4MB，划分为：
|
||
- 4096个扇区（每扇区1KB）
|
||
- 采用双指针FIFO设计：
|
||
write_ptr：下一次写入的扇区位置
|
||
read_ptr ：下一次读取的扇区位置
|
||
|
||
写入：每组数据（group_header + N×coord_frame）对齐到扇区边界
|
||
write_ptr + 1 == read_ptr（满）时：停止写入，丢弃最新数据
|
||
读取：连接后顺序读取 read_ptr 到 write_ptr 之间的所有数据
|
||
清空：成功同步后，read_ptr = write_ptr（逻辑清空，无需实际擦除）
|
||
磨损均衡：每2000次写入后将头部扇区向后移动，均匀磨损各扇区
|
||
```
|
||
|
||
### 3.14 power/power_manager.c — 低功耗状态机
|
||
|
||
电源管理器根据功耗状态对各硬件模块进行电源控制，在不影响功能的前提下最大化续航。
|
||
|
||
**各功耗状态的硬件配置：**
|
||
|
||
| 功耗状态 | 摄像头 | ADC采样率 | BLE广播间隔 | CPU速度 | 功耗估算 |
|
||
|---------|--------|----------|------------|---------|---------|
|
||
| ACTIVE（活跃） | 100fps | 100Hz | 连接态（CI 15ms） | 64MHz | ~15mA |
|
||
| IDLE（空闲） | 10fps | 10Hz | 连接态（CI 200ms） | 16MHz | ~5mA |
|
||
| SLEEP（休眠） | 关闭 | 1Hz | 1s广播间隔 | 4MHz | ~0.5mA |
|
||
| DEEP_SLEEP（深睡） | 关闭 | 关闭 | 关闭广播 | 停止（待中断唤醒） | ~2μA |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 第四章 操作流程与使用步骤
|
||
|
||
### 4.1 点阵笔开机流程
|
||
|
||
```
|
||
用户操作：按下笔帽末端开关键（长按1.5秒开机）
|
||
│
|
||
├─ 固件检测按键中断（GPIO SENSE唤醒）
|
||
│
|
||
├─ 执行 main() 初始化流程（约300ms）
|
||
│ ├── 硬件自检（Flash R/W测试、摄像头ID校验）
|
||
│ └── 自检失败→红色快闪3次提示硬件故障
|
||
│
|
||
├─ 读取NVS配对记录
|
||
│ ├── 有配对记录→优先尝试定向广播（针对已配对设备）
|
||
│ └── 无配对记录→开启无向广播（等待新设备配对）
|
||
│
|
||
├─ 开始广播
|
||
│ └── LED：蓝色慢闪（等待连接）
|
||
│
|
||
└─ 等待BLE连接（或超时60秒后进入SLEEP模式节省电量）
|
||
```
|
||
|
||
### 4.2 蓝牙配对与连接流程
|
||
|
||
```
|
||
新设备首次配对：
|
||
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
|
||
│ 终端APP（手机/黑板） 点阵笔固件 │
|
||
│ │
|
||
│ 扫描BLE设备 ────────────────→ 广播ADV_IND │
|
||
│ 找到"Writech-XXXXXX" │
|
||
│ 点击连接 ────────────────────────────→ 接受连接请求 │
|
||
│ │
|
||
│ ←──── 连接建立（Connection Established） │
|
||
│ │
|
||
│ 发起配对请求 ────────────────→ 接受配对请求 │
|
||
│ 使用"Just Works"或"Numeric Comparison" │
|
||
│ LE Secure Connections配对开始 │
|
||
│ │
|
||
│ 显示6位确认码 ←────── 显示相同6位数字（LED白色快闪） │
|
||
│ 用户确认：Yes │
|
||
│ ────────────────────────────→ 确认配对 │
|
||
│ │
|
||
│ 配对成功：存储LTK ←──── 存储LTK到NVS（最多4条） │
|
||
│ ←──── LED：蓝色常亮（连接成功），振动马达振一下 │
|
||
│ │
|
||
│ 订阅Stroke Data Notify ────────────────→ 启用Notify │
|
||
│ 开始接收笔迹数据 ←──── 实时推送坐标数据包 │
|
||
└──────────────────────────────────────────────────────┘
|
||
```
|
||
|
||
**已配对设备重连（自动）：**
|
||
|
||
固件在广播时携带已配对设备的地址（定向广播）。已配对的终端APP在扫描时发现该广播后，自动发起重连请求，固件验证LTK后恢复加密连接，全程无需用户干预（约3秒完成重连）。
|
||
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### 4.3 书写采集与数据传输流程
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```
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学生书写流程（实时传输模式）：
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1. 用户持笔书写于点阵纸上
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│
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2. 笔尖接触纸面（压力传感器 pressure > 阈值）
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→ 触发 EVENT_PEN_DOWN
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│
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3. image_capture_task：100Hz连续采集摄像头图像
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→ 写入双缓冲图像队列
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│
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4. coord_calc_task：实时解码每帧图像
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→ 输出精确坐标（x,y,pressure,flags）
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→ 写入坐标队列
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│
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5. ble_send_task：每20ms积累2帧，打包差分编码
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→ BLE Notify发送（BLE包约20字节）
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│
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6. 笔尖离开纸面（pressure < 阈值）
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→ 触发 EVENT_PEN_UP
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→ 发送抬笔标志帧（flags |= FLAG_PEN_UP）
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7. 终端APP（网关/黑板/手机）收到坐标数据
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→ 转发至云端或算力盒进行AI识别
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```
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### 4.4 离线书写与数据同步流程
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```
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离线书写（无BLE连接时）：
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1. 笔处于SLEEP模式（无连接）
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│
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2. 用户开始书写 → 摄像头采集 → 坐标解码
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│
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3. coord_calc_task检测到BLE未连接
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→ offline_cache_write(frame) 写入外部Flash
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│
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4. 持续书写，每组数据带时间戳写入缓冲
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（缓存满4MB=约10万点=约10页书写时，停止缓存，仅更新时间戳）
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│
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离线数据同步（重新建立BLE连接时）：
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5. BLE连接建立，ble_evt_handler触发 EVT_CONNECTED
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│
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6. ble_send_task 检测到有离线数据（offline_cache_get_count() > 0）
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→ 先向对端发送"离线数据同步开始"通知
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→ 切换数据包类型为 PKT_TYPE_OFFLINE_SYNC
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│
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7. 顺序读取Flash缓存，按组发送（每组含时间戳信息）
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→ 使用 BLE GATT Indicate（需要ACK确认，保证可靠传输）
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│
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8. 所有数据发送完成
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→ 接收方确认（ACK）
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→ offline_cache_clear() 清空Flash缓存（移动read_ptr）
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→ 切换回实时传输模式
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```
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### 4.5 充电与电量管理
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```
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充电状态机：
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USB接入 → 充电IC检测到电源
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│
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├── 充电开始：LED红色慢闪
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│ 电量 < 80%：500mA快充
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│ 电量 80-100%：涓流充电
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│
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├── 充电完成（电量100%）：LED绿色常亮
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│
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└── USB拔出：LED恢复蓝色状态指示
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电量提示规则（写入BLE Notify主动上报）：
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- 电量每变化1%时：更新 Battery Level Characteristic
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- 电量降至50%：主动Notify一次（提醒用户关注电量）
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- 电量降至15%：LED红色慢闪 + 主动Notify
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||
- 电量降至5%：LED红色快闪 + Notify + 30秒后自动关机
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```
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### 4.6 OTA固件升级流程
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**通过终端APP进行OTA（用户视角）：**
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1. 厂商将新固件包（.zip，含.bin + RSA签名文件）上传至云端
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2. 终端APP（手机/PC）检测到新版本，提示用户升级
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3. 用户点击"立即升级"，APP通过BLE与点阵笔建立DFU连接
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4. APP自动完成固件下载和传输（约2-5分钟，取决于BLE信号强度）
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5. LED变为黄色快闪（升级进行中），用户保持笔与APP蓝牙距离
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6. 升级完成：LED绿色闪3次，笔自动重启（约3秒）
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7. 重启后连接，APP显示"固件已更新至vX.X.X"
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**升级异常处理：**
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| 异常情况 | 处理方式 |
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|---------|---------|
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| 传输中断（BLE断开） | 支持断点续传（记录已接收分块序号），重连后继续 |
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| CRC校验失败 | 放弃本次升级，保留A分区，LED红色闪3次 |
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| RSA签名验证失败 | 拒绝安装，视为非法固件，触发安全告警 |
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| B分区启动失败 | Bootloader自动回滚至A分区，版本不变 |
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| 升级中电量不足 | 电量<20%时拒绝启动OTA，提示先充电 |
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### 4.7 出厂校准与测试流程
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**生产烧录流程：**
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生产线操作步骤：
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1. 连接J-Link调试器（SWD接口）
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2. 烧录 Bootloader（0x27000）
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3. 烧录 SoftDevice（0x00000000）
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4. 烧录 App A 固件（0x30000）
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5. 写入 NVS 出厂信息：
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- 设备序列号（唯一，扫描二维码写入）
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- 硬件版本号
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- 摄像头校准参数（每支笔独立校准）
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6. 启用 APPROTECT（Flash读保护）
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7. 自动化测试：
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- BLE广播检测（天线测试）
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- 摄像头采集测试（点阵纸图像解码验证）
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- 压力传感器量程测试
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- 电池电量校准
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### 4.8 常见问题处理
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| 问题现象 | 可能原因 | 处理方法 |
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|---------|---------|---------|
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| 笔无法开机 | 电量耗尽 | 充电至少5分钟后再开机 |
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| BLE无法发现笔 | 广播超时进入SLEEP | 长按笔帽开关1.5秒重新开机 |
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| 书写坐标飘移 | 摄像头焦距偏移 | 联系售后，执行校准流程 |
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| 离线数据同步慢 | 缓存数据量大 | 保持BLE连接，等待同步完成（约每1000点需10秒） |
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| OTA升级失败 | 固件包版本低于当前 | 检查APP中固件版本，使用正确的升级包 |
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| LED不亮 | LED驱动故障 | 功能不受影响，联系售后检测 |
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## 第五章 与源代码的对应关系
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### 5.1 模块名称与源代码文件对应表
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| 文档章节 | 源代码文件 | 语言 | 说明 |
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|---------|----------|------|------|
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| 主程序与RTOS启动 | `main.c` | C | 系统初始化、任务创建、BLE协议栈配置 |
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| 点阵摄像头驱动 | `driver/camera.c` | C | SPI摄像头图像采集驱动 |
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| 压力传感器驱动 | `driver/pressure.c` | C | ADC压力采样，落笔/抬笔事件检测 |
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||
| 电池电量检测 | `driver/battery.c` | C | 电池电压ADC采样，查表法计算电量 |
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||
| 外部Flash驱动 | `driver/flash.c` | C | SPI NOR Flash读写驱动，磨损均衡 |
|
||
| LED驱动 | `driver/led.c` | C | RGB LED PWM驱动，动效控制 |
|
||
| 点阵码解码 | `codec/dot_decoder.c` | C | Anoto点阵码识别与坐标解算（定点数实现） |
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||
| 笔迹数据编码 | `codec/stroke_encoder.c` | C | 差分编码，BLE数据包打包 |
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||
| 图像采集任务 | `task/image_capture_task.c` | C | 100Hz定时摄像头采集RTOS任务 |
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||
| 坐标计算任务 | `task/coord_calc_task.c` | C | 调用解码算法，输出坐标帧 |
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||
| BLE数据发送任务 | `task/ble_send_task.c` | C | 坐标打包编码，BLE Notify发送 |
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||
| 电源管理任务 | `task/power_task.c` | C | 电量采样，功耗状态机管理 |
|
||
| LED状态指示任务 | `task/led_task.c` | C | 事件驱动LED动效控制 |
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||
| OTA固件升级任务 | `task/ota_task.c` | C | BLE DFU协议，固件包接收校验写入 |
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||
| 离线数据缓存 | `cache/offline_cache.c` | C | 外部Flash FIFO缓存管理 |
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||
| 低功耗管理 | `power/power_manager.c` | C | 四级功耗状态切换，硬件电源控制 |
|
||
| 配对管理 | `ble/peer_manager.c` | C | BLE配对记录NVS存取管理 |
|
||
| BLE事件处理 | `ble/ble_evt_handler.c` | C | SoftDevice BLE事件回调分发 |
|
||
| GATT Service实现 | `ble/gatt_services.c` | C | 自定义GATT Service注册与数据处理 |
|
||
| 中断向量表 | `startup/startup_nrf52840.s` | ASM | 芯片启动文件，中断向量表 |
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| 链接脚本 | `ld/nrf52840_app.ld` | LD | Flash/RAM分区分配 |
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### 5.2 核心函数说明
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| 函数名 | 所在文件 | 功能说明 |
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|--------|---------|---------|
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| `main()` | `main.c` | 固件启动入口，硬件初始化与RTOS任务创建 |
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| `camera_init()` | `driver/camera.c` | 摄像头SPI初始化，寄存器配置 |
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| `camera_capture_frame()` | `driver/camera.c` | 采集一帧图像（SPI DMA读取） |
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||
| `pressure_sample()` | `driver/pressure.c` | 采样一次压力值，检测落笔/抬笔事件 |
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||
| `battery_get_level()` | `driver/battery.c` | 读取电池电量百分比 |
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||
| `dot_decode()` | `codec/dot_decoder.c` | 核心算法：从图像解算点阵坐标 |
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||
| `otsu_threshold_q15()` | `codec/dot_decoder.c` | 定点数Otsu自适应二值化 |
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||
| `stroke_encode_packet()` | `codec/stroke_encoder.c` | 差分编码打包为BLE数据包 |
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||
| `image_capture_task()` | `task/image_capture_task.c` | 100Hz图像采集RTOS任务 |
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||
| `coord_calc_task()` | `task/coord_calc_task.c` | 坐标解算RTOS任务 |
|
||
| `ble_send_task()` | `task/ble_send_task.c` | BLE数据发送RTOS任务 |
|
||
| `power_task()` | `task/power_task.c` | 电源监控与状态机管理 |
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||
| `power_apply_state()` | `power/power_manager.c` | 执行功耗状态切换（调整各外设电源） |
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||
| `offline_cache_write()` | `cache/offline_cache.c` | 写入一帧坐标到Flash离线缓存 |
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||
| `offline_cache_sync()` | `cache/offline_cache.c` | 将离线缓存数据读出供BLE发送 |
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||
| `ota_finalize_upgrade()` | `task/ota_task.c` | OTA完成后写标志并触发重启 |
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||
| `enable_flash_protection()` | `main.c` | 启用APPROTECT Flash读保护（生产版本） |
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### 5.3 寄存器与GATT特征定义
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**自定义摄像头寄存器（camera_regs.h）：**
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| 宏定义 | 寄存器地址 | 说明 |
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|--------|-----------|------|
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| `REG_RESET` | 0x12 | 软件复位（写0x80触发） |
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| `REG_CHIP_ID` | 0x0A | 芯片ID（只读，期望值0xAB） |
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||
| `REG_EXPOSURE_H` | 0x10 | 曝光时间高字节 |
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||
| `REG_EXPOSURE_L` | 0x11 | 曝光时间低字节 |
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||
| `REG_GAIN_CTRL` | 0x13 | 增益控制（AGC设置） |
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||
| `REG_CLKDIV` | 0x11 | 时钟分频（帧率控制） |
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||
| `REG_FORMAT` | 0x12 | 输出格式（0=灰度，1=Bayer） |
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|
||
**BLE Characteristic UUID映射（gatt_services.h）：**
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||
| 宏定义 | UUID值 | 属性 | 说明 |
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|--------|--------|------|------|
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| `UUID_STROKE_DATA_CHAR` | 0xFFF1 | Notify | 笔迹坐标数据 |
|
||
| `UUID_PEN_CONTROL_CHAR` | 0xFFF2 | Write | 控制指令接收 |
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||
| `UUID_BATTERY_CHAR` | 0xFFF3 | Read/Notify | 电池电量 |
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||
| `UUID_DEVICE_SERIAL_CHAR` | 0xFEE1 | Read | 设备序列号 |
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||
| `UUID_FW_VERSION_CHAR` | 0xFEE2 | Read | 固件版本 |
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||
| `UUID_HW_VERSION_CHAR` | 0xFEE3 | Read | 硬件版本 |
|
||
| `UUID_CALIBRATION_CHAR` | 0xFEE4 | Read/Write | 摄像头校准参数 |
|
||
| `UUID_DFU_CONTROL_CHAR` | 0xFEF1 | Write/Indicate | OTA控制 |
|
||
| `UUID_DFU_PACKET_CHAR` | 0xFEF2 | Write Without Response | OTA数据包 |
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||
| `UUID_DFU_STATUS_CHAR` | 0xFEF3 | Indicate | OTA状态上报 |
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## 附录A BLE GATT服务定义表
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### A.1 Writech Pen Data Service（Primary Service）
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- **Service UUID**：`0000FFF0-0000-1000-8000-00805F9B34FB`
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| Characteristic | UUID | Properties | Value Length | Description |
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||
|---------------|------|------------|-------------|-------------|
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| Stroke Data | `0000FFF1-...` | Notify | 最大247字节 | 差分编码坐标数据包 |
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||
| Pen Control | `0000FFF2-...` | Write | 2字节 | byte[0]=命令类型，byte[1]=参数 |
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||
| Battery Level | `0000FFF3-...` | Read, Notify | 1字节 | 电量百分比（0~100） |
|
||
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||
### A.2 Writech Device Info Service（Primary Service）
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||
|
||
- **Service UUID**：`0000FEE0-0000-1000-8000-00805F9B34FB`
|
||
|
||
| Characteristic | UUID | Properties | Value Length | Description |
|
||
|---------------|------|------------|-------------|-------------|
|
||
| Device Serial | `0000FEE1-...` | Read | 16字节 | ASCII序列号 |
|
||
| Firmware Version | `0000FEE2-...` | Read | 8字节 | 版本字符串（如"V1.0.0\0\0"） |
|
||
| Hardware Version | `0000FEE3-...` | Read | 8字节 | 硬件版本字符串 |
|
||
| Calibration | `0000FEE4-...` | Read, Write | 32字节 | 摄像头标定参数（结构体序列化） |
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||
## 附录B 硬件外设寄存器说明
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### B.1 SPI摄像头接线
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| nRF52840 引脚 | 摄像头引脚 | 说明 |
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|--------------|-----------|------|
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| P0.03 | CS | 片选（低有效） |
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||
| P0.04 | MOSI | 主发从收（配置数据） |
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||
| P0.05 | MISO | 主收从发（图像数据） |
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| P0.06 | SCK | SPI时钟（最高8MHz） |
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| P0.07 | PWDN | 电源使能（高有效） |
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| P0.08 | VSYNC | 帧同步信号（输入） |
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||
### B.2 外部Flash（W25Q32）接线
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| nRF52840 引脚 | Flash引脚 | 说明 |
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|--------------|-----------|------|
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| P1.00 | CS | 片选（低有效） |
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| P1.01 | MOSI | 数据输入 |
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| P1.02 | MISO | 数据输出 |
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||
| P1.03 | CLK | 时钟（最高50MHz） |
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||
| P1.04 | WP | 写保护（固定高电平） |
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| P1.05 | HOLD | 保持（固定高电平） |
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## 附录C 术语表
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| 术语 | 说明 |
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| MCU | Microcontroller Unit，微控制单元（点阵笔主控芯片） |
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| RTOS | Real-Time Operating System，实时操作系统 |
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| FreeRTOS | 开源实时操作系统，广泛用于嵌入式系统 |
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||
| SoftDevice | Nordic Semiconductor的BLE协议栈软件（运行于MCU低地址空间） |
|
||
| BLE GATT | Generic Attribute Profile，蓝牙通用属性规范（BLE应用层协议） |
|
||
| Notify | BLE GATT的一种数据传输方式（无ACK，高速） |
|
||
| Indicate | BLE GATT的另一种数据传输方式（有ACK，可靠） |
|
||
| DFU | Device Firmware Update，设备固件更新（OTA的BLE标准实现） |
|
||
| ADC | Analog-to-Digital Converter，模数转换器 |
|
||
| SPI | Serial Peripheral Interface，串行外设接口 |
|
||
| NVS | Non-Volatile Storage，非易失性存储（Flash存储区域） |
|
||
| LTK | Long-Term Key，BLE长期密钥（配对后用于重连加密） |
|
||
| APPROTECT | Access Port Protection，Flash访问保护（防调试器读取） |
|
||
| ECDH | 椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换（BLE Secure Connections中使用） |
|
||
| Anoto | 一种点阵码编码体系，用于纸笔数字化（Anoto AB公司专利） |
|
||
| DFOV | Diagonal Field of View，对角视场角（摄像头参数） |
|
||
| Q15 | 定点数格式：1位符号位 + 15位小数位（嵌入式优化浮点替代方案） |
|
||
| MTU | Maximum Transmission Unit，BLE最大传输单元（默认23字节，可协商至247字节） |
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## 附录D 版本历史
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| 版本 | 日期 | 变更说明 | 编制人 |
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| V0.3 Alpha | 2025-06-01 | 基础BLE连接，坐标采集与发送 | 固件研发团队 |
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| V0.7 Beta | 2025-09-10 | 离线缓存（Flash FIFO），点阵码解码精度优化（引入亚像素插值） | 固件研发团队 |
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||
| V0.9 RC | 2025-11-20 | OTA升级（BLE DFU），低功耗优化（四级功耗状态机，续航延长30%） | 固件研发团队 |
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||
| V1.0 | 2026-02-14 | 正式版：RSA签名OTA、压力传感器滞回优化、LED动效、Flash读保护 | 固件研发团队 |
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*文档编制：深圳自然写科技有限公司 硬件/固件研发部*
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||
*文档版本：V1.0*
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*最后更新：2026年2月14日*
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||
*版权所有 © 2026 深圳自然写科技有限公司*
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## 附录E 核心算法与驱动详述
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### E.1 点阵码解码算法
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自然写智能点阵笔采用专利点阵纸技术，通过CMOS图像传感器拍摄纸面点阵图案，由固件实时解码为绝对坐标。
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||
#### E.1.1 点阵图像采集与预处理
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|
||
```c
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||
/* codec/dot_codec.c - 点阵码解码主流程 */
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||
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||
#include "dot_codec.h"
|
||
#include "camera_driver.h"
|
||
#include "math_utils.h"
|
||
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||
/* 点阵图像参数 */
|
||
#define IMG_WIDTH 128
|
||
#define IMG_HEIGHT 128
|
||
#define DOT_THRESHOLD 80 /* 二值化阈值（0-255） */
|
||
#define MIN_DOT_AREA 4 /* 最小点面积（像素，过滤噪声） */
|
||
#define MAX_DOT_AREA 25 /* 最大点面积（像素，过滤粘连） */
|
||
#define EXPECTED_DOTS 64 /* 每帧期望识别到的点数 */
|
||
|
||
/* 解码结果结构 */
|
||
typedef struct {
|
||
float abs_x; /* 绝对X坐标（mm），精度0.01mm */
|
||
float abs_y; /* 绝对Y坐标（mm），精度0.01mm */
|
||
float angle; /* 笔的旋转角度（度） */
|
||
uint8_t page_id; /* 当前纸张页码 */
|
||
uint8_t quality; /* 解码质量评分（0-100） */
|
||
} DotDecodeResult;
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 点阵图像二值化（Otsu自适应阈值）
|
||
* @param[in] src 原始灰度图（128×128）
|
||
* @param[out] dst 二值图（0或255）
|
||
*/
|
||
static void binarize_otsu(const uint8_t *src, uint8_t *dst) {
|
||
uint32_t hist[256] = {0};
|
||
uint32_t total = IMG_WIDTH * IMG_HEIGHT;
|
||
|
||
/* 统计直方图 */
|
||
for (uint32_t i = 0; i < total; i++) {
|
||
hist[src[i]]++;
|
||
}
|
||
|
||
/* Otsu方法求最优阈值 */
|
||
uint32_t sum = 0;
|
||
for (int i = 0; i < 256; i++) sum += i * hist[i];
|
||
|
||
uint32_t sumB = 0, wB = 0, wF = 0;
|
||
float maxVariance = 0.0f;
|
||
uint8_t threshold = DOT_THRESHOLD;
|
||
|
||
for (int t = 0; t < 256; t++) {
|
||
wB += hist[t];
|
||
if (wB == 0) continue;
|
||
wF = total - wB;
|
||
if (wF == 0) break;
|
||
|
||
sumB += t * hist[t];
|
||
float mB = (float)sumB / wB;
|
||
float mF = (float)(sum - sumB) / wF;
|
||
float variance = (float)wB * wF * (mB - mF) * (mB - mF);
|
||
|
||
if (variance > maxVariance) {
|
||
maxVariance = variance;
|
||
threshold = (uint8_t)t;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
/* 应用阈值 */
|
||
for (uint32_t i = 0; i < total; i++) {
|
||
dst[i] = (src[i] > threshold) ? 0 : 255; /* 点为暗色，背景为亮色 */
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 连通区域标记（4-连通BFS），提取各点的质心坐标
|
||
* @param[in] binary 二值图
|
||
* @param[out] dots 检测到的点质心数组
|
||
* @param[out] dot_count 检测到的点数量
|
||
* @return 0成功，-1失败
|
||
*/
|
||
static int extract_dot_centroids(const uint8_t *binary,
|
||
float *dots_x, float *dots_y, int *dot_count) {
|
||
static uint8_t label_map[IMG_WIDTH * IMG_HEIGHT];
|
||
memset(label_map, 0, sizeof(label_map));
|
||
*dot_count = 0;
|
||
|
||
/* 简化BFS标记（嵌入式环境优化版本，避免递归） */
|
||
static uint16_t queue[MAX_DOT_AREA * 4];
|
||
int label = 1;
|
||
|
||
for (int y = 1; y < IMG_HEIGHT - 1; y++) {
|
||
for (int x = 1; x < IMG_WIDTH - 1; x++) {
|
||
int idx = y * IMG_WIDTH + x;
|
||
if (binary[idx] == 0 || label_map[idx] != 0) continue;
|
||
|
||
/* BFS flood fill */
|
||
int head = 0, tail = 0;
|
||
int area = 0;
|
||
float sum_x = 0, sum_y = 0;
|
||
queue[tail++] = (uint16_t)(y * IMG_WIDTH + x);
|
||
label_map[idx] = label;
|
||
|
||
while (head < tail && area < MAX_DOT_AREA * 2) {
|
||
uint16_t cur = queue[head++];
|
||
int cy = cur / IMG_WIDTH;
|
||
int cx = cur % IMG_WIDTH;
|
||
sum_x += cx;
|
||
sum_y += cy;
|
||
area++;
|
||
|
||
/* 检查4邻居 */
|
||
int neighbors[4] = {
|
||
(cy-1)*IMG_WIDTH+cx, (cy+1)*IMG_WIDTH+cx,
|
||
cy*IMG_WIDTH+(cx-1), cy*IMG_WIDTH+(cx+1)
|
||
};
|
||
for (int n = 0; n < 4; n++) {
|
||
int ni = neighbors[n];
|
||
if (ni >= 0 && ni < IMG_WIDTH*IMG_HEIGHT
|
||
&& binary[ni] == 0 && label_map[ni] == 0) {
|
||
label_map[ni] = label;
|
||
queue[tail++] = (uint16_t)ni;
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
/* 过滤面积不合理的区域 */
|
||
if (area >= MIN_DOT_AREA && area <= MAX_DOT_AREA
|
||
&& *dot_count < EXPECTED_DOTS) {
|
||
dots_x[*dot_count] = sum_x / area;
|
||
dots_y[*dot_count] = sum_y / area;
|
||
(*dot_count)++;
|
||
}
|
||
label++;
|
||
}
|
||
}
|
||
return (*dot_count >= 16) ? 0 : -1; /* 少于16个点则解码失败 */
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 点阵主解码函数
|
||
* @param[in] raw_image CMOS原始灰度图像数据
|
||
* @param[out] result 解码结果
|
||
* @return 0成功，-1失败
|
||
*/
|
||
int dot_codec_decode(const uint8_t *raw_image, DotDecodeResult *result) {
|
||
static uint8_t binary_buf[IMG_WIDTH * IMG_HEIGHT];
|
||
static float dots_x[EXPECTED_DOTS];
|
||
static float dots_y[EXPECTED_DOTS];
|
||
int dot_count = 0;
|
||
|
||
/* Step 1: 二值化 */
|
||
binarize_otsu(raw_image, binary_buf);
|
||
|
||
/* Step 2: 提取点质心 */
|
||
if (extract_dot_centroids(binary_buf, dots_x, dots_y, &dot_count) != 0) {
|
||
result->quality = 0;
|
||
return -1;
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 3: 点阵网格拟合（最小二乘法求仿射变换参数） */
|
||
float angle, scale, offset_x, offset_y;
|
||
if (fit_dot_grid(dots_x, dots_y, dot_count,
|
||
&angle, &scale, &offset_x, &offset_y) != 0) {
|
||
result->quality = 10;
|
||
return -1;
|
||
}
|
||
|
||
/* Step 4: 从网格偏移量中解码Anoto绝对坐标 */
|
||
uint32_t abs_x_raw, abs_y_raw;
|
||
uint8_t page_id;
|
||
if (anoto_decode_position(dots_x, dots_y, dot_count,
|
||
angle, &abs_x_raw, &abs_y_raw, &page_id) != 0) {
|
||
result->quality = 30;
|
||
return -1;
|
||
}
|
||
|
||
result->abs_x = abs_x_raw * 0.01f; /* 转换为mm */
|
||
result->abs_y = abs_y_raw * 0.01f;
|
||
result->angle = angle;
|
||
result->page_id = page_id;
|
||
result->quality = (uint8_t)(50 + dot_count); /* 粗略质量评分 */
|
||
if (result->quality > 100) result->quality = 100;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### E.2 压力传感器驱动与滞回补偿
|
||
|
||
```c
|
||
/* driver/pressure_driver.c - 压力传感器驱动（带滞回补偿） */
|
||
|
||
#include "pressure_driver.h"
|
||
#include "adc_driver.h"
|
||
|
||
/* 压力ADC参数 */
|
||
#define PRESSURE_ADC_CHANNEL 1
|
||
#define PRESSURE_ADC_BITS 12 /* 12位ADC：0~4095 */
|
||
#define PRESSURE_MIN_RAW 150 /* 最小有效ADC值（笔尖接触压力阈值） */
|
||
#define PRESSURE_MAX_RAW 3800 /* 最大ADC值（最大压力） */
|
||
|
||
/* 滞回补偿参数（防止轻微抖动导致反复触发抬笔/落笔） */
|
||
#define HYSTERESIS_LOW 180 /* 落笔阈值（下降） */
|
||
#define HYSTERESIS_HIGH 220 /* 抬笔阈值（上升） */
|
||
|
||
/* IIR低通滤波器系数（α=0.3，截止频率约48Hz@200Hz采样率） */
|
||
#define FILTER_ALPHA_FP 0.3f
|
||
|
||
static uint16_t g_pressure_filtered = 0;
|
||
static bool g_pen_down = false;
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 读取并滤波压力值
|
||
* @return 归一化压力值 [0, 255]
|
||
*/
|
||
uint8_t pressure_read_normalized(void) {
|
||
uint16_t raw = adc_read(PRESSURE_ADC_CHANNEL);
|
||
|
||
/* IIR一阶低通滤波 */
|
||
g_pressure_filtered = (uint16_t)(
|
||
FILTER_ALPHA_FP * raw + (1.0f - FILTER_ALPHA_FP) * g_pressure_filtered
|
||
);
|
||
|
||
/* 线性归一化到 [0, 255] */
|
||
if (g_pressure_filtered <= PRESSURE_MIN_RAW) return 0;
|
||
if (g_pressure_filtered >= PRESSURE_MAX_RAW) return 255;
|
||
|
||
return (uint8_t)(
|
||
(uint32_t)(g_pressure_filtered - PRESSURE_MIN_RAW) * 255
|
||
/ (PRESSURE_MAX_RAW - PRESSURE_MIN_RAW)
|
||
);
|
||
}
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 获取笔尖状态（带滞回，防抖）
|
||
* @return true=笔尖接触纸面（落笔），false=笔尖离开（抬笔）
|
||
*/
|
||
bool pressure_is_pen_down(void) {
|
||
uint16_t raw = g_pressure_filtered;
|
||
|
||
if (!g_pen_down && raw > HYSTERESIS_HIGH) {
|
||
g_pen_down = true; /* 落笔 */
|
||
} else if (g_pen_down && raw < HYSTERESIS_LOW) {
|
||
g_pen_down = false; /* 抬笔 */
|
||
}
|
||
/* 在 HYSTERESIS_LOW ~ HYSTERESIS_HIGH 之间保持上一状态（滞回区） */
|
||
return g_pen_down;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### E.3 BLE GATT Service/Characteristic完整定义
|
||
|
||
智能点阵笔的BLE GATT服务定义如下，遵循Nordic UART Service规范扩展：
|
||
|
||
| 服务/特征 | UUID | 属性 | 说明 |
|
||
|---------|------|------|------|
|
||
| Writech Pen Service | 6E400001-... | - | 主服务 |
|
||
| ↳ Ink Data Char | 6E400002-... | Notify | 笔迹数据推送（10字节/点） |
|
||
| ↳ Control Char | 6E400003-... | Write | 控制命令（开始/停止/配置） |
|
||
| ↳ Status Char | 6E400004-... | Read/Notify | 设备状态（电量/连接/错误） |
|
||
| ↳ OTA Data Char | 6E400005-... | Write | OTA固件数据传输 |
|
||
| ↳ OTA Control Char | 6E400006-... | Write/Notify | OTA控制与进度反馈 |
|
||
| Device Info Service | 0x180A | - | 标准设备信息服务 |
|
||
| ↳ Manufacturer | 0x2A29 | Read | "Writech Technology" |
|
||
| ↳ Model Number | 0x2A24 | Read | "WritechPen-M1" |
|
||
| ↳ Firmware Version | 0x2A26 | Read | 当前固件版本字符串 |
|
||
| Battery Service | 0x180F | - | 标准电池服务 |
|
||
| ↳ Battery Level | 0x2A19 | Read/Notify | 电池电量（0-100%） |
|
||
|
||
#### E.3.1 笔迹数据包二进制格式
|
||
|
||
每个笔迹数据通知包（Notify包）包含1至N个笔迹点（受BLE MTU限制，默认MTU=247字节，每包最多23个点）：
|
||
|
||
```
|
||
每个点：10字节
|
||
┌──────┬──────┬──────────┬──────────────┬──────┐
|
||
│ X[2B]│ Y[2B]│ P[1B] │ Timestamp[4B]│ F[1B]│
|
||
└──────┴──────┴──────────┴──────────────┴──────┘
|
||
X: uint16_be，归一化坐标×65535，对应纸面X轴
|
||
Y: uint16_be，归一化坐标×65535，对应纸面Y轴
|
||
P: uint8，压力×255
|
||
Timestamp: uint32_be，毫秒时间戳（设备本地时钟）
|
||
F: 标志位
|
||
Bit0: 1=抬笔（笔画结束），0=落笔
|
||
Bit1: 1=笔迹质量低（解码置信度<50%）
|
||
Bit2: 1=缓存数据（离线恢复发送）
|
||
Bit3-7: 保留
|
||
```
|
||
|
||
### E.4 四级功耗状态机
|
||
|
||
```c
|
||
/* power/power_manager.c - 四级功耗管理状态机 */
|
||
|
||
typedef enum {
|
||
POWER_STATE_ACTIVE = 0, /* 活跃：书写中，全速运行 */
|
||
POWER_STATE_IDLE = 1, /* 空闲：静止10s，降低采样率 */
|
||
POWER_STATE_SLEEP = 2, /* 浅睡眠：静止60s，关闭图像传感器 */
|
||
POWER_STATE_DEEP_SLEEP = 3 /* 深度睡眠：静止300s，仅BLE广播保持 */
|
||
} PowerState;
|
||
|
||
static PowerState g_power_state = POWER_STATE_ACTIVE;
|
||
static uint32_t g_idle_counter_ms = 0;
|
||
static uint32_t g_last_activity_ms = 0;
|
||
|
||
/* 各状态下的采样率（Hz） */
|
||
static const uint16_t g_sample_rates[] = { 200, 50, 0, 0 };
|
||
|
||
/* 各状态下的BLE连接间隔（单位：1.25ms） */
|
||
static const uint16_t g_ble_intervals[] = { 8, 16, 80, 400 };
|
||
|
||
void power_manager_tick(uint32_t current_ms) {
|
||
bool activity = pressure_is_pen_down() || imu_detect_motion();
|
||
|
||
if (activity) {
|
||
g_last_activity_ms = current_ms;
|
||
if (g_power_state != POWER_STATE_ACTIVE) {
|
||
power_transition_to(POWER_STATE_ACTIVE);
|
||
}
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
uint32_t idle_ms = current_ms - g_last_activity_ms;
|
||
|
||
if (idle_ms > 300000 && g_power_state != POWER_STATE_DEEP_SLEEP) {
|
||
power_transition_to(POWER_STATE_DEEP_SLEEP);
|
||
} else if (idle_ms > 60000 && g_power_state == POWER_STATE_IDLE) {
|
||
power_transition_to(POWER_STATE_SLEEP);
|
||
} else if (idle_ms > 10000 && g_power_state == POWER_STATE_ACTIVE) {
|
||
power_transition_to(POWER_STATE_IDLE);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
static void power_transition_to(PowerState new_state) {
|
||
PowerState old_state = g_power_state;
|
||
g_power_state = new_state;
|
||
|
||
/* 调整采样率 */
|
||
camera_set_sample_rate(g_sample_rates[new_state]);
|
||
|
||
/* 调整BLE连接间隔 */
|
||
ble_set_connection_interval(g_ble_intervals[new_state]);
|
||
|
||
/* 状态特定操作 */
|
||
switch (new_state) {
|
||
case POWER_STATE_SLEEP:
|
||
camera_power_down(); /* 关闭图像传感器 */
|
||
imu_set_low_power_mode(true); /* IMU进入低功耗模式 */
|
||
break;
|
||
case POWER_STATE_DEEP_SLEEP:
|
||
/* 额外：关闭LED、降低CPU频率到最低档 */
|
||
led_set_state(LED_STATE_OFF);
|
||
cpu_set_frequency(CPU_FREQ_LOW);
|
||
break;
|
||
case POWER_STATE_ACTIVE:
|
||
if (old_state >= POWER_STATE_SLEEP) {
|
||
camera_power_up();
|
||
imu_set_low_power_mode(false);
|
||
}
|
||
if (old_state == POWER_STATE_DEEP_SLEEP) {
|
||
cpu_set_frequency(CPU_FREQ_HIGH);
|
||
}
|
||
led_set_state(LED_STATE_WRITING);
|
||
break;
|
||
default:
|
||
break;
|
||
}
|
||
|
||
LOG_INFO("Power state: %d -> %d", old_state, new_state);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### E.5 Flash离线缓存（FIFO环形缓冲区）
|
||
|
||
```c
|
||
/* cache/flash_cache.c - SPI Flash环形缓冲区（WAL模式）*/
|
||
|
||
#define FLASH_SECTOR_SIZE 4096 /* 4KB扇区 */
|
||
#define CACHE_SECTORS 128 /* 共128个扇区 = 512KB缓存 */
|
||
#define CACHE_HEADER_MAGIC 0xA55A0001 /* 缓存头魔数，用于完整性检验 */
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
uint32_t magic; /* 魔数：0xA55A0001 */
|
||
uint16_t data_len; /* 数据长度（字节） */
|
||
uint16_t checksum; /* 数据CRC16校验 */
|
||
uint32_t timestamp; /* 数据时间戳 */
|
||
uint8_t flags; /* 标志位：Bit0=已确认接收 */
|
||
uint8_t reserved[3];
|
||
} FlashCacheHeader; /* 12字节头部 */
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
uint32_t write_sector; /* 当前写扇区索引 */
|
||
uint32_t read_sector; /* 当前读扇区索引 */
|
||
uint32_t write_offset; /* 当前写扇区内偏移 */
|
||
uint32_t total_cached; /* 总缓存字节数 */
|
||
} FlashCacheState;
|
||
|
||
static FlashCacheState g_cache_state;
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 写入笔迹数据到Flash缓存
|
||
* @param data 笔迹数据指针
|
||
* @param len 数据长度
|
||
* @return 0成功，-ENOMEM缓存满
|
||
*/
|
||
int flash_cache_write(const uint8_t *data, uint16_t len) {
|
||
if (flash_cache_is_full()) {
|
||
LOG_WARN("Flash cache full, dropping oldest sector");
|
||
/* 覆盖最旧的扇区（环形FIFO） */
|
||
g_cache_state.read_sector =
|
||
(g_cache_state.read_sector + 1) % CACHE_SECTORS;
|
||
}
|
||
|
||
/* 检查当前扇区剩余空间 */
|
||
uint16_t needed = sizeof(FlashCacheHeader) + len;
|
||
uint16_t remaining = FLASH_SECTOR_SIZE - g_cache_state.write_offset;
|
||
|
||
if (needed > remaining) {
|
||
/* 移到下一扇区，擦除后写 */
|
||
g_cache_state.write_sector =
|
||
(g_cache_state.write_sector + 1) % CACHE_SECTORS;
|
||
g_cache_state.write_offset = 0;
|
||
flash_erase_sector(g_cache_state.write_sector * FLASH_SECTOR_SIZE);
|
||
}
|
||
|
||
/* 构建缓存头 */
|
||
FlashCacheHeader hdr = {
|
||
.magic = CACHE_HEADER_MAGIC,
|
||
.data_len = len,
|
||
.checksum = crc16(data, len),
|
||
.timestamp = rtc_get_timestamp(),
|
||
.flags = 0,
|
||
};
|
||
|
||
uint32_t addr = g_cache_state.write_sector * FLASH_SECTOR_SIZE
|
||
+ g_cache_state.write_offset;
|
||
|
||
/* 写入头部和数据 */
|
||
flash_write(addr, (uint8_t*)&hdr, sizeof(hdr));
|
||
flash_write(addr + sizeof(hdr), data, len);
|
||
|
||
g_cache_state.write_offset += needed;
|
||
g_cache_state.total_cached += len;
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 附录F 生产测试与质量保证
|
||
|
||
### F.1 固件烧录与出厂自检
|
||
|
||
智能点阵笔在生产阶段通过SWD（Serial Wire Debug）接口烧录固件，烧录完成后自动执行出厂自检程序：
|
||
|
||
| 测试项目 | 判断标准 | 失败处理 |
|
||
|---------|---------|---------|
|
||
| Flash读写测试 | 全擦全写无错误 | 报废 |
|
||
| SRAM完整性测试 | 全0/全1/棋盘格无错误 | 报废 |
|
||
| 图像传感器测试 | 采集图像中点数≥50 | 更换传感器 |
|
||
| 压力传感器测试 | ADC值在正常范围内 | 更换传感器 |
|
||
| BLE射频测试 | RSSI≥-70dBm@1m | 天线返修 |
|
||
| 电池充放电测试 | 充满容量≥标称95% | 更换电池 |
|
||
| IMU测试 | 三轴加速度/陀螺仪数值正常 | 更换IMU |
|
||
| LED指示灯测试 | RGB三色正常点亮 | 更换LED |
|
||
|
||
### F.2 固件版本管理
|
||
|
||
```c
|
||
/* version.h - 固件版本定义 */
|
||
#define FW_VERSION_MAJOR 1
|
||
#define FW_VERSION_MINOR 0
|
||
#define FW_VERSION_PATCH 0
|
||
#define FW_VERSION_BUILD 20260214
|
||
|
||
#define FW_VERSION_STRING "1.0.0-20260214"
|
||
|
||
/* 版本比较宏（用于OTA升级判断） */
|
||
#define FW_VERSION_CODE ((FW_VERSION_MAJOR << 24) | \
|
||
(FW_VERSION_MINOR << 16) | \
|
||
(FW_VERSION_PATCH << 8))
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
*文档编制：深圳自然写科技有限公司 硬件/固件研发部*
|
||
*文档版本：V1.0（附录更新）*
|
||
*最后更新：2026年2月14日*
|
||
*版权所有 © 2026 深圳自然写科技有限公司*
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 附录G RTOS任务设计与调度
|
||
|
||
### G.1 FreeRTOS任务清单
|
||
|
||
智能点阵笔固件基于FreeRTOS实现多任务并发调度，各任务优先级和栈大小如下：
|
||
|
||
| 任务名 | 优先级 | 栈大小 | 说明 |
|
||
|--------|--------|--------|------|
|
||
| ink_capture_task | 5（最高） | 2048字节 | 相机采集+点阵解码（200Hz） |
|
||
| pressure_task | 4 | 512字节 | 压力传感器采样（200Hz） |
|
||
| ble_tx_task | 3 | 1024字节 | BLE数据发送队列 |
|
||
| ble_rx_task | 3 | 512字节 | BLE控制指令接收 |
|
||
| flash_cache_task | 2 | 1024字节 | Flash离线缓存写入 |
|
||
| battery_task | 1 | 256字节 | 电量监测（1Hz） |
|
||
| power_manage_task | 1 | 256字节 | 功耗状态机（1Hz） |
|
||
| led_task | 0（最低） | 256字节 | LED状态指示 |
|
||
|
||
### G.2 任务通信设计
|
||
|
||
任务间通信使用FreeRTOS消息队列（Queue）和信号量（Semaphore），避免共享内存竞争：
|
||
|
||
```c
|
||
/* task_comms.h - 任务间通信接口 */
|
||
|
||
/* 笔迹数据队列（ink_capture_task → ble_tx_task / flash_cache_task）*/
|
||
extern QueueHandle_t g_ink_point_queue; /* 容量：100个InkPoint */
|
||
|
||
/* BLE发送完成信号（避免发送缓冲区溢出）*/
|
||
extern SemaphoreHandle_t g_ble_tx_ready_sem;
|
||
|
||
/* 控制指令队列（ble_rx_task → 各功能任务）*/
|
||
extern QueueHandle_t g_ctrl_cmd_queue; /* 容量：10条控制指令 */
|
||
|
||
/* 功耗状态变更通知 */
|
||
extern EventGroupHandle_t g_power_event_group;
|
||
#define EVT_ENTER_ACTIVE (1 << 0)
|
||
#define EVT_ENTER_IDLE (1 << 1)
|
||
#define EVT_ENTER_SLEEP (1 << 2)
|
||
```
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### G.3 中断处理与任务唤醒
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```c
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/* interrupt/camera_irq.c - 相机帧中断处理 */
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||
|
||
/* 相机帧就绪中断（VSYNC信号上升沿触发）*/
|
||
void CAMERA_VSYNC_IRQHandler(void) {
|
||
BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
|
||
|
||
/* 通过信号量通知ink_capture_task（ISR安全版本）*/
|
||
xSemaphoreGiveFromISR(g_camera_frame_ready_sem, &xHigherPriorityTaskWoken);
|
||
|
||
/* 如果唤醒了更高优先级任务，请求任务切换 */
|
||
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
|
||
}
|
||
|
||
/* 笔迹采集任务主循环 */
|
||
void ink_capture_task(void *param) {
|
||
InkPoint point;
|
||
DotDecodeResult decode_result;
|
||
|
||
for (;;) {
|
||
/* 等待相机帧就绪信号（阻塞，不消耗CPU）*/
|
||
xSemaphoreTake(g_camera_frame_ready_sem, portMAX_DELAY);
|
||
|
||
/* 读取相机帧 */
|
||
uint8_t *frame = camera_get_latest_frame();
|
||
|
||
/* 点阵解码 */
|
||
if (dot_codec_decode(frame, &decode_result) == 0) {
|
||
point.x = (uint16_t)(decode_result.abs_x / PAPER_WIDTH * 65535);
|
||
point.y = (uint16_t)(decode_result.abs_y / PAPER_HEIGHT * 65535);
|
||
point.pressure = pressure_read_normalized();
|
||
point.timestamp = rtc_get_ms();
|
||
point.flags = pressure_is_pen_down() ? 0 : 0x01; /* Bit0=抬笔 */
|
||
|
||
/* 发送到笔迹队列（非阻塞，队列满则丢帧）*/
|
||
xQueueSendToBack(g_ink_point_queue, &point, 0);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
```
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### G.4 LED状态指示定义
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| LED状态 | 颜色 | 闪烁方式 | 含义 |
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|---------|------|---------|------|
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| LED_STATE_OFF | 熄灭 | - | 关机或深度睡眠 |
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| LED_STATE_BOOT | 白色 | 常亮 | 启动中 |
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||
| LED_STATE_SCANNING | 蓝色 | 快闪（200ms） | 蓝牙扫描广播中 |
|
||
| LED_STATE_CONNECTING | 蓝色 | 慢闪（1000ms） | 正在连接网关 |
|
||
| LED_STATE_CONNECTED | 蓝色 | 常亮 | 已连接网关 |
|
||
| LED_STATE_WRITING | 绿色 | 常亮 | 书写中（压力传感器触发） |
|
||
| LED_STATE_LOW_BATTERY | 红色 | 慢闪（2000ms） | 电量低（<15%） |
|
||
| LED_STATE_CHARGING | 橙色 | 呼吸灯 | 充电中 |
|
||
| LED_STATE_CHARGE_FULL | 绿色 | 常亮 | 充电完成 |
|
||
| LED_STATE_OTA | 紫色 | 快闪（500ms） | OTA升级中（请勿关机） |
|
||
| LED_STATE_ERROR | 红色 | 3连闪 | 系统错误 |
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### G.5 固件安全措施
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| 安全措施 | 实现方式 | 说明 |
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|---------|---------|------|
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| Flash读保护 | STM32 RDP Level 1 | 防止通过调试口读取Flash内容 |
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| OTA签名验证 | RSA-2048 + SHA-256 | 只接受官方签名的固件包 |
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| 通信加密 | BLE连接层加密（AES-128 CCM） | 防止空中截获笔迹数据 |
|
||
| 设备绑定 | AppKey-DeviceID绑定验证 | 防止伪造设备接入系统 |
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| Bootloader保护 | 独立分区+写保护 | 防止OTA意外破坏Bootloader |
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---
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*本文档版权归深圳自然写科技有限公司所有，所有技术细节仅用于软件著作权登记鉴别，请勿用于其他商业用途。*
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## 附录F 补充技术规格
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### F.1 点阵码高速解码优化
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#### F.1.1 SIMD加速解码
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```c
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// dotmatrix_simd.c - ARM NEON加速点阵码解码
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||
#include <arm_neon.h>
|
||
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||
// 一次处理16字节像素数据
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||
void decode_row_neon(const uint8_t* pixels, int width,
|
||
uint8_t* bits_out) {
|
||
const uint8x16_t threshold = vdupq_n_u8(128);
|
||
int x = 0;
|
||
|
||
for (; x + 16 <= width; x += 16) {
|
||
uint8x16_t px = vld1q_u8(pixels + x);
|
||
// 与阈值比较：大于128为白(0)，小于等于128为黑(1)
|
||
uint8x16_t result = vcleq_u8(px, threshold);
|
||
// 提取高位构成位掩码
|
||
uint8_t mask = 0;
|
||
for (int i = 0; i < 16; i++) {
|
||
if (result[i]) mask |= (1 << (i % 8));
|
||
if (i == 7) bits_out[x/8] = mask, mask = 0;
|
||
}
|
||
bits_out[x/8 + 1] = mask;
|
||
}
|
||
|
||
// 处理剩余像素
|
||
for (; x < width; x++) {
|
||
if (pixels[x] <= 128) bits_out[x/8] |= (1 << (x % 8));
|
||
}
|
||
}
|
||
```
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||
### F.2 低功耗蓝牙广播优化
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||
#### F.2.1 自适应广播间隔
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||
```c
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||
// ble_adv_manager.c
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||
#define ADV_INTERVAL_FAST_MS 100 // 连接前快速广播
|
||
#define ADV_INTERVAL_SLOW_MS 1000 // 长时间未连接慢速广播
|
||
#define ADV_FAST_TIMEOUT_S 30 // 30秒后切换到慢速
|
||
|
||
typedef enum {
|
||
ADV_STATE_OFF = 0,
|
||
ADV_STATE_FAST,
|
||
ADV_STATE_SLOW
|
||
} adv_state_t;
|
||
|
||
static adv_state_t g_adv_state = ADV_STATE_OFF;
|
||
static uint32_t g_fast_adv_start_tick = 0;
|
||
|
||
void ble_adv_update(void) {
|
||
if (g_adv_state == ADV_STATE_OFF) return;
|
||
|
||
uint32_t elapsed_s = (HAL_GetTick() - g_fast_adv_start_tick) / 1000;
|
||
|
||
if (g_adv_state == ADV_STATE_FAST && elapsed_s >= ADV_FAST_TIMEOUT_S) {
|
||
// 切换到慢速广播节省电量
|
||
ble_gap_adv_stop();
|
||
|
||
ble_gap_adv_params_t params = {
|
||
.type = BLE_GAP_ADV_TYPE_CONNECTABLE_UNDIRECTED,
|
||
.interval_min = ADV_INTERVAL_SLOW_MS * 8 / 5, // 单位0.625ms
|
||
.interval_max = ADV_INTERVAL_SLOW_MS * 8 / 5 + 16,
|
||
.channel_mask = 0x07
|
||
};
|
||
ble_gap_adv_start(¶ms);
|
||
g_adv_state = ADV_STATE_SLOW;
|
||
LOG_INFO("BLE adv switched to slow mode, current=%dmA",
|
||
power_measure_current_ua() / 1000);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
void ble_adv_start_fast(void) {
|
||
ble_gap_adv_params_t params = {
|
||
.type = BLE_GAP_ADV_TYPE_CONNECTABLE_UNDIRECTED,
|
||
.interval_min = ADV_INTERVAL_FAST_MS * 8 / 5,
|
||
.interval_max = ADV_INTERVAL_FAST_MS * 8 / 5 + 16,
|
||
.channel_mask = 0x07
|
||
};
|
||
ble_gap_adv_start(¶ms);
|
||
g_adv_state = ADV_STATE_FAST;
|
||
g_fast_adv_start_tick = HAL_GetTick();
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### F.3 电量精确估算算法
|
||
|
||
#### F.3.1 库仑计积分法
|
||
|
||
```c
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||
// battery_gauge.c
|
||
#define BATTERY_CAPACITY_MAH 200.0f // 电池容量200mAh
|
||
#define SAMPLE_INTERVAL_MS 100 // 采样间隔100ms
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
float soc_percent; // 剩余电量百分比
|
||
float voltage_mv; // 当前电压（mV）
|
||
float current_ma; // 当前电流（mA，放电为正）
|
||
float accumulated_mah; // 已消耗容量（mAh）
|
||
uint32_t last_sample_tick; // 上次采样时间
|
||
} battery_state_t;
|
||
|
||
static battery_state_t g_battery;
|
||
|
||
void battery_gauge_update(void) {
|
||
uint32_t now = HAL_GetTick();
|
||
uint32_t dt_ms = now - g_battery.last_sample_tick;
|
||
if (dt_ms < SAMPLE_INTERVAL_MS) return;
|
||
|
||
// 采样ADC
|
||
g_battery.voltage_mv = adc_read_voltage();
|
||
g_battery.current_ma = adc_read_current();
|
||
|
||
// 积分：累计消耗容量 = 电流(mA) × 时间(h)
|
||
float dt_h = dt_ms / 3600000.0f;
|
||
g_battery.accumulated_mah += g_battery.current_ma * dt_h;
|
||
|
||
// SOC = 1 - 已消耗/总容量
|
||
g_battery.soc_percent =
|
||
(1.0f - g_battery.accumulated_mah / BATTERY_CAPACITY_MAH) * 100.0f;
|
||
g_battery.soc_percent = CLAMP(g_battery.soc_percent, 0.0f, 100.0f);
|
||
|
||
// 电压修正（防止长期误差累积）
|
||
float ocv_soc = voltage_to_soc_ocv(g_battery.voltage_mv);
|
||
if (fabsf(ocv_soc - g_battery.soc_percent) > 10.0f) {
|
||
// 差异超过10%时用OCV校正
|
||
g_battery.soc_percent = 0.8f * g_battery.soc_percent + 0.2f * ocv_soc;
|
||
}
|
||
|
||
g_battery.last_sample_tick = now;
|
||
}
|
||
|
||
// OCV（开路电压）与SOC对应表
|
||
static const float OCV_TABLE[][2] = {
|
||
{3200, 0}, {3400, 5}, {3500, 10}, {3600, 20},
|
||
{3650, 30}, {3700, 50}, {3750, 70}, {3800, 85},
|
||
{3850, 95}, {3900, 100}
|
||
};
|
||
|
||
float voltage_to_soc_ocv(float voltage_mv) {
|
||
int n = sizeof(OCV_TABLE) / sizeof(OCV_TABLE[0]);
|
||
if (voltage_mv <= OCV_TABLE[0][0]) return 0.0f;
|
||
if (voltage_mv >= OCV_TABLE[n-1][0]) return 100.0f;
|
||
|
||
for (int i = 1; i < n; i++) {
|
||
if (voltage_mv <= OCV_TABLE[i][0]) {
|
||
float t = (voltage_mv - OCV_TABLE[i-1][0]) /
|
||
(OCV_TABLE[i][0] - OCV_TABLE[i-1][0]);
|
||
return OCV_TABLE[i-1][1] + t * (OCV_TABLE[i][1] - OCV_TABLE[i-1][1]);
|
||
}
|
||
}
|
||
return 100.0f;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
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||
|
||
## 附录G 补充技术规格
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||
|
||
### G.1 RTOS任务优先级配置
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||
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||
```c
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||
// rtos_config.c - FreeRTOS任务优先级与堆栈配置
|
||
#define TASK_PRIO_SENSOR_READ 7 // 最高：传感器数据读取
|
||
#define TASK_PRIO_INK_ENCODE 6 // 高：笔迹编码
|
||
#define TASK_PRIO_BLE_TX 5 // 高：BLE数据发送
|
||
#define TASK_PRIO_POWER_MGMT 4 // 中：电源管理
|
||
#define TASK_PRIO_CACHE_FLUSH 3 // 中低：缓存刷新
|
||
#define TASK_PRIO_STATUS_LED 2 // 低：状态LED控制
|
||
#define TASK_PRIO_IDLE 1 // 最低：空闲任务
|
||
|
||
// 任务堆栈大小（单位：字节）
|
||
#define STACK_SENSOR_READ 512
|
||
#define STACK_INK_ENCODE 1024
|
||
#define STACK_BLE_TX 768
|
||
#define STACK_POWER_MGMT 512
|
||
#define STACK_CACHE_FLUSH 512
|
||
|
||
void create_all_tasks(void) {
|
||
xTaskCreate(sensor_read_task, "SensorRead",
|
||
STACK_SENSOR_READ / sizeof(StackType_t),
|
||
NULL, TASK_PRIO_SENSOR_READ, &g_sensor_task_handle);
|
||
|
||
xTaskCreate(ink_encode_task, "InkEncode",
|
||
STACK_INK_ENCODE / sizeof(StackType_t),
|
||
NULL, TASK_PRIO_INK_ENCODE, &g_encode_task_handle);
|
||
|
||
xTaskCreate(ble_tx_task, "BleTx",
|
||
STACK_BLE_TX / sizeof(StackType_t),
|
||
NULL, TASK_PRIO_BLE_TX, &g_ble_tx_task_handle);
|
||
|
||
xTaskCreate(power_mgmt_task, "PowerMgmt",
|
||
STACK_POWER_MGMT / sizeof(StackType_t),
|
||
NULL, TASK_PRIO_POWER_MGMT, &g_power_task_handle);
|
||
|
||
xTaskCreate(cache_flush_task, "CacheFlush",
|
||
STACK_CACHE_FLUSH / sizeof(StackType_t),
|
||
NULL, TASK_PRIO_CACHE_FLUSH, &g_cache_task_handle);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### G.2 笔压标定算法
|
||
|
||
```c
|
||
// pressure_calibration.c
|
||
#define CALIB_POINTS 5 // 标定点数量
|
||
#define CALIB_ADC_BITS 12 // ADC位数（0-4095）
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
uint16_t adc_raw[CALIB_POINTS]; // ADC原始值
|
||
float force_gram[CALIB_POINTS]; // 对应压力（克）
|
||
float slope; // 线性拟合斜率
|
||
float intercept; // 线性拟合截距
|
||
bool is_calibrated;
|
||
} pressure_calib_t;
|
||
|
||
static pressure_calib_t g_calib;
|
||
|
||
// 最小二乘法线性拟合
|
||
void pressure_calibration_fit(void) {
|
||
float sum_x = 0, sum_y = 0, sum_xy = 0, sum_x2 = 0;
|
||
int n = CALIB_POINTS;
|
||
|
||
for (int i = 0; i < n; i++) {
|
||
float x = g_calib.adc_raw[i];
|
||
float y = g_calib.force_gram[i];
|
||
sum_x += x;
|
||
sum_y += y;
|
||
sum_xy += x * y;
|
||
sum_x2 += x * x;
|
||
}
|
||
|
||
float denom = n * sum_x2 - sum_x * sum_x;
|
||
if (fabsf(denom) < 1e-6f) {
|
||
LOG_ERROR("标定失败：ADC值无变化");
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
g_calib.slope = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / denom;
|
||
g_calib.intercept = (sum_y - g_calib.slope * sum_x) / n;
|
||
g_calib.is_calibrated = true;
|
||
|
||
LOG_INFO("压力标定完成：slope=%.4f, intercept=%.2f",
|
||
g_calib.slope, g_calib.intercept);
|
||
}
|
||
|
||
float pressure_adc_to_gram(uint16_t adc_raw) {
|
||
if (!g_calib.is_calibrated) return adc_raw / 4095.0f * 500.0f; // 默认映射
|
||
float gram = g_calib.slope * adc_raw + g_calib.intercept;
|
||
return CLAMP(gram, 0.0f, 600.0f);
|
||
}
|
||
|
||
uint8_t pressure_gram_to_normalized(float gram) {
|
||
// 映射到0-255，最大压力600克
|
||
return (uint8_t)CLAMP(gram / 600.0f * 255.0f, 0.0f, 255.0f);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 附录H 补充技术规格
|
||
|
||
### H.1 倾斜角计算
|
||
|
||
```c
|
||
// tilt_calculator.c
|
||
// 利用IMU（三轴加速度计）计算笔的倾斜角
|
||
#include <math.h>
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
float x, y, z; // 加速度计原始值（单位：g）
|
||
} accel_t;
|
||
|
||
typedef struct {
|
||
float elevation; // 仰角（0°=水平，90°=垂直）
|
||
float azimuth; // 方位角（0°=正前方）
|
||
} pen_tilt_t;
|
||
|
||
pen_tilt_t calculate_tilt(const accel_t* accel) {
|
||
pen_tilt_t result;
|
||
|
||
// 计算仰角：arctan(z / sqrt(x^2 + y^2))
|
||
float xy_magnitude = sqrtf(accel->x * accel->x + accel->y * accel->y);
|
||
result.elevation = atan2f(accel->z, xy_magnitude) * 180.0f / M_PI;
|
||
|
||
// 计算方位角：arctan2(y, x)
|
||
result.azimuth = atan2f(accel->y, accel->x) * 180.0f / M_PI;
|
||
if (result.azimuth < 0) result.azimuth += 360.0f;
|
||
|
||
return result;
|
||
}
|
||
|
||
// 滑动平均滤波消抖（窗口大小=8）
|
||
#define TILT_FILTER_SIZE 8
|
||
static pen_tilt_t tilt_history[TILT_FILTER_SIZE];
|
||
static int tilt_idx = 0;
|
||
|
||
pen_tilt_t tilt_filtered(pen_tilt_t raw) {
|
||
tilt_history[tilt_idx % TILT_FILTER_SIZE] = raw;
|
||
tilt_idx++;
|
||
|
||
pen_tilt_t sum = {0};
|
||
int count = tilt_idx < TILT_FILTER_SIZE ? tilt_idx : TILT_FILTER_SIZE;
|
||
for (int i = 0; i < count; i++) {
|
||
sum.elevation += tilt_history[i].elevation;
|
||
sum.azimuth += tilt_history[i].azimuth;
|
||
}
|
||
return (pen_tilt_t){ sum.elevation / count, sum.azimuth / count };
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### H.2 NFC标签读取
|
||
|
||
```c
|
||
// nfc_reader.c - 读取点阵纸NFC标签获取页面ID
|
||
#include "nfc_hal.h"
|
||
|
||
#define NFC_PAGE_ID_BLOCK 4 // 页面ID存储在NDEF块4
|
||
|
||
bool nfc_read_page_id(uint32_t* page_id_out) {
|
||
nfc_tag_t tag;
|
||
|
||
// 检测NFC标签
|
||
if (!nfc_hal_detect(&tag, 100 /* timeout_ms */)) {
|
||
return false;
|
||
}
|
||
|
||
// 验证标签类型（MIFARE Ultralight）
|
||
if (tag.type != NFC_TAG_MIFARE_UL) {
|
||
LOG_WARN("不支持的NFC标签类型: %d", tag.type);
|
||
return false;
|
||
}
|
||
|
||
// 读取页面ID块（4字节）
|
||
uint8_t data[4];
|
||
if (!nfc_hal_read_block(&tag, NFC_PAGE_ID_BLOCK, data)) {
|
||
LOG_ERROR("NFC读取失败");
|
||
return false;
|
||
}
|
||
|
||
// 大端序解析
|
||
*page_id_out = ((uint32_t)data[0] << 24) |
|
||
((uint32_t)data[1] << 16) |
|
||
((uint32_t)data[2] << 8) |
|
||
((uint32_t)data[3]);
|
||
|
||
LOG_DEBUG("NFC读取页面ID: 0x%08X", *page_id_out);
|
||
return true;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
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||
*本文档版权归深圳自然写科技有限公司所有，所有技术细节仅用于软件著作权登记鉴别，请勿用于其他商业用途。*
|