資料開源！基于STM32和FreeRTOS DIY炫酷智能手表

limao164 2024-07-13 發(fā)布于四川

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這是一個基于STM32F411CUE6和FreeRTOS和LVGL的低成本的超多功能的STM32智能手表~

系統(tǒng)組成

??系統(tǒng)框圖如下所示，主控使用STM32F411CEU6，操作系統(tǒng)使用FreeRTOS，圖形庫使用的LVGL。

傳感器部分：手勢識別使用6軸MPU6050；心率血氧使用的是EM7028，EM7028的資料很少，之前自己寫的局部尋峰算法來計算心率但是效果不好，現(xiàn)在改成了使用官方的庫；海拔測量用的氣壓計SPL06-001；電子指南針使用LSM303DLHC；V2.4版本，藍牙芯片換成了KT6368A，有SPP功能，可以無線升級。

軟件架構(gòu)

??手表的軟件架構(gòu)如下所示，具體的細節(jié)詳見倉庫的代碼。

??V2.4版本以后的手表的代碼分為Bootloader和APP了，為的是方便用戶戴在手上進行不用拆解的升級，BOOT區(qū)后面劃分了一個Flag區(qū)，用于記錄是否是完整的APP，這個位置是APP傳輸完成后才記錄的，為的是保證程序完整性。

功能說明

大致功能表如下圖所示：

電源部分：手表使用的是3.7V鋰電池，通過TPS63020提供3V3電源，V2.2版本之后，充電口留了兩個焊盤，用來接觸磁吸充電口。特別注意，V2.0版本使用的無線充電，使用了芯片T3168，但是用無線充電的話，加上線圈和多的器件，體積就非常大了，同時還有散熱問題。
藍牙部分：V2.2用的是HC-04（郵票孔封裝），后面的V2.3版本改成了用國產(chǎn)芯片KT6328A，V2.4換成了KT6368A。
輔助功能部分：計算器：當(dāng)時做帶浮點數(shù)的計算器做得很煩，字符串處理很麻煩。現(xiàn)在這個計算器是通過一個數(shù)字棧和一個符號棧實現(xiàn)的，具體看代碼。
NFC部分(現(xiàn)已刪除)：V2.0版本的IC卡復(fù)制器模塊介紹詳見：https:///no_chicken/ICka-fu-zhi-qi.
在V2.2版本中，為了精簡減小體積，僅有UID卡，可以被外部讀卡器讀寫。而在V2.0版本中，用的是RC522和一張UID卡組成的，可以自行復(fù)制外部IC卡，然后也可以被外部讀卡器讀寫如下圖所示：

版本更新的功能說明

V2.4.2增加的功能:

加入PageManager.c, 方便進行頁面管理, 代碼框架有較大改動.
加入HWDataAccess.c, 用于UI層訪問BSP層, 當(dāng)需要移植到仿真器時, 復(fù)制Func文件夾和GUI_App文件夾過去, 將HW_USE_HARDWARE定義為0即可.
同步更新了LVGL的Vscode仿真工程.

V2.4.1增加的功能:

睡眠時DeInit串口的IO口，設(shè)置為輸入，修復(fù)休眠功耗很高的情況，現(xiàn)在休眠狀態(tài)電流800多uA.
BootLoader和APP都加入長按KEY1關(guān)機功能.
APP中按鍵KEY的BSP改動，現(xiàn)在是按鍵按下松開才發(fā)生作用，避免了一些誤觸情況.

如何燒錄

由于具體的步驟太多這里不放了, 詳細見Firmware中的README文件: BootLoader和APP說明

如果你覺得帶BootLoader可無線升級的V2.4.0版本比較麻煩, 可以自行下載ver2.3.2分支, 用以前的代碼.

實物圖

軟件部分設(shè)計細節(jié)：

1.低功耗設(shè)計

??手表的模式分為3個。第一個是正常的運行模式，手表正常運行；第二個是睡眠模式，MCU進入STOP模式，MPU6050仍在記步數(shù)；第三個是關(guān)機模式，TPS63020直接關(guān)閉使能，此時無3V3供電，只有Vbat有供電。

??在最開始的時候，手表從睡眠到喚醒使用的是MPU6050的運動功能，打開中斷，喚醒，但是這樣嘗試過，有個問題就是需要抖動幅度很大才能觸發(fā)中斷。所以最后還是用的RTC定時中斷，然后定時檢測當(dāng)前手勢狀態(tài)，如果有抬腕動作則喚醒。

??MPU6050不能直接使用DMP庫，初始化后功耗很高，需要進行一些改動，才能讓功耗下來，具體看工程代碼。

??如果藍牙使用KT6328A，不建議關(guān)閉藍牙使能，他的待機功耗很低。但后面2.4版本Back板改了，可以完全關(guān)閉藍牙，所以直接使用KT6368A即可，不用的時候關(guān)掉藍牙就行。

??最后接3V3測試，運行模式70-80mA，待機模式1mA左右，關(guān)機模式基本不耗電只有RTC在工作。當(dāng)然后面沒有測試電源接到Vbat端經(jīng)過DCDC供電的情況，這個功耗就完全看DCDC的效率的。

2.心率血氧

??血氧部分暫時還沒有寫。心率計算本來使用的官方的庫，但是計算太慢了，后面改為自己寫的一個簡易的峰值檢測的算法。EM7028的PPG信號如下圖所示

3.數(shù)據(jù)存儲

??目前使用的外部的EEPROM進行數(shù)據(jù)存儲，主要用于存儲設(shè)置等，詳細可以看Datasave.c文件。

4.頁面切換邏輯

??為了實現(xiàn)頁面切換，可以返回上次的界面，這里使用了一個棧來存儲頁面對應(yīng)的，例如，使用user_Stack_Pop(&ScrRenewStack);彈出上一個界面，然后進入到新的界面再使用 user_Stack_Push(&ScrRenewStack,(long long int)&ui_HomePage);入棧一個界面的指針地址。注意不能直接在push操作使用類似ui_HomePage入棧，它是會動態(tài)變化的，這是個很大的坑。

//key1 pressedif(keystr == 1){    user_Stack_Pop(&ScrRenewStack);    if(user_Stack_isEmpty(&ScrRenewStack))    {        ui_MenuPage_screen_init();        lv_scr_load_anim(ui_MenuPage,LV_SCR_LOAD_ANIM_MOVE_RIGHT,0,0,true);        user_Stack_Push(&ScrRenewStack,(long long int)&ui_HomePage);        user_Stack_Push(&ScrRenewStack,(long long int)&ui_MenuPage);    }    else if(ScrRenewStack.Data[ScrRenewStack.Top_Point-1] == (long long int)&ui_HomePage)    {        ui_HomePage_screen_init();        lv_scr_load_anim(ui_HomePage,LV_SCR_LOAD_ANIM_MOVE_RIGHT,0,0,true);    }}

5.計算器邏輯

??計算器的邏輯就是很經(jīng)典的計算器問題，經(jīng)典的就是開兩個棧，一個存放符號，一個存數(shù)字，然后進行出棧計算等等操作，以1+2*6/3為例，具體的過程如下動圖所示。但是會有一個問題就是小數(shù)點，這個動圖展示的只是整數(shù)計算的邏輯，帶小數(shù)點的詳細見代碼。

具體整數(shù)計算的過程是：

遍歷表達式，當(dāng)遇到操作數(shù)，將其壓入操作數(shù)棧。
遇到運算符時，如果運算符棧為空，則直接將其壓入運算符棧。
如果運算符棧不為空，那就與運算符棧頂元素進行比較：如果當(dāng)前運算符優(yōu)先級比棧頂運算符高，則繼續(xù)將其壓入運算符棧，如果當(dāng)前運算符優(yōu)先級比棧頂運算符低或者相等，則從操作數(shù)符棧頂取兩個元素，從棧頂取出運算符進行運算，并將運算結(jié)果壓入操作數(shù)棧。
繼續(xù)將當(dāng)前運算符與運算符棧頂元素比較。
繼續(xù)按照以上步驟進行遍歷，當(dāng)遍歷結(jié)束之后，則將當(dāng)前兩個棧內(nèi)元素取出來進行運算即可得到最終結(jié)果。