单片机软件设计文档模板

在单片机产品的实际开发中,编写软件设计文档需要清晰描述系统的实现逻辑和技术细节。以下是结构化文档的框架和内容示例,结合工业级开发标准,可直接用于项目交付或团队协作。

单片机软件设计文档模板
1. 文档概述

产品名称:智能温控器(示例)

硬件平台:STM32F103C8T6(Cortex-M3内核,64KB Flash, 20KB RAM)

开发环境:Keil MDK + STM32 HAL库

目标需求:

实时采集温度(DS18B20传感器,±0.5℃精度)

PID算法控制加热器(PWM输出)

通过Wi-Fi模块(ESP8266)上报数据到云平台

低功耗设计(待机电流<10μA)
2. 软件运行流程

c 复制代码
graph TD
    A[上电初始化] --> B[硬件自检]
    B --> C{自检通过?}
    C -->|是| D[启动主任务]
    C -->|否| E[进入故障模式]
    D --> F[温度采集]
    F --> G[PID计算]
    G --> H[PWM输出控制]
    H --> I[数据上传云端]
    I --> J[低功耗休眠]
    J --> F

关键流程说明:

硬件自检:检测传感器、Wi-Fi模块、Flash存储是否就绪。

低功耗休眠:通过RTC定时唤醒(如每10秒采集一次)。

故障模式:记录错误码到EEPROM,LED闪烁告警。
3. 软件架构设计
3.1 分层架构


层级 | 功能模块 | 实现说明


硬件抽象层 | HAL驱动(GPIO/ADC/UART) | 基于STM32CubeMX


外设驱动层 | DS18B20/ESP8266/PWM驱动 | 封装传感器和通信协议


中间件层 | FreeRTOS任务管理 | 任务调度、队列通信


应用层 | PID算法/云协议/用户逻辑 | 独立于硬件的业务代码


3.2 数据流架构

传感器数据 → 驱动层 → 滤波处理 → 应用层 → 控制输出 → 云端

反馈控制

  1. 软件运行模式

    模式 | 触发条件 |行为描述
    正常运行模式 | 上电自检通过 |周期性采集、控制、上报

    低功耗模式 | 无操作超时30秒 | 关闭非必要外设,RTC唤醒
    配置模式 | 长按按键3秒 | UART串口接收参数配置(波特率115200)

    故障模式 | 传感器断线或通信超时 | 停止加热,红灯快闪
    **5. 软件模块划分
    5.1 模块清单**

    模块名 | 功能 | 依赖项
    5.2 模块接口示例(C语言)
c 复制代码
// 温度传感器模块头文件 (temp_sensor.h)
typedef struct {
    float current_temp;
    uint8_t sensor_status; // 0=正常, 1=故障
} TempData;

void temp_sensor_init(void);
TempData temp_sensor_read(void);

6. 输入输出数据及特点
6.1 输入数据


数据源 | 数据类型 | 更新频率 特点


6.2 输出数据


目标 | 数据类型 | 协议 实时性要求


7. 关键设计细节

  1. 实时性保障

温度采集任务设为FreeRTOS最高优先级(优先级5)。

PWM控制中断使用硬件定时器(TIM2),避开RTOS调度延迟。

  1. 低功耗实现
c 复制代码
void enter_sleep(void) {
    HAL_UART_DeInit(&huart1);  // 关闭串口
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭LED
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
}
  1. 故障恢复策略

传感器断线时自动重试3次,仍失败则切换至备份传感器(如有)。

看门狗(IWDG)超时时间设为1秒,覆盖主循环卡死场景。
8. 测试用例(示例)


测试项 输入条件 预期输出


文档交付物

  1. 软件设计文档(本文档)

  2. 源码目录结构说明:

c 复制代码
/Drivers      # STM32 HAL驱动
/Middlewares  # FreeRTOS
/App
  ├── pid     # PID算法库
  ├── wifi    # MQTT协议栈
  └── main.c  # 任务调度入口
  1. 通信协议附录:MQTT Topic定义、数据格式示例。
    注意事项
    版本控制:使用Git管理代码,文档中标明版本号(如V1.0.0)。

可维护性:模块间通过接口解耦,避免全局变量直接访问。

安全规范:敏感操作(如PID参数修改)需增加权限校验。

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