单片机嵌入式系统试题（第28期）
考察范围： C语言软件、硬件、项目经验综合
题目：
在一个电池供电的智能温湿度传感器项目中，你选用了内置12位ADC的MCU（如STM32L系列）。系统每隔5分钟唤醒一次，采集一次温湿度数据（通过I2C接口的传感器，如SHT30），并将数据存入外部SPI Flash（如W25Q16）中。当数据存满1000条后，需要通过LORA模块一次性上传到云端。请回答以下问题：
1. 硬件设计：
在设计SPI Flash电路时，除了电源、地、SPI引脚（SCK, MOSI, MISO）外，为什么通常还需要连接一个GPIO引脚到Flash的/CS（片选）和/HOLD或/WP引脚？请分别说明这两个引脚在电路中作用，以及若设计时直接将其接高电平或低电平可能导致的问题。
2. C语言软件：
在编写SPI Flash的驱动时，需要实现一个函数void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)，用于向指定地址写入一页数据（页大小为256字节）。以下是部分代码框架，请指出其中存在的三个潜在错误或可优化点，并说明原因：
c
void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
uint16_t i;
flash_cs_low(); // 拉低片选
spi_send_byte(0x02); // 发送写命令
spi_send_byte((addr >> 16) & 0xFF);
spi_send_byte((addr >> 8) & 0xFF);
spi_send_byte(addr & 0xFF);
for(i = 0; i < len; i++) {
spi_send_byte(data[i]);
}
flash_cs_high(); // 拉高片选
}3. 项目经验：
系统要求极低功耗。已知MCU在休眠时功耗为2μA，工作时为3mA（包括传感器采集和存储操作），每次唤醒工作时间为100ms。LORA模块上传数据时峰值电流为120mA，每次上传时间为2秒。假设电池容量为1200mAh，请估算电池的理论续航时间（按100%效率计算，忽略电池自放电）。并指出在软件层面可采取的两种进一步降低功耗的措施。
答案与解析：
1. 硬件设计：
◦ /CS（片选）引脚： 用于使能或禁用SPI Flash芯片。若直接接固定电平（如高电平），则Flash将始终处于禁用或选中状态，可能导致：① 无法控制多设备SPI总线，造成数据冲突；② 当Flash未选中时，其数据输出为高阻态，可减少功耗；固定电平会使功耗增加。
◦ /HOLD或/WP引脚 ：
◦ /HOLD ：暂停SPI通信而不取消片选，用于MCU响应更高优先级中断。若直接接地，则无法使用暂停功能；若接高电平，则功能正常但失去硬件保护。
◦ /WP ：写保护引脚，低电平时禁止写入。若直接接高电平，则失去硬件防误写保护；若接地，则Flash可能无法写入。
建议设计： 应将这两个引脚连接到MCU的GPIO，通过软件灵活控制。
2. C语言软件：
代码中的问题：
◦ 错误1：缺少写使能命令。 在写操作前，必须先发送0x06（写使能）命令，否则写操作会被Flash忽略。
◦ 错误2：未等待写操作完成。 发送数据后，Flash需要时间完成内部编程（典型值3~5ms）。应在拉高片选后，轮询状态寄存器或延迟等待，否则下次操作可能失败。
◦ 可优化点：未检查页边界。 Flash写操作不能跨页（256字节）。若len超过页剩余空间，会导致数据写入错误地址。应加入地址和长度检查。
修正示例（部分）：
c
void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
// 检查页边界
if ((addr % 256) + len > 256) return; // 或分段写入
flash_write_enable(); // 发送0x06命令
// ... 发送地址和数据
flash_cs_high();
while(flash_is_busy()); // 等待写完成
}3. 项目经验：
◦ 功耗估算 ：
每天唤醒次数 ：24h × 60min / 5min = 288次。
MCU工作能耗： 288次 × (0.1s × 3mA) = 86.4 mAs/天 = 0.024 mAh/天。
MCU休眠能耗 ： (24×3600s - 28.8s) × 2μA ≈ 172.8 mAs/天 = 0.048 mAh/天。
LORA能耗： 每1000条数据上传一次，每天上传288/1000≈0.288次（实际每3.47天一次）。每次能耗：2s × 120mA = 240 mAs = 0.067 mAh。日均：0.067/3.47 ≈ 0.019 mAh。
总日均能耗： 0.024 + 0.048 + 0.019 = 0.091 mAh。
理论续航： 1200mAh / 0.091 mAh/天 ≈ 13187天（约36年）。
注：实际续航远低于此，因未考虑传感器、Flash、电路漏电、LORA唤醒、电池效率等因素。
◦ 进一步省电措施：
① 采集后立即休眠： 将采集、存储、上传任务分段快速完成，减少MCU活跃时间。
② 降低采集频率： 根据温度变化率动态调整唤醒间隔（如夜间延长至10分钟）。
③ Flash断电： 在非写读时段，通过MOS管切断Flash电源（功耗可降至nA级）。