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引言

隨著物聯網和可穿戴設備的快速發展，智能手表作為典型代表，集成了傳感器數據采集、實時顯示、無線通信等多項功能。本文將深入剖析一個基于STM32和FreeRTOS的智能手表項目，從硬件架構到軟件設計，逐步講解如何構建一個完整的嵌入式系統。讀者將學習到多任務管理、外設驅動開發、RTOS應用等核心知識。

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一、項目概述

1.1 功能概覽

本項目實現了一款具備以下功能的智能手表：

• 環境監測：溫濕度（DHT11）、運動姿態（MPU6050）
• 健康監測：血氧飽和度（MAX30102）、心率（算法處理）
• 人機交互：OLED顯示、按鍵控制、蜂鳴器提示
• 系統功能：RTC實時時鐘、獨立看門狗、低功耗管理
• 無線通信：藍牙數據傳輸（BLE模塊）
• 操作系統：FreeRTOS實現多任務調度

1.2 硬件架構

• 主控芯片：STM32F407ZGT6（Cortex-M4, 168MHz）

傳感器模塊

：

• MAX30102（血氧/心率）

• MPU6050（加速度計+陀螺儀）

• DHT11（溫濕度）

• 顯示模塊：0.96寸OLED（I2C接口）

• 外圍設備：LED指示燈、蜂鳴器、按鍵矩陣

• 通信模塊：HC-05藍牙模塊（USART）

1.3 軟件架構

c

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/* 文檔1中的任務列表 */
static TaskHandle_t app_task_init_handle;        // 初始化任務
static TaskHandle_t app_task_mpu6050_handle;    // 運動檢測
static TaskHandle_t app_task_key_handle;         // 按鍵處理
static TaskHandle_t app_task_dht_handle;         // 溫濕度采集
static TaskHandle_t app_task_usart_handle;       // 串口通信
static TaskHandle_t app_task_rtc_handle;         // 實時時鐘
static TaskHandle_t app_task_oled_handle;       // 顯示刷新
static TaskHandle_t app_heart_task_handle;      // 心率血氧計算

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二、FreeRTOS系統配置

2.1 內核基礎配置

在FreeRTOSConfig.h中設置關鍵參數：

c

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#define configUSE_PREEMPTION        1   // 使用搶占式調度
#define configUSE_IDLE_HOOK         1   // 啟用空閑任務鉤子（低功耗）
#define configUSE_TICK_HOOK         0   
#define configCPU_CLOCK_HZ        168000000 // CPU頻率
#define configTICK_RATE_HZ         1000     // 系統節拍1kHz
#define configMAX_PRIORITIES       15      // 優先級數量
#define configMINIMAL_STACK_SIZE   128     // 最小任務棧
#define configTOTAL_HEAP_SIZE      (30 * 1024) // 堆空間30KB

2.2 任務創建示例

c

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void MX_FREERTOS_Init(void) {xTaskCreate(app_task_init, "Init", 256, NULL, 5, &app_task_init_handle);xTaskCreate(app_task_oled, "OLED", 512, NULL, 3, &app_task_oled_handle);// ...其他任務創建
}

2.3 關鍵機制

• 互斥鎖：保護共享資源（如printf、OLED操作）
• 消息隊列：傳感器數據傳遞（LED控制指令隊列示例）

c

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QueueHandle_t xLEDQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint8_t));

• 事件標志組：跨任務事件通知
• 軟件定時器：看門狗喂狗、周期性任務

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三、硬件驅動詳解

3.1 OLED顯示模塊（I2C）

驅動要點：

• 使用硬件I2C或模擬I2C（文檔6）
• 顯存管理：128x64像素對應8頁緩存
• 中文顯示：字模提取（文檔8）

初始化流程：

c

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void OLED_Init(void) {I2C_Start();Write_IIC_Command(0xAE); // 關閉顯示Write_IIC_Command(0xD5); // 設置時鐘分頻// ...更多初始化命令
}

3.2 MAX30102血氧傳感器

數據采集關鍵代碼（文檔17）：

c

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void maxim_max30102_read_fifo(uint32_t *pun_red, uint32_t *pun_ir) {I2C_Start();I2C_WriteByte(MAX30102_WR_ADDR); I2C_WriteByte(REG_FIFO_DATA); I2C_Start();I2C_WriteByte(MAX30102_RD_ADDR);*pun_red = I2C_ReadByte() << 16;// ...連續讀取6字節組成32位數據
}

數據處理算法（文檔11）：

c

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void maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(uint32_t *ir_buffer, int32_t ir_length,uint32_t *red_buffer, int32_t *spo2, int8_t *valid_spo2,int32_t *heart_rate, int8_t *valid_hr) 
{// 信號濾波、峰值檢測、SPO2查表計算
}

3.3 MPU6050運動檢測

數據讀取（文檔9）：

c

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void MPU6050_ReadData(int16_t *accel, int16_t *gyro) {I2C_ReadBytes(MPU6050_ADDR, ACCEL_XOUT_H, (uint8_t*)buffer, 14);accel[0] = (buffer[0]<<8)|buffer[1];// ...解析各軸數據
}

抬手喚醒邏輯：

c

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void app_task_mpu6050(void *pvParameters) {while(1) {if(CheckHandUp()) { // 檢測加速度變化xEventGroupSetBits(xDisplayEvent, DISPLAY_WAKEUP_BIT);}vTaskDelay(50); // 50ms檢測周期}
}

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四、多任務協同設計

4.1 任務間通信

消息隊列應用（LED控制）：

c

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// 發送端（按鍵任務）
uint8_t led_cmd = LED_TOGGLE;
xQueueSend(xLEDQueue, &led_cmd, portMAX_DELAY);// 接收端（LED任務）
xQueueReceive(xLEDQueue, &cmd, portMAX_DELAY);
GPIO_Toggle(LED_PORT, LED_PIN);

4.2 事件標志組應用

顯示狀態管理：

c

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// 定義事件位
#define DISPLAY_UPDATE_BIT (1 << 0)
#define DISPLAY_SLEEP_BIT  (1 << 1)// 設置事件
xEventGroupSetBits(xDisplayGroup, DISPLAY_UPDATE_BIT);// 等待事件
EventBits_t bits = xEventGroupWaitBits(xDisplayGroup, DISPLAY_UPDATE_BIT | DISPLAY_SLEEP_BIT, pdTRUE, pdFALSE, 100 / portTICK_RATE_MS);

4.3 資源保護（互斥鎖）

c

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SemaphoreHandle_t xPrintfMutex = xSemaphoreCreateMutex();void SafePrintf(const char *format, ...) {xSemaphoreTake(xPrintfMutex, portMAX_DELAY);va_list args;va_start(args, format);vprintf(format, args);va_end(args);xSemaphoreGive(xPrintfMutex);
}

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五、低功耗與穩定性

5.1 空閑任務鉤子

c

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void vApplicationIdleHook(void) {__WFI(); // 進入睡眠模式
}

5.2 看門狗配置

獨立看門狗（文檔23）：

c

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void IWDG_Init(uint32_t timeout_ms) {IWDG->KR = 0x5555; // 解鎖PR/RLR寄存器IWDG->PR = 4;      // 預分頻64 => 1.6ms/tickIWDG->RLR = timeout_ms * 625 / 1000;IWDG->KR = 0xAAAA; // 重載IWDG->KR = 0xCCCC; // 啟動看門狗
}

喂狗任務：

c

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void Watchdog_Task(void *pv) {while(1) {IWDG_Refresh();vTaskDelay(2000); // 2秒喂狗}
}

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六、開發經驗總結

6.1 調試技巧

1. 分段初始化：逐個啟用外設，避免硬件沖突
2. 利用RTOS跟蹤工具：FreeRTOS+Trace可視化任務狀態
3. 內存監控：使用uxTaskGetStackHighWaterMark()檢測棧溢出

6.2 常見問題

1. I2C總線鎖死：
   • 增加超時重試機制
   • 硬件上拉電阻（4.7KΩ）
2. 顯示刷新撕裂：
   • 使用雙緩沖機制
   • 在垂直消隱期更新顯存
3. 傳感器數據異常：
   • 添加數字濾波（移動平均、卡爾曼濾波）
   • 數據合理性校驗

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七、項目擴展方向

1. 增加GPS定位：UBLOX NEO-6M模塊
2. 無線充電功能：Qi標準接收電路
3. 語音交互：集成LD3320語音識別芯片
4. 運動算法優化：計步器、卡路里計算
5. GUI升級：LVGL圖形庫移植

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結語

通過本項目的實踐，讀者可以掌握以下核心技能：

• FreeRTOS多任務設計與優化
• 常見傳感器驅動開發
• 低功耗設計方法論
• 嵌入式系統穩定性保障
• 硬件/軟件協同調試技巧

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附錄：硬件連接參考

模塊	引腳	功能
MAX30102	PB6-PB7	I2C1
MPU6050	PB8-PB9	I2C2
OLED	PD10-PD11	I2C3
BLE	PB10-PB11	USART3
蜂鳴器	PF8	GPIO