YuanHongbin/LaserTracing
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LaserTracing 项目架构与工作流程分析

1. 项目概述

LaserTracing（激光示踪）是基于华大 HC32L170（ARM Cortex-M0+）超低功耗 MCU 的嵌入式传感器项目。设备通过 LoRa（SX1276）无线通信接入网关，采集三维姿态角（俯仰/横滚/偏航）并定时上报，同时支持激光控制、低功耗休眠、FPO 全功率时间段等特性。

1.1 硬件组成

模块 型号/接口 用途
MCU HC32L170 主控，Cortex-M0+
LoRa SX1276 (SPI0) 与网关无线通信
加速度计 LSM6DSL (I2C0) 采集加速度/陀螺仪
地磁 MMC5983 (I2C0) 采集磁场
激光 LASER1~3 (GPIO) 激光开关控制
ADC ADC (EXCH4) 电池电压采样
调试口 UART/RS485 调试命令交互

1.2 软件版本

  • 软件版本: SOFTWARE_VERSION = 12
  • 硬件版本: HARDWARE_VERSION = 11

2. 目录结构

LaserTracing/
├── MDK/                    # Keil 工程文件 (uvprojx/uvoptx/RTE)
├── Module/                 # 功能模块
│   ├── Imu/                # IMU 姿态解算上层
│   ├── LORA/               # SX1276 LoRa 驱动 (sx127x.c/h)
│   ├── LaserTracing_Debug/ # 调试命令模块 (UartDebug.c/h)
│   ├── MahonyAHRS/         # 姿态解算算法库
│   ├── lsm6dsl/            # LSM6DSL 驱动 (含寄存器层)
│   └── mmc5983/            # MMC5983 驱动
├── driver/                 # HC32L170 官方外设驱动库 (inc/src)
├── mcu/                    # 芯片支持包 (启动文件、FlashLoader)
├── source/
│   ├── inc/                # 项目头文件
│   │   ├── main.h          # 应用结构体/状态机/全局声明
│   │   ├── bsp.h           # 板级定义/参数结构/外设宏
│   │   ├── SGCP.h          # 通信协议定义
│   │   ├── Algorithm.h     # 算法接口
│   │   ├── Update.h        # 升级接口
│   │   └── UartDebug.h     # 调试接口
│   └── src/
│       ├── main.c          # 主流程/状态机/数据采集
│       ├── bsp.c           # 板级初始化/中断处理/外设封装
│       ├── SGCP.c          # 通信协议栈 (网关交互)
│       ├── Algorithm.c     # 工具函数/辅助算法
│       └── Update.c        # 固件升级逻辑
└── docs/                   # 本文档

3. 核心架构分层

3.1 分层结构

┌─────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 (main.c)                              │
│  - AppInit/主循环/状态机/数据采集与处理       │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 协议层 (SGCP.c)                              │
│  - 注册/上报/配置/激光/信号 帧处理与状态机    │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 模块层 (Module/)                             │
│  - LoRa/IMU/AHRS/传感器/调试 各功能模块       │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 驱动层 (driver/ + bsp.c)                     │
│  - HC32L170 外设驱动 + 板级封装              │
└─────────────────────────────────────────────┘

3.2 关键全局对象

  • App (AppDetect_t)：应用状态、传感器数据、姿态结果、配置参数、各类标志与计数器。
  • SGCP (SGCP_t)：通信协议状态、网关/设备 MAC、接收缓冲区、指令状态机标志。
  • LocalMAC / GatewayMAC：本机 6 字节 MAC 与网关 MAC。
  • LocalDataPack：本机待上报的打包数据。

4. 工作流程分析

4.1 系统启动流程 (main)

main()
 ├─ BspInit()            # 时钟、GPIO、外设、中断初始化
 ├─ delay_ms(3000)       # 上电等待
 ├─ AppInit()            # 读参数、校验恢复默认、初始化 RTC/LPTimer/LoRa/传感器
 ├─ 打印版本信息
 └─ while(1) 主循环
     ├─ ADCLoopHandler()       # 电池电压采样
     ├─ FeedDogHandler()       # 看门狗喂狗
     ├─ DebugLoopHandler()     # 调试命令处理
     ├─ Lsm6dslLoopHandler()   # 加速度数据处理
     ├─ MMC5983LoopHandler()   # 地磁数据处理
     ├─ ReadDataLoopHandler()  # 数据采集状态机
     ├─ GwRevLoopHandler()     # 网关收发状态机
     ├─ InRevLoopHandler()     # 内部指令处理
     └─ AppLoopHandler()       # 应用状态机

4.2 时基中断与回调

中断 功能
SysTick_CallBack (1ms) 调用各 1mSRoutine 递减计数器
RtcIRQHander (30s) 系统定时重启、定时采集触发、周期上报、紧急上报
LPTimer0IRQHander 注册/上传重试定时器
PortB_IRQHandler LoRa DIO0（发送完成/接收完成）
PortC_IRQHandler 加速度 INT1 / 地磁 INT 回调

4.3 应用状态机 (AppLoopHandler / APP_STATUS_*)

APP_STATUS_SLEEP → APP_STATUS_ON → APP_STATUS_ACTION
                                       │
     ┌─────────────────────────────────┼───────────────────────────────┐
     ▼                                 ▼                               ▼
APP_STATUS_WAIT_LOGIN          (数据采集)                    APP_STATUS_WAIT_UPLOAD
     │ 注册成功                    │ 采集完成(UpdateOk)            │ 上传完成/超时
     └───────▶ APP_STATUS_ACTION  └───────▶ 触发上传              └──────▶ ACTION

关键转移条件（AppLoopHandler 中按优先级判断）：

  1. InStatus != IDLE → 等待内部指令完成
  2. LoginOk == false && LoginFlag == true && GWStatus == IDLE → 发起注册
  3. TimingAcquisition == true && RDStatus == IDLE → 启动传感器采集
  4. LoginOk == true && UploadFlag == true && GWStatus == IDLE && UpdateOk == true → 上传数据
  5. LaserOnOff == true && LaserTimerCount == 0 → 激光状态处理
  6. 全部空闲且 IsFullPowerTime() == false → 进入休眠 (APP_STATUS_OFF)

4.4 数据采集状态机 (ReadDataLoopHandler / READDATA_STATUS_*)

READDATA_STATUS_IDLE
   └─(TimingAcquisition=true)─▶ READDATA_STATUS_UPDAING
        (启动 LSM6DSL + MMC5983，置 ReadData1mSDelayCnt=2000)
        └─▶ READDATA_STATUS_WAIT_UPDAING
             (等待中断回调置 MagRead_EndFlag / AccRead_EndFlag 或 2s 超时)
             └─▶ READDATA_STATUS_DATA_HANDLE
                  (IMU_Update 解算 → 存 ConvertedData → 拷入 LocalDataPack)
                  └─▶ READDATA_STATUS_IDLE  (置 UpdateOk=true)

若任一传感器超时（未收到中断），UpdateOk 保持 false，本周期数据不用于上报。

4.5 注册与数据上报时序

  1. 上电后 LPTimer0_ON(50)（5s）后 LoginFlag=true。
  2. APP_STATUS_ACTION 检测到注册条件 → GW_STATUS_LOGIN → ToGWDevLogin() 发送注册帧（Cmd=0x00）。
  3. 网关回应注册 → GWRevHandler 置 LoginOk、保存 GatewayMAC → GW_STATUS_WAIT_LOGIN 置 LoginMess、TimingAcquisition=true。
  4. APP_STATUS_WAIT_LOGIN 置 UploadFlag=true 并触发采集。
  5. 采集完成 UpdateOk=true → APP_STATUS_ACTION 置 GW_STATUS_UPLOAD_SENSOR → ToGWReadDataRes() 发送数据帧（Cmd=0x02）。
  6. GW_STATUS_WAIT_UPLOAD 等网关回应（2s 超时）。收到回应 UploadOk=true → 上报成功；超时则 UploadMess=true，由 APP_STATUS_WAIT_UPLOAD 计数重试，3 次失败后重新注册。

4.6 协议帧格式 (SGCP)

网关↔设备固定帧（16 字节头）：

| Header(1) | GWAddr(6) | MDAddr(6) | Cmd(1) | PayloadLen(2) | Payload(N) | CRC16(2) |

命令字（网关→设备）：

Cmd 含义
0x00 设备注册 (GWTOMD_CMD_LOGIN)
0x01 校准 (GWTOMD_CMD_CALI)
0x02 读取/上传数据 (GWTOMD_CMD_READ_UPLOAD_SENSOR)
0x05 设置采集时间间隔 (GWTOMD_CMD_SET_COL_TIME)
0x06 时间同步 (GWTOMD_CMD_SYNC_TIME)
0x08 打开/关闭激光 (GWTOMD_CMD_SET_LASER)
0x09 信号质量查询 (GWTOMD_CMD_SIGNAL)
0x0A 设置全功率运行时间段 (GWTOMD_CMD_SET_FPO)

LayoutPara_t 参数（网关下发，10 字节 + 时间戳）：CollectTime / ReportInterval / ERInterval / ERTime / FPOTimeStart / FPOTime / TimeStamp。

4.7 网关状态机 (GwRevLoopHandler / GW_STATUS_*)

GW_STATUS_IDLE
 ├─▶ LOGIN → WAIT_LOGIN → IDLE          # 注册流程
 ├─▶ CALI → 校准回应                    # 校准
 ├─▶ SET_COL_TIME → 采集间隔回应
 ├─▶ SET_FPO → 全功率时间段回应 (0x0A)
 ├─▶ SYNC_TIME → 时间同步
 ├─▶ UPLOAD_SENSOR → WAIT_UPLOAD        # 上报流程
 ├─▶ LASER_STARES → 激光状态回应
 └─▶ SIGNAL → WAIT_SIGNAL → 信号质量

4.8 低功耗与休眠

  • 空闲时判断：RDStatus==IDLE && GWStatus==IDLE && InStatus==IDLE && !TimingAcquisition && 各延时==0 && !LaserOnOff && !AttTestMode && !IsFullPowerTime() → APP_STATUS_OFF → 关闭 LED → APP_STATUS_SLEEP。
  • APP_STATUS_SLEEP 中调用 EnterDeepSleep() 深睡眠，WakeUpInit() 唤醒后回 APP_STATUS_ON。
  • FPO 全功率时间段：由 IsFullPowerTime() 判断当前本地小时是否落在 [FPOTimeStart, FPOTimeStart+FPOTime) 区间内（支持跨天、0 时长表示关闭），在 FPO 时段内不进入休眠。FPOTime 默认 0，TimeGet 从 RTC 读取当前小时（本地时间）。

4.9 激光控制

  • 网关下发 0x08 指令置 SGCP.LaserOnOff，LaserTimerMinutes（默认 1 分钟）决定自动关闭时长。
  • GW_STATUS_LASER_STARES 中执行 LASER1_ON/OFF() 并回应网关。
  • RTC 30s 中断中 LaserTimerCount--，归零后再次进入 GW_STATUS_LASER_STARES 执行关闭。

5. 通信模式配置

宏 值 说明
WORK_MODE 1 0=查询模式，1=上报模式（低功耗）
SGCP_SELECT 1 0=主+子多设备，1=单主设备（当前），2=单子设备
USE_VBAT_AD 1 电池电压采样开关
USE_WDT 1 看门狗开关
USE_DEBUG 1 调试命令开关
USE_BOOTLOADER 0 BootLoader 升级开关

6. LoRa 信道配置

中心频率范围 470100000 ~ 492600000 Hz，步进 500000 Hz，共 46 个信道（CH0~CH45）：

  • CH0 = 470100000，CH1 = 470600000，...，CH45 = 492600000。
  • 默认 FREQ_CENT = CH0；信道切换上限 LoraSetChannel 允许 0~45。
  • 频率范围校验（LoraSetFreqCent / AppInit）：410000000 ~ 525000000，覆盖全部信道。
  • 可通过调试命令 lora ch <0~45> 配置信道。

7. 调试命令 (UartDebug)

命令 说明
reg 手动触发注册
para 打印当前配置参数（含 FPO、激光状态）
lpcfg CI RI EI ET 配置低功耗采集/上报参数
fpocfg Start Dur 配置全功率运行时间段（配置后自动向网关发送 0x0A 通知）
lora ch/pw/bw/sf/ec/rp/fc/o 配置 LoRa 参数
laser 激光控制与定时配置
rs485 / dch RS485 通道控制 / 调试通道切换
res 恢复出厂设置
dbg 调试开关控制

8. 关键文件与职责对照

文件 主要职责
source/src/main.c 主流程、应用状态机、数据采集状态机、FPO 判断、中断回调
source/src/SGCP.c 协议栈：帧组包/解析、网关状态机、注册/上报/配置/激光/信号处理
source/src/bsp.c 板级初始化、外设封装、中断处理、RTC/TimeGet/低功耗
source/inc/SGCP.h 协议常量、帧结构、命令字、状态机、设备数据定义
source/inc/bsp.h 板级宏、参数结构（LayoutPara_t 等）、外设引脚定义
source/inc/main.h 应用结构体、状态机枚举、宏定义
Module/LORA/sx127x.c LoRa 收发、信道/频率/功率配置
Module/LaserTracing_Debug/UartDebug.c 调试命令解析执行
Module/lsm6dsl / mmc5983 传感器驱动与数据回调
Module/MahonyAHRS / Imu 姿态解算

9. 典型问题排查路径

  • 注册失败/超时：查 GW_STATUS_WAIT_LOGIN 超时日志、网关 MAC 是否保存、LoRa 接收是否正常。
  • 上传超时：查 GW_STATUS_WAIT_UPLOAD 日志、LocalDataPack 是否全 0（is_all_byte 检查）、UpdateOk 是否被置位、传感器采集是否超时。
  • 无法休眠：查 IsFullPowerTime() 时段判断、InStatus/GWStatus/RDStatus 是否处于非 IDLE、各类延时计数是否清零。
  • LoRa 通信异常：核对信道频率范围（470.1~492.6MHz）与网关是否一致、FREQ_CENT/FreqCent 配置、天线开关状态。
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