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桌面用电监控系统

评分细则

功能列表

  • PWM 波形生成：PA8/TIM1_CH1 输出 50% 占空比方波，默认 50 Hz，可通过 LCD 按键或串口命令修改频率。
  • PA1 频率测量：PA1/TIM2_CH2 输入捕获测量外部频率，结果显示在 LCD 和 STATUS? 串口响应中。
  • DA 波形生成：PA4/PA5 双路 DAC 使用 TIM6 TRGO 触发，DMA2_CH3/CH4 循环输出 128 点正弦表。
  • DA 曲线显示：LCD 的 DA Wave 页面显示 DAC 模式、频率、幅值、相位，并绘制 CH1/CH2 两路曲线和坐标轴。
  • ADC 采样与电参数计算：PC0/PC3/PC2（ADC1_IN10/IN13/IN12）三通道模拟输入，TIM3 TRGO 以 6400 Hz 触发 ADC1 规则组扫描。DMA1_Channel1 循环搬运 384 半字，DMA TC 中断解交错到三个独立通道数组。Rust 定点数算法计算 Vrms、Irms、漏电流 Irms、有功功率、视在功率和功率因数。
  • USART1 协议：通过 PA9/PA10、115200 8N1 接收命令，支持状态查询、自动上报开关、PWM 和 DAC 参数设置。
  • 板级保护：启动时拉高 PC13、PA2、PA3 片选信号，避免触摸/W25Q64/SD 等共享外设误响应。

LCD 主菜单包含六个页面：

  • Dashboard：主仪表盘页面，集中显示核心电参量（Vrms、Irms、功率、功率因数等）以及电压/电流的实时 ADC 采样波形。
  • Test Menu：顶层测试菜单，包含 miniIO 继电器控制与引脚测试状态等。
  • PWM：方波设置页，可查看并编辑 PA8 PWM 的频率。
  • Freq Measure：测频页，可查看 PA1 频率测量结果，并包含串口自动上报开关。
  • DA Wave：DAC 波形监看页，可查看 PA4/PA5 DAC 参数配置并实时绘制双通道波形。
  • System Info：系统信息页，展示系统的编译与状态元数据。

串口协议

串口参数为 115200 8N1，协议为二进制帧。

帧格式：

SOF0 SOF1 VER TYPE SEQ LEN_L LEN_H PAYLOAD... CRC_L CRC_H

字段约定：

  • SOF0=0xA5，SOF1=0x5A：帧起始头。
  • VER=0x01：协议版本。
  • TYPE=0x01：上位机发给设备的命令帧。
  • TYPE=0x81：设备返回给上位机的命令响应帧。
  • TYPE=0x82：设备主动发送的自动上报或事件帧。
  • TYPE=0x83：设备返回的协议错误帧，payload 通常为 ERR BAD_FRAME。
  • TYPE=0x84：设备分帧发送的屏幕截图数据帧（调试辅助功能，见末尾「屏幕截图」）。
  • SEQ 是请求序号；命令响应沿用请求帧的 SEQ，自动上报和启动事件使用 0。
  • LEN_L/LEN_H 是 payload 字节数，小端 uint16。
  • CRC_L/CRC_H 是 CRC-16/Modbus，小端，覆盖 VER 到 PAYLOAD，不覆盖 SOF0/SOF1。

payload 是不带 NUL、不带 CRLF 的可打印 ASCII 文本：

HELP
STATUS?
REPORT?
REPORT ON
REPORT OFF
PWM SET <hz>
DAC SET MODE SINGLE|DUAL
DAC SET CH1|CH2 FREQ <hz>
DAC SET CH1|CH2 AMP <code>
DAC SET CH1|CH2 PHASE <deg>
SHOT

说明：

  • STATUS? 返回 PA1 测频、PWM 频率、上报开关、DAC 模式/频率/幅值/相位、以及 ADC 电参数（Vrms/Irms/漏电流/有功功率/视在功率/功率因数）。
  • HELP 会返回多条 TYPE=0x81 响应帧，每条响应帧使用同一个 SEQ。
  • DAC SET MODE SINGLE 时，CH1 输出正弦波，CH2 保持 DAC 中点电压。
  • DAC SET MODE DUAL 时，CH1/CH2 输出正弦波，CH2 相对 CH1 的相位差可通过 DAC SET CH2 PHASE 进行调整。
  • DAC SET CH1|CH2 FREQ 当前限制在 1..1000 Hz，DAC SET CH1|CH2 AMP 当前限制到安全码值范围内。
  • SHOT 是调试辅助命令（不在 HELP 列表中）：设备把当前 LCD 画面按 RLE 十六进制文本经 TYPE=0x84 帧分块上传，由上位机 shot 工具重建为 PNG。
  • 设备启动后会主动发送 TYPE=0x82, SEQ=0, PAYLOAD="OK DEVICE READY"。
  • CRC 错误、帧不完整或 SOF 噪声会被静默丢弃；版本、类型或 payload 长度不合法时返回协议错误帧。

STATUS? 响应格式示例：

OK STATUS MEAS=50.00Hz PWM=50Hz REPORT=ON DAC_MODE=SINGLE DAC_FREQ1=50Hz DAC_FREQ2=50Hz DAC_AMP1=1500 DAC_AMP2=1500 DAC_PHASE1=0 DAC_PHASE2=0 VRMS=220.12 IRMS=1.234 ILK=0.005 P=220.1 S=271.5 PF=0.810

STATUS? 命令帧示例，SEQ=0x2A：

A5 5A 01 01 2A 07 00 53 54 41 54 55 53 3F B4 59

其中 53 54 41 54 55 53 3F 是 ASCII payload STATUS?，B4 59 是对 01 01 2A 07 00 53 54 41 54 55 53 3F 计算得到的 CRC-16/Modbus。

串口命令行工具

tools/serial_cmd/ 是一个 Rust 编写的串口命令工具，自动完成二进制帧封装和 CRC 校验。

编译：

cd tools/serial_cmd
cargo build --release

编译产物位于 tools/serial_cmd/target/release/serial_cmd。

发送命令

# 查询状态
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "STATUS?"

# 查看帮助
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "HELP"

# 修改 PWM 频率
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "PWM SET 1000"

# 开关自动上报
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "REPORT ON"
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "REPORT OFF"

# DAC 参数设置
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "DAC SET MODE DUAL"
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "DAC SET CH1 FREQ 80"
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "DAC SET CH1 AMP 1900"
serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 "DAC SET CH2 PHASE 180"

REPORT ON 发送后会自动进入 5 秒监听，显示后续自动上报内容。

监听模式

持续接收设备的自动上报和事件帧：

serial_cmd /dev/cu.usbserial-10 monitor

按 Ctrl+C 退出。

CRC 校验测试

cargo run --release --bin crc_test -- /dev/cu.usbserial-10

该测试会分别发送正确 CRC 帧、破坏 CRC 帧和篡改 payload 帧，验证设备端 CRC 校验是否正常工作。

屏幕截图

把当前 LCD 画面通过串口截取为 PNG（240×320，调试辅助功能）：

cargo run --release --bin shot -- /dev/cu.usbserial-110 screenshot.png
# 或直接使用编译产物：
./target/release/shot /dev/cu.usbserial-110 screenshot.png

参数依次为：串口、输出文件名、可选超时秒数（默认 30）。设备收到 SHOT 命令后，把 LCD 画面按 RLE 压缩编码为十六进制文本，经 TYPE=0x84 帧分块上传，shot 工具重建为 PNG。截图期间主循环会冻结数秒，传完自动恢复。切换 LCD 页面需使用开发板实体按键（串口无翻页命令）。

项目结构

  • core/：启动后的 C 入口、中断文件、SystemInit。
  • bsp/：板级支持代码，包括延时、系统兼容头文件等。
  • middleware/alientek_lcd/：ALIENTEK TFT LCD 驱动。
  • app/：应用层模块，包含 LCD 菜单显示、USART1 协议、DAC 波形、PWM 输出、PA1 输入捕获测频、ADC 采样与电参数计算等功能。
  • rust_algos/：no_std Rust 静态库，供 C 主工程链接。
  • linker/：STM32F103RCT6 的 Flash/RAM 链接脚本。
  • startup/：启动汇编文件。
  • tools/openocd/：OpenOCD 烧录配置。
  • tools/serial_cmd/：Rust 串口命令行工具，封装二进制帧协议和 CRC 校验。
  • report/：LaTeX 课程设计报告（main.tex，xelatex/latexmk 构建），图片位于 report/figures/。

环境要求

确保以下工具可用：

  • CMake、arm-none-eabi-gcc
  • Rust Toolchain、cbindgen
  • OpenOCD、Python 3（可选）

Rust 嵌入式目标只需安装一次：

rustup target add thumbv7m-none-eabi

如果要使用串口烧录，需要安装 stm32loader：

python3 -m pip install --user pyserial stm32loader

安装 cbindgen：

cargo install --force cbindgen

构建与烧录

配置并构建 Debug 版本：

cmake --preset Debug
cmake --build --preset Debug -j4

生成的 ELF 文件位于：

build/Debug/desktop_power_monitor.elf

如需串口烧录使用的 BIN 文件，执行：

arm-none-eabi-objcopy -O binary \
  build/Debug/desktop_power_monitor.elf \
  build/Debug/desktop_power_monitor.bin

使用 ST-Link 烧录

连接 ST-Link 后执行：

openocd -f tools/openocd/stm32f103rct6.cfg \
  -c "program build/Debug/desktop_power_monitor.elf verify reset exit"

使用串口烧录

查看当前串口设备：

python3 -m serial.tools.list_ports -v

烧录命令示例：

/Users/uednd/Library/Python/3.9/bin/stm32loader \
  -p /dev/tty.usbserial-110 \
  -b 115200 \
  -f F1 \
  -e -w -v \
  -g 0x08000000 \
  build/Debug/desktop_power_monitor.bin

串口烧录前需要让芯片进入系统 Bootloader：将 BOOT0 置 1 后复位。烧录完成后，将 BOOT0 置回 0 并复位运行用户程序。

Rust/C 接口与 cbindgen

本工程使用 C + Rust 混合编写。Rust 主要用于编写算法，位于 rust_algos/，通过 staticlib 形式编译为静态库，再由 CMake 链接进 STM32 固件。

Rust 暴露给 C 调用的函数需要满足以下约定：

  • 使用 pub extern "C" fn 固定为 C ABI。
  • 使用 #[no_mangle] 保持符号名不被 Rust 编译器改写。
  • FFI 边界优先使用 u32、i32、指针等 C 侧明确可表达的类型。
  • 导出结构体或枚举需要使用 #[repr(C)] 固定内存布局。

当前 Rust 算法库导出以下接口：

函数 用途
pm_calc_electrical(v, i, ilk, count, ...) 从三通道 ADC 样点计算 Vrms/Irms/漏电流/P/S/PF

生成规则位于：

rust_algos/cbindgen.toml

正常执行 CMake 构建时，如果系统中存在 cbindgen，会自动刷新头文件：

cmake --build --preset Debug -j4

也可以手动生成：

cd rust_algos
cbindgen --config cbindgen.toml --crate rust_algos --output include/rust_algos.h

检查当前头文件是否与 Rust 源码一致：

cd rust_algos
cbindgen --config cbindgen.toml --crate rust_algos --output include/rust_algos.h --verify

新增 Rust 导出接口时，推荐流程是：

  1. 在 rust_algos/src/lib.rs 中添加 #[no_mangle] pub extern "C" fn ...。
  2. 为该函数添加 Rust 文档注释，cbindgen 会把注释同步到 C 头文件。
  3. 运行 CMake 构建或手动运行 cbindgen 生成 rust_algos.h。
  4. 在 C 代码中包含 rust_algos.h 并调用新接口。