在嵌入式项目开发中，STM32 凭借其性能与生态成为主流选择。然而，随着功能复杂度提升、团队协作加深，一个良好、模块化的固件架构设计就变得至关重要。接下来围绕 STM32 固件设计 中的模块化结构、可维护性、高复用性等核心理念展开讨论，结合工程实践分享一些系统性设计思路。

一、为什么要重视固件架构设计？

初期的嵌入式开发项目可能只需实现单一功能，直接在 main() 中完成初始化和轮询逻辑即可。但随着项目的增长，功能越来越多，如果不做良好架构设计，容易出现以下问题：

• 不同功能之间高度耦合，改一个模块牵一发动全身；
• 代码重复率高，难以复用，移植成本高；
• 中断与主循环混杂，逻辑不清晰；
• 难以测试、难以多人协作；
• 扩展新功能困难。

因此，从项目一开始就以模块化思维构建 STM32 固件架构 是一种长远且必要的工程实践。

二、架构设计的三大目标

我们把 STM32 固件设计的三个核心目标总结为：

1.模块化（Modular）

• 每个功能（如 ADC 采集、串口通讯、按键、LCD 驱动）封装为独立模块。
• 模块之间通过标准接口（函数指针、回调、消息等）通信，彼此无感知。
• 模块只暴露头文件中的接口函数，不暴露内部实现细节。

2.可维护（Maintainable）

• 清晰的目录结构与命名规范；
• 明确注释、Doxygen 文档或 Markdown 说明；
• 支持版本管理，易于调试与更新；
• 错误处理机制完善，便于异常排查。

3.可复用（Reusable）

• 抽象硬件相关部分（如 HAL 层、板级支持包 BSP）；
• 驱动层、协议栈层设计为平台无关模块；
• 可快速用于新平台、新产品开发。

三、推荐的项目目录结构

一个良好的 STM32 工程应该具备如下分层分模块结构（以 CubeMX + HAL 工程为例）：

├── Core/
│   ├── Inc/           # 全局头文件
│   ├── Src/           # 主函数、初始化逻辑
├── Drivers/
│   ├── BSP/           # 板级支持包，屏蔽具体硬件差异（如按键、电机、屏幕）
│   ├── HAL_Driver/    # ST 提供的 HAL 库（自动生成）
├── Middlewares/
│   ├── Communication/ # Modbus、CANOpen、MQTT 等协议栈
│   ├── FileSystem/    # FATFS、LittleFS 等
├── Applications/
│   ├── UI/            # 用户界面逻辑、屏幕驱动
│   ├── Control/       # 控制逻辑，如PID、状态机等
│   ├── Sensor/        # 各类传感器模块
├── Utilities/
│   ├── RingBuffer/    # 公共工具、缓冲区、日志系统等
├── Config/
│   ├── device_config.h  # 设备配置、宏定义、结构体参数

四、模块化设计原则

1.高内聚、低耦合

每个模块应围绕一个功能展开，内部细节对外隐藏。模块之间应通过接口进行通信，避免全局变量共享导致耦合。

例如 UART 通讯模块：

// uart_comm.h
void UART_Comm_Init(void);
void UART_Comm_Send(uint8_t *data, uint16_t len);
void UART_Comm_RegisterCallback(void (*rx_cb)(uint8_t *data, uint16_t len));

2.分层架构设计

推荐按以下层次划分系统结构：

• 应用层（App）：与用户交互逻辑有关，如菜单、控制界面；
• 业务逻辑层（Service）：系统控制算法、状态机、数据采集调度；
• 驱动层（Drivers）：硬件驱动、接口层，封装对 STM32 HAL 的调用；
• 硬件抽象层（BSP）：屏蔽不同 PCB 布局和硬件变动；
• 中间件层：通信协议栈、文件系统、RTOS 等第三方库。

五、可维护性提升方法

1. 使用统一的日志/调试接口

定义统一的调试接口，如 log_info(), log_error()，便于后期重定向到串口、文件或网络：

#define log_info(fmt, ...)   printf("[INFO] " fmt "\r\n", ##__VA_ARGS__)
#define log_error(fmt, ...)  printf("[ERROR] " fmt "\r\n", ##__VA_ARGS__)

2. 配置集中管理

所有宏定义、参数配置集中存放在 config.h 或 device_config.h，避免“魔法数字”分散在代码各处。

3. 使用版本号、模块标识

为每个模块定义版本号与作者，便于协同开发与版本更新管理。

#define MODBUS_VERSION    "v1.2.3"
#define AUTHOR_NAME       "John Doe"

六、复用性设计技巧

1.平台无关接口

不要在中间件中直接调用 HAL 函数，应抽象出硬件接口。例如：

// spi_driver.h
int SPI_Write(uint8_t *data, uint16_t len);
int SPI_Read(uint8_t *data, uint16_t len);

2.使用回调与事件机制解耦

模块提供事件回调接口，由上层注册处理函数。常用于串口接收、按键按下等。

3.对驱动进行接口封装

每个模块的驱动应有统一的初始化和操作函数，不暴露内部结构体。

七、案例实践简要：三相电压监测模块

以你可能熟悉的三相电压采集为例，可拆分为如下模块：

• adc_sampler.c：ADC + DMA 配合采集；
• rms_calculator.c：采样值计算有效值；
• voltage_compensator.c：电压补偿；
• data_reporter.c：上传至上位机、Web 或存储；
• error_detector.c：欠压/过压检测与报警；
• bsp_pt.c：与电压互感器有关的接口封装。

每个模块都提供独立头文件与初始化、运行函数，便于测试和调试。

八、结语

STM32 固件架构设计远不止写完功能这么简单。只有构建出 清晰、独立、可维护、易复用 的代码体系，才能真正支撑产品演进和团队协作。模块化思想不仅提升效率，还能让代码从“能用”迈向“专业可控”。

架构不是一蹴而就的，它是经验、规范与实践的结晶。希望本文内容能为你搭建更高质量的 STM32 固件架构提供启发。