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一、项目概述

1.1 项目目标

本项目旨在开发一个基于STM32U545微控制器的智能电梯控制系统，使用Rust语言和Embassy异步框架实现。系统具备以下核心功能：

• 多楼层电梯运动控制（支持6层楼）
• 步进电机精确位置控制（TMC5160驱动）
• 绝对位置编码器反馈（ADMT4000磁编码器）
• 人机交互界面（键盘输入、OLED显示、LED指示、蜂鸣器反馈）
• 自动校准与对齐功能
• 状态机驱动的电梯逻辑控制

1.2 技术特点

• 嵌入式Rust开发：使用#![no_std]裸机环境，保证内存安全和高性能
• 异步并发架构：基于Embassy框架实现多任务并发执行
• 状态机设计：使用smlang库实现电梯主控状态机
• 实时通信：通过Signal和Watch机制实现任务间高效通信
• 参数持久化：校准数据存储在Flash中，断电不丢失

二、系统架构

2.1 硬件平台

• 主控芯片：STM32U545RE（ARM Cortex-M33）
• 步进电机驱动：TMC5160（SPI接口，256微步）
• 位置传感器：ADMT4000磁编码器（SPI接口，绝对位置）
• 人机接口：
• • I2C键盘（VK36N16I，地址0x65）
  • I2C OLED显示屏（SSD1306，128x64，地址0x3C）
  • WS2812 LED灯带（30颗灯珠）
  • PWM蜂鸣器
• 调试接口：USART1串口CLI

2.1.1 电源框图

2.1.2 信号连接

2.1.3 硬件总览

2.1.4 PCB设计

背面补充了蜂鸣器的保护二极管（正面封装不好焊）；如红圈所示，ws2812信号脚使用电阻上拉至5v，如紫圈所示

2.1.5 组装整体图

2.2 软件架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Embassy Executor                     │
│                   (异步任务调度器)                       │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
                           │
        ┌──────────────────┼──────────────────┐
        │                  │                  │
┌───────▼────────┐  ┌──────▼──────┐  ┌────────▼────────┐
│  输入任务层     │  │  控制任务层  │  │   输出任务层     │
├────────────────┤  ├─────────────┤  ├─────────────────┤
│ task_input     │  │task_main    │  │ task_oled       │
│ task_cli       │  │task_actuator│  │ task_led        │
│                │  │             │  │ task_buzzer     │
└────────────────┘  └─────────────┘  └─────────────────┘
        │                   │                 │
        └───────────────────┼─────────────────┘
                            │
                ┌───────────▼───────────┐
                │   全局通信层 (global)  │
                │  Signal / Watch       │
                └───────────────────────┘

2.3 核心模块

驱动层（driver/）

• tmc5160.rs：步进电机驱动器控制
• admt4000.rs：磁编码器读取
• keyboard.rs：I2C键盘扫描

任务层（task/）

• status.rs：主状态机（电梯逻辑控制）
• actuator.rs：执行器任务（电机+编码器协同）
• input.rs：键盘输入处理
• oled.rs：OLED显示更新
• led.rs：WS2812 LED控制
• buzzer.rs：蜂鸣器音效
• cli.rs：串口调试命令行

配置层

• config.rs：系统参数配置
• global.rs：全局通信信号定义

三、关键技术实现

3.1 状态机设计

电梯主控状态机包含7个状态：

UnInit    → 未初始化（启动状态）
Correct   → 校准模式（手动标定各楼层位置）
Align     → 对齐模式（自动寻找初始楼层）
Idle      → 空闲状态（等待指令）
Open      → 开门状态（5秒自动关门）
MoveUp    → 上行运动
MoveDown  → 下行运动

状态转换逻辑：

• 启动时根据Flash中是否有校准数据决定进入Correct或Align状态
• Correct状态下，用户按数字键选择楼层，按确认键标定当前位置
• Idle状态下，按数字键设置目标楼层，自动判断上行/下行
• Open状态下，5秒倒计时自动关门，可按关门键提前关闭
• 运动中可继续输入目标楼层，系统会自动排队处理

校准状态（白色为当前楼层，其余楼层为未校准）：

1楼已校准：

上电后的自动找平状态：

到达楼层为绿色（开门状态），待去楼层是蓝绿色：

关门空闲状态：

运动状态：

3.2 电机控制算法

TMC5160配置：

• 微步分辨率：256微步/步
• 每圈步数：51200微步（200步 × 256微分）
• 最大速度：51200 微步/秒
• 加速度：12800 微步/秒²
• 启动速度：10 微步/秒

位置控制流程：

1. 读取ADMT4000编码器当前角度
2. 根据校准数据计算目标位置（微步数）
3. 发送位置指令到TMC5160
4. 轮询vactual寄存器判断是否到达
5. 到达后读取编码器验证位置精度

3.3 校准数据管理

数据结构：

struct CorrectData([isize; 6]);  // 存储6个楼层的编码器读数

存储位置：Flash偏移地址0x00040000（256KB处）

校准流程：

1. 用户手动移动电梯到第1层，按"1"+"确认"标定
2. 依次标定2-6层
3. 全部标定完成后，数据写入Flash，进入idle状态

位置计算公式：

position = (encoder - encoder[0]) * 50
// 编码器分辨率：1024计数/圈
// 转换系数：1024/200/256 ≈ 1/50

3.4 任务间通信机制

使用Embassy的Signal和Watch实现：

Signal（单次触发）：

INPUT_SIGNAL: Signal<InputEvent>           // 键盘事件
ACTUATOR_CMD: Signal<ActuatorInstruction>  // 执行器指令
ACTUATOR_RESPONSE: Signal<MainEvents>      // 执行器响应

Watch（状态广播）：

CURRENT: Watch<usize>      // 当前楼层（0-5）
TARGET: Watch<usize>       // 目标楼层掩码（bit0-5）
STATUS: Watch<MainStates>  // 电梯状态

多个任务可同时监听Watch变化，实现状态同步更新。

3.5 WS2812 LED驱动

编码原理：

• 使用PWM的DMA波形输出模拟WS2812时序
• 逻辑1：高电平0.8μs，低电平0.45μs
• 逻辑0：高电平0.4μs，低电平0.85μs
• PWM频率：800kHz（周期1.25μs）

显示逻辑：

• 校准模式：红色/蓝色
• 对齐模式：橙色
• 当前楼层：白色
• 目标楼层：蓝绿色
• 开门状态：绿色

3.6 OLED显示设计

布局：

┌──────────────────────────┐
│  ┌────┐                  │
│  │ 3  │    状态图标       │  ← 左侧：七段数码管显示当前楼层
│  └────┘                  │  ← 右侧：状态图标（箭头/圆圈等）
└──────────────────────────┘

状态图标：

• Idle：左右箭头向内（▶◀）
• Open：左右箭头向外（◀▶）
• MoveUp：向上箭头（▲）
• MoveDown：向下箭头（▼）
• Correct：未校准○、已校准✓
• Align：横线—

四、代码流程分析

4.1 主程序启动流程

main() {
    1. 初始化STM32外设（80MHz时钟）
    2. 创建I2C总线（共享给键盘和OLED）
    3. 创建SPI总线（共享给TMC5160和ADMT4000）
    4. 启动7个异步任务：
       - task_cli：串口调试
       - task_buzzer：蜂鸣器控制
       - task_led：LED灯带
       - task_input：键盘扫描
       - task_oled：OLED刷新
       - task_actuator：电机控制
       - task_main：主状态机
    5. 进入Embassy调度器循环
}

4.2 键盘输入处理流程

task_input() {
    loop {
        1. 扫描I2C键盘（50ms周期）
        2. 检测按键按下事件（防抖处理）
        3. 将按键码转换为InputEvent枚举
        4. 通过INPUT_SIGNAL发送给主状态机
        5. 触发蜂鸣器按键音效
    }
}

4.3 主状态机运行流程

task_main() {
    loop {
        1. 等待三种事件之一：
           - ACTUATOR_RESPONSE（电机完成动作）
           - INPUT_SIGNAL（用户按键）
           - Timer（1秒定时器，用于开门倒计时）

        2. 将事件转换为MainEvents

        3. 调用状态机处理：fsm.process_event(event)

        4. 处理副作用事件（effect）

        5. 广播当前状态到STATUS
    }
}

关键状态转换示例：

// 空闲状态下按数字键
Idle + Number(floor) / idle_input {
    if floor > current {
        effect = InnerMoveUp(floor)  // 触发上行
    } else if floor < current {
        effect = InnerMoveDown(floor)  // 触发下行
    }
}

// 上行到达目标楼层
MoveUp + Arrive = Open {
    timeout_seconds = AUTO_CLOSE_SECONDS  // 开始5秒倒计时
}

4.4 执行器任务流程

task_actuator() {
    1. 初始化TMC5160和ADMT4000
    2. 从Flash读取校准数据
    3. 判断是否需要校准（NeedCorrect/NeedAlign）

    loop {
        match ACTUATOR_CMD.wait() {
            Correct => {
                // 校准模式
                loop {
                    读取编码器 → 更新CURRENT
                    等待用户标定各楼层
                    全部完成后写入Flash
                }
            }
            MoveTo(floor) => {
                // 运动控制
                读取当前编码器位置
                校正TMC5160内部位置
                计算目标位置
                发送运动指令
                等待到达（轮询vactual寄存器）
                验证位置精度
                发送Arrive响应
            }
        }
    }
}

4.5 显示更新流程

task_oled() {
    loop {
        1. 清空显示缓冲区
        2. 获取当前状态（current, target, status）
        3. 绘制七段数码管（当前楼层）
        4. 绘制状态图标
        5. 刷新到OLED硬件
        6. 等待任一状态变化（select3）
    }
}

task_led() {
    loop {
        1. 根据状态更新LED颜色数组
        2. 转换为WS2812波形数据
        3. 通过PWM DMA发送
        4. 等待状态变化
    }
}

五、关键代码片段

5.1 TMC5160初始化

async fn init(&mut self) {
    // CHOPCONF: spreadCycle模式
    self.write_register(0x6c, 0x000100C3).await;

    // IHOLD_IRUN: 保持电流3, 运行电流10
    let i = 6 << 16 + 10 << 8 + 3;
    self.write_register(0x10, i).await;

    // 使能StealthChop静音模式
    self.write_register(0x00, 0x00000004).await;

    // 运动参数配置
    self.write_register(0x23, 10).await;           // vstart
    self.write_register(0x26, TMC5160_MAX_MSPS / 4).await; // amax
    self.write_register(0x27, TMC5160_MAX_MSPS).await;     // vmax
    self.write_register(0x28, TMC5160_MAX_MSPS / 4).await; // dmax
}

5.2 ADMT4000 CRC校验

fn calc_crc(input: u32) -> u8 {
    let mut shft = [1u8, 1, 1, 1, 1];

    for i in (5..=30).rev() {
        let data_bit = ((input >> i) & 1) as u8;
        let xor_0 = data_bit ^ shft[4];

        shft[4] = shft[3];
        shft[3] = shft[2];
        shft[2] = shft[1] ^ xor_0;
        shft[1] = shft[0];
        shft[0] = xor_0;
    }

    let mut crc5 = 0u8;
    for i in 0..5 {
        crc5 |= shft[i] << i;
    }
    crc5
}

5.3 状态机定义（smlang宏）

smlang::statemachine! {
    transitions: {
        *UnInit + NeedCorrect = Correct,
        UnInit + NeedAlign = Align,

        Correct + Number(usize) / correct_select = Correct,
        Correct + KeyConfirm / correct_active = Correct,
        Correct + CorrectFinish / correct_clear = Idle,

        Idle + Number(usize) / idle_input = Idle,
        Idle + InnerMoveUp(usize) / move_up = MoveUp,
        Idle + InnerMoveDown(usize) / move_down = MoveDown,

        Open + Second / open_on_second = Open,
        Open + InnerTimeOut = Idle,

        MoveUp + Arrive = Open,
        MoveDown + Arrive = Open,
    }
}

六、系统特性

6.1 安全性设计

• 位置验证：每次运动后读取编码器验证实际位置
• CRC校验：ADMT4000通信使用CRC5校验
• 边界保护：校准数据检查编码器读数合法性
• Flash保护：写入前擦除，确保数据完整性

6.2 用户体验优化

• 音效反馈：按键、到达、错误三种音效
• 视觉反馈：OLED实时显示状态，LED指示目标楼层
• 自动关门：开门5秒后自动关闭
• 运动中输入：运行时可继续输入目标楼层

6.3 调试功能

• 串口CLI：支持手动设置current/target/status
• defmt日志：通过SWD输出详细调试信息
• 状态查询：实时查看状态机状态和事件

七、性能指标

八、项目依赖

核心依赖

• embassy-executor：异步任务执行器
• embassy-stm32：STM32 HAL库
• embassy-sync：同步原语（Signal/Watch）
• embassy-time：时间管理

外设驱动

• ssd1306：OLED显示驱动
• embedded-graphics：图形绘制库
• eg-seven-segment：七段数码管

工具库

• smlang：状态机宏
• embedded-cli：命令行解析
• defmt：格式化日志
• static_cell：静态内存分配

九、总结

本项目成功实现了一个功能完整的嵌入式电梯控制系统，展示了Rust在嵌入式领域的强大能力：

技术亮点：

1. 使用异步编程模型简化多任务并发
2. 状态机驱动的清晰控制逻辑
3. 类型安全的硬件抽象层
4. 零成本抽象的高性能实现

实用价值：

• 可作为电梯控制系统的原型验证
• 演示了步进电机闭环控制方案
• 提供了完整的人机交互参考设计

改进方向：

• 增加故障检测与恢复机制
• 实现多电梯调度算法
• 添加网络通信功能（如Modbus/CAN）
• 优化运动曲线（S型加减速）

项目信息：

• 开发语言：Rust (edition 2024)
• 目标平台：STM32U545RE
• 开发框架：Embassy
• 代码规模：约2000行