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一、软件设计详细方案

1. 系统概述

• 产品目标
  实现转子动平衡的快速测量与分析，支持单/双平面平衡，测量精度≤0.1g·mm。
• 运行环境
  • 硬件平台：STM32MP157D（Cortex-A7 + M4双核）
  • 操作系统：Linux（A核） + FreeRTOS（M核）
  • 屏幕规格：10.1寸电容触控屏（1280×800）
• 功能清单

  - 实时振动信号采集（采样率≥10kHz）
  - 1/2平面动平衡计算（ISO 1940标准）
  - 测量模板管理（.tpl格式加密存储）
  - 数据报表生成（PDF/Excel）
  - 多语言支持（中/英）
  

2. 系统架构设计

分层架构图

应用层
├─ UI交互模块（Qt Quick）
├─ 文件管理系统
└─ 报表生成器
↓
服务层
├─ 动平衡算法引擎
├─ 实时数据管道
└─ 硬件抽象层（HAL）
↓
系统层
├─ Linux（A核：UI/文件/网络）
└─ FreeRTOS（M核：ADC/DMA/实时控制）

3. 关键模块设计

3.1 实时数据采集模块

• 输入接口

  // M4核驱动接口（STM32 HAL）
  void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {if (hadc->Instance == ADC1) {double val = HAL_ADC_GetValue(hadc) * 3.3 / 4096;DataPipe_push(val); // 写入共享内存}
  }
  

• 性能指标

  参数	指标
  采样率	10kHz（±5%误差）
  信号带宽	0.1Hz~2kHz
  ADC精度	12bit（0.1% FSR）

3.2 动平衡算法模块

• 算法流程
• 核心公式
  $$U=\frac{A\cdot e}{m\cdot r\cdot {\omega }^2}$$
  （A: 振幅，e: 偏心距，m: 质量，r: 半径，ω: 角速度）

3.3 模板文件系统

• 文件结构

  #pragma pack(1)
  typedef struct {char header[4];      // 魔数"BTPL"uint16_t version;    // 模板版本号float rpm;           // 额定转速uint8_t sensor_calib[32]; // 传感器校准参数uint8_t aes_iv[16];   // AES加密IV向量uint8_t data[128];    // 加密后的参数数据uint32_t crc32;       // 校验码
  } BalanceTemplate;
  

4. 接口定义

4.1 硬件抽象层接口（HAL）

class HALInterface {
public:// 振动传感器接口virtual QVector<double> readVibrationData(int channel) = 0;// 转速脉冲输入virtual uint32_t getRpm() = 0;// 调试接口virtual void debugLedToggle() = 0;
};

4.2 跨核通信协议

// A7核与M4核共享内存结构体
typedef struct {volatile uint32_t adc_data[1024]; // ADC环形缓冲区volatile uint8_t adc_ready;      // 数据就绪标志pthread_mutex_t lock;            // 互斥锁
} SharedMemory;

5. 数据结构设计

5.1 实时数据管道

class DataPipeline {
private:QVector<QVector<double>> buffer;QReadWriteLock lock;
public:void write(const QVector<double>& data) {QWriteLocker locker(&lock);buffer.enqueue(data);if(buffer.size()>100) buffer.dequeue();}QVector<double> read() {QReadLocker locker(&lock);return buffer.isEmpty() ? QVector<double>() : buffer.dequeue();}
};

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二、公司要求的软件设计文档清单

1. 需求文档

文档名称	内容要点	参考标准
《软件需求规格书(SRS)》	功能需求/性能指标/安全要求	IEEE 830-1998
《用户需求说明书(URS)》	用户操作场景/人机交互要求	GAMP5

2. 设计文档

文档名称	内容要点	模板参考
《软件架构设计说明书(SAD)》	系统分层/模块划分/接口定义	ISO/IEC 42010
《详细设计说明书(DDD)》	类图/流程图/状态机设计	UML 2.5
《数据库设计说明书》	模板文件结构/SQLite表定义	-

3. 验证文档

文档名称	内容要点	工具支持
《单元测试计划》	测试用例/覆盖率统计	Google Test
《集成测试报告》	跨模块交互测试结果	TestLink
《EMC测试报告》	电磁兼容性测试数据	IEC 61326-1

4. 管理文档

文档名称	内容要点	推荐工具
《项目开发计划》	甘特图/里程碑节点	Microsoft Project
《风险管理计划》	FMEA分析表/应对措施	FMEA Pro
《配置管理计划》	Git分支策略/版本号规则	GitLab

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三、关键文档示例

1. 软件架构设计说明书(SAD)目录示例

1. 引言1.1 文档目的1.2 适用范围
2. 系统概述2.1 产品功能2.2 运行环境
3. 架构设计3.1 总体架构图3.2 模块分解- 数据采集模块- 算法处理模块- 用户界面模块
4. 接口定义4.1 硬件接口（SPI/I2C）4.2 软件接口（API列表）
5. 设计约束5.1 实时性要求5.2 安全规范
6. 附录6.1 缩略语表6.2 参考文档

2. 详细设计说明书(DDD)类图示例

@startuml
class BalanceAlgorithm {+void setRpm(double rpm)+double calculateUnbalance()-QVector<double> fft(QVector<double> input)
}class DataCollector {+QVector<double> readSensorData()-HALInterface *hal
}class MainWindow {+void onTemplateLoaded(QString path)-BalanceAlgorithm *algorithm
}DataCollector --> BalanceAlgorithm : provides data
MainWindow --> BalanceAlgorithm : calls
@enduml

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四、文档管理建议

1. 版本控制

   • 使用Git管理文档（推荐工具：Git + Markdown）
   • 版本号遵循语义化规则：v<主版本>.<次版本>.<修订号>
     （例：v2.1.3表示第2大版本第1次迭代第3次修正）

2. 文档自动化

   • 代码注释生成文档（Doxygen配置示例）：

     INPUT                  = ./src
     OUTPUT_DIRECTORY       = ./docs
     GENERATE_LATEX         = NO
     GENERATE_HTML          = YES
     

3. 协同评审

   • 使用在线文档工具（如Confluence）进行评审标注
   • 关键设计需进行DR（Design Review）会议并签署《设计评审记录表》

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五、工业标准参考

1. 功能安全
   • 符合IEC 61508 SIL2等级要求（关键算法需双核校验）
2. 电磁兼容
   • 满足IEC 61326-1（工业环境EMC测试标准）
3. 人机交互
   • 遵循IEC 62366-1可用性工程要求

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