单片机软件设计文档模板大全及优化指南

在单片机产品的实际开发中，编写软件设计文档需要清晰描述系统的实现逻辑和技术细节。以下是结构化文档的框架和内容示例，结合工业级开发标准，可直接用于项目交付或团队协作。

单片机软件设计文档模板
1. 文档概述
产品名称：智能温控器（示例）

硬件平台：STM32F103C8T6（Cortex-M3内核，64KB Flash, 20KB RAM）

开发环境：Keil MDK + STM32 HAL库

目标需求：

实时采集温度（DS18B20传感器，±0.5℃精度）

PID算法控制加热器（PWM输出）

通过Wi-Fi模块（ESP8266）上报数据到云平台

低功耗设计（待机电流<10μA）
2. 软件运行流程

graph TD
    A[上电初始化] --> B[硬件自检]
    B --> C{自检通过?}
    C -->|是| D[启动主任务]
    C -->|否| E[进入故障模式]
    D --> F[温度采集]
    F --> G[PID计算]
    G --> H[PWM输出控制]
    H --> I[数据上传云端]
    I --> J[低功耗休眠]
    J --> F

关键流程说明：

硬件自检：检测传感器、Wi-Fi模块、Flash存储是否就绪。

低功耗休眠：通过RTC定时唤醒（如每10秒采集一次）。

故障模式：记录错误码到EEPROM，LED闪烁告警。
3. 软件架构设计
3.1 分层架构
————————————————————————————————
层级 | 功能模块 | 实现说明
————————————————————————————————
硬件抽象层 | HAL驱动（GPIO/ADC/UART） | 基于STM32CubeMX
————————————————————————————————
外设驱动层 | DS18B20/ESP8266/PWM驱动 | 封装传感器和通信协议
————————————————————————————————
中间件层 | FreeRTOS任务管理 | 任务调度、队列通信
————————————————————————————————
应用层 | PID算法/云协议/用户逻辑 | 独立于硬件的业务代码
————————————————————————————————

3.2 数据流架构
传感器数据 → 驱动层 → 滤波处理 → 应用层 → 控制输出 → 云端
↑________反馈控制________↓

4. 软件运行模式
   ————————————————————————————————
   模式 | 触发条件 |行为描述
   ————————————————————————————————
   正常运行模式 | 上电自检通过 |周期性采集、控制、上报
   ————————————————————————————————
   低功耗模式 | 无操作超时30秒 | 关闭非必要外设，RTC唤醒
   ————————————————————————————————
   配置模式 | 长按按键3秒 | UART串口接收参数配置（波特率115200）
   ————————————————————————————————
   故障模式 | 传感器断线或通信超时 | 停止加热，红灯快闪
   ————————————————————————————————
   5. 软件模块划分
   5.1 模块清单
   ————————————————————————————————
   模块名 | 功能 | 依赖项
   ————————————————————————————————
   5.2 模块接口示例（C语言）

// 温度传感器模块头文件 (temp_sensor.h)
typedef struct {
    float current_temp;
    uint8_t sensor_status; // 0=正常, 1=故障
} TempData;

void temp_sensor_init(void);
TempData temp_sensor_read(void);

6. 输入输出数据及特点
6.1 输入数据
————————————————————————————————
数据源 | 数据类型 | 更新频率 特点
————————————————————————————————
6.2 输出数据
————————————————————————————————
目标 | 数据类型 | 协议 实时性要求
————————————————————————————————
7. 关键设计细节

1. 实时性保障

温度采集任务设为FreeRTOS最高优先级（优先级5）。

PWM控制中断使用硬件定时器（TIM2），避开RTOS调度延迟。

2. 低功耗实现

void enter_sleep(void) {
    HAL_UART_DeInit(&huart1);  // 关闭串口
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭LED
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
}

3. 故障恢复策略

传感器断线时自动重试3次，仍失败则切换至备份传感器（如有）。

看门狗（IWDG）超时时间设为1秒，覆盖主循环卡死场景。
8. 测试用例（示例）
————————————————————————————————
测试项 输入条件 预期输出
————————————————————————————————
文档交付物

1. 软件设计文档（本文档）

2. 源码目录结构说明：

/Drivers      # STM32 HAL驱动
/Middlewares  # FreeRTOS
/App
  ├── pid     # PID算法库
  ├── wifi    # MQTT协议栈
  └── main.c  # 任务调度入口

3. 通信协议附录：MQTT Topic定义、数据格式示例。
   注意事项
   版本控制：使用Git管理代码，文档中标明版本号（如V1.0.0）。

可维护性：模块间通过接口解耦，避免全局变量直接访问。

安全规范：敏感操作（如PID参数修改）需增加权限校验。

作者：weixin_50882165