基于 树莓派4 + STM32H7 构建支持云端应用的嵌入式系统平台 【一】

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一. 想法概述

1. 想法由来

从事嵌入式软件开发多年，涉及许多不同产品需求与应用场景，其间使用了多种不同的软硬件系统与平台，系统的选型始终没法做到构建一个统一成熟的系统来覆盖所有应用，达不到这种一劳永逸的理想状态，选型策略都是围绕满足需求，考虑成本、资源限制、功能复杂度等，而且在产品中基本是生产成本是第一位要考虑的，选型没有最好，只有适合，所以也才有了ST的上百种产品协型号，满足不同的产品需求与成本限制。

随着这几年，在人工智能、云服务、大数据计算等方面的应用增长，越来越多的嵌入式产品也被纳入到这个生态圈中，作为数据采集前端，或底层执行机构，成为了整个系统框架不可或缺的部分，所谓的智能化分析、控制、决策与执行，都离不开底层嵌入式产品或模块的支持。在一些高利润、大规模的产品系统中，模块成本已不是所要考虑的最关键的因素，实现功能、运行性能、长期的可扩展性、可维护性变成了系统架构设计中首要考虑的重要因素，既要满足底层系统的强实时性、高可靠性，又要满足复杂数据分析处理的高性能要求，并能够连接到云服务平台，上传各类实时数据，为更上层的人工智能分析处理提供海量数据，并基于此数据进行数据挖掘与深度学习，进而将智能决策后的控制需求落到实处，准确可靠地及时执行，完成整个智能系统的闭环。

基于以上对未来技术的发展趋势的分析与预测，结合以前的项目经验与开发能力，在自己能够实现的范围内，构建一套能够满足上述需求的软件系统，既能保证实时性与可靠性，又具备一定的复杂数据处理能力与可扩展性，并实现与云平台的数据交互，完成数据采集处理、实时控制、以及决策执行等功能；并能够具备良好的升级控制能力，在硬件升级迭代时，软件也能够方便轻松地迁移到新平台。

2. 系统架构

考虑到目标系统既要满足强实时性，又需要较为复杂的数据处理、存储、传输等功能，较为理想的架构是双核心异构系统，即使用两个不同类型的系统进行互联后组成整个平台，MCU+RTOS 实现强实时方面的控制需求，包括外围各类外设接口等；APU+Linux 实现数据的复杂计算处理、存储、网络传输、远程诊断/维护等业务与服务。两个系统通过高速连接进行数据交互，各司其职，整体组成前端嵌入式产品或模块。

两个系统间的连接方式，取决于相互传输的数据量的大小。
对于一般产品而言，MCU会做必要的前端数据处理，仅处理结果传输到Linux平台做进一步的处理或向云端传输，两个系统间的数据传输与频率均不高，此时可选择串口作为数据传输通道。串口的优点在于处理简单高效，两个系统的串口属于板级连接，物理传输路径很短，可以轻松将传输速率拉升到1～2Mbps，且收发独立的传输方式可实现数据异步传输，满足关键数据的突发与实时传输。
如果有更高数据传输量的需求，可考虑SPI或QSPI接口，传输速率可达数十M甚至百Mbps，但要达到高传输速率的QSPI接口在Linux平台上需要进行优化设计，包括硬件与驱动两方面，设计复杂度较大。
其他接口可选择USB接口，USB HS的传输速率可480Mbps，但需要MCU上支持并实现USB HS接口。此外USB接口并不是工业接口规范，在现场使用时可能会出现掉线情况，且掉线后的自恢复能力并不十分可靠。
还可选择Ethernet接口，两个系统之间使用网络连接通信，数据传输高速可靠，且协议灵活度很高，可满足各类数据复杂传输需求。但最好是Linux平台留出一个专用的网口与MCU平台连接通信，降低系统设计的复杂性。

3. 系统选型

基于目前手上已有的硬件开发板，选择树莓派4b板和STM32H743开发板来搭建上述异构系统。

STM32H743基于Cortex M7内核，主频最高480MHz，片内1M SRAM，基本满足绝大多数的实时控制需求。
该MCU具备很多外设接口，系统中所有涉及到的外设器件，都连接到该MCU上做接口控制。
软件平台采用ThreadX平台，使用包括ThreadX、FileX+LevelX、NetX、USBX等组件，完成系统调度与通信。

树莓派4b的性能数据可网上搜索，资料很多。

两块开发板的连接方式，可采用串口、USB或以太网络，这三种方式都可实现，前期先基于串口连接进行数据互传，后续根据实据传输的数据量及实时要求，再实现网络传输和USB。

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