跳转至

说明

概述

架构1使用环形缓冲区实现 Producer-Consumer 模式，用于实时传感器数据采集和处理。该架构针对中等采样频率（0.1 - 1000 Hz，推荐：100 Hz - 1 kHz）设计，提供简单、易于理解的实现模式。

架构原理

Producer-Consumer 模式

该架构使用经典的 Producer-Consumer 模式，包含以下组件：

  • Producer 任务（高优先级）：以固定间隔读取传感器数据并写入环形缓冲区
  • Consumer 任务（中等优先级）：定期从环形缓冲区读取并处理数据
  • 环形缓冲区：基于 PSRAM 的缓冲区，允许在满时覆盖旧数据（FIFO 覆盖）
  • 互斥锁同步：保护 Producer 和 Consumer 任务之间的缓冲区访问

关键设计决策

  1. 环形缓冲区而非队列：使用环形缓冲区以提高内存效率和更简单的实现
  2. FIFO 覆盖：当缓冲区满时，覆盖最旧的数据（Producer 不跟踪数据丢失，但 Consumer 可以检测覆盖）
  3. 周期性 Consumer 处理：Consumer 每 50ms 处理一次缓冲区，读取最多 10 个最新样本
  4. 任务通知：ESP 定时器回调通过 xTaskNotify 通知 Producer 任务，避免阻塞定时器回调

实现细节

基于定时器的采样

  • ESP 定时器：创建周期定时器，周期 = 1,000,000 / sampling_frequency_hz 微秒
  • 定时器回调：在定时器上下文中执行，通过 xTaskNotify 通知 Producer 任务
  • 立即首次采样：在启动周期定时器之前执行一次采样

Producer 任务

优先级：10（高优先级，用于及时采集）

功能：

  1. 通过 xTaskNotifyWait 等待定时器通知
  2. 读取传感器数据（加速度和温度）
  3. 准备带时间戳的样本结构
  4. 在互斥锁保护下写入环形缓冲区
  5. 更新采集统计

缓冲区写入逻辑：

  • 以 10ms 超时获取互斥锁
  • 写入当前写指针位置
  • 推进写指针（环形）
  • 如果缓冲区满（写指针追上读指针），推进读指针（FIFO 覆盖）
  • 更新覆盖计数用于监控

Consumer 任务

优先级：8（中等优先级，低于 Producer 以确保采集优先级）

功能：

  1. 等待处理间隔（50ms）
  2. 获取互斥锁以读取缓冲区快照
  3. 从读指针读取最多 10 个最新样本
  4. 推进读指针
  5. 处理样本（特征提取、检测等）
  6. 更新处理统计
  7. 输出结果（串口、MQTT、LCD）

处理逻辑：

  • 计算可用样本（读指针和写指针之间的距离）
  • 读取最多 CONSUMER_PROCESS_SAMPLE_COUNT（10）个样本
  • 处理环形缓冲区环绕
  • 如果样本不足，用零填充

环形缓冲区

大小：512 样本（可通过 CIRCULAR_BUFFER_SIZE 配置）

内存：从 PSRAM 分配以支持大缓冲区

同步：互斥锁保护的访问

行为：

  • 满时 FIFO 覆盖
  • 读指针随 Consumer 读取而推进
  • 写指针随 Producer 写入而推进
  • 跟踪覆盖计数用于监控

环形缓冲区动画

图：环形缓冲区操作示意图，显示 Producer 写入和 Consumer 读取，以及 FIFO 覆盖行为

加速度检测

启用后，Consumer 任务对处理的样本执行加速度检测：

条件：

  • |x| > 0.5g OR |y| > 0.5g OR |z| < 0.5g

LCD 反馈：

  • 满足条件时显示红色
  • 否则显示白色
  • 颜色保持：0.3 秒
  • 最小更新间隔：100ms（避免 SPI 总线冲突）

数据流

ESP 定时器 → 定时器回调 → xTaskNotify → Producer 任务
                                              ↓
                                    读取传感器（SPI）
                                              ↓
                                    环形缓冲区（互斥锁）
                                              ↓
                                    Consumer 任务（50ms 间隔）
                                              ↓
                                    处理样本
                                              ↓
                          ┌───────────────────┴───────────────────┐
                          ↓                   ↓                    ↓
                       串口                MQTT                  LCD

配置

默认配置

#define RT_PC_QUEUE_SIZE_DEFAULT 50
#define RT_PC_PRODUCER_PRIORITY 10
#define RT_PC_CONSUMER_PRIORITY 8
#define RT_PC_PRODUCER_STACK_SIZE 4096
#define RT_PC_CONSUMER_STACK_SIZE 8192
#define CIRCULAR_BUFFER_SIZE 512
#define CONSUMER_PROCESS_INTERVAL_MS 50
#define CONSUMER_PROCESS_SAMPLE_COUNT 10

配置参数

  • 采样频率：0.1 - 1000 Hz（初始化时验证）
  • 队列大小：用于配置结构兼容性（环形缓冲区模式下不使用）
  • 环形缓冲区大小：512 样本（编译时固定）
  • Consumer 处理间隔：50ms（编译时固定）
  • Consumer 处理样本数：10 样本（编译时固定）

功能特性

优势

  • 实现简单：易于理解的 Producer-Consumer 模式
  • 采集与处理解耦：Producer 和 Consumer 独立运行
  • 内存高效：具有覆盖能力的环形缓冲区
  • 低开销：最小同步开销
  • 适用于中等频率：针对 100 Hz - 1 kHz 范围优化

限制

  • 缓冲区可能成为瓶颈：如果 Consumer 无法跟上，数据可能被覆盖
  • 固定处理间隔：Consumer 以固定 50ms 间隔处理
  • 仅限于最新样本：每个周期仅处理最后 10 个样本
  • 无 DMA 支持：使用标准 SPI 传输（CPU 绑定）

性能特征

适用频率范围

  • 有效范围：0.1 - 1000 Hz（初始化时验证）
  • 推荐：100 Hz - 1 kHz
  • 最大：最高 1 kHz（验证限制）
  • 最小：0.1 Hz（实际限制）

资源使用

  • 内存：环形缓冲区（512 样本 × 32 字节 = 16 KB，来自 PSRAM）
  • CPU：中等使用（Producer 和 Consumer 任务）
  • 同步：单个互斥锁用于缓冲区访问

使用注意事项

  1. 初始化顺序：必须在 arch_pc_set_sensor_handle() 之前调用 arch_pc_init()
  2. 传感器句柄：启动前必须设置
  3. 缓冲区监控：监控统计中的 overwrite_count 以检测 Consumer 是否落后
  4. 处理延迟：Consumer 每 50ms 处理一次，因此处理延迟最多为 50ms
  5. 样本计数：Consumer 每个周期处理最多 10 个样本以实现实时响应

错误处理

  • 互斥锁超时：如果无法在 10ms 内获取互斥锁，Producer 丢弃样本
  • 缓冲区未初始化：如果缓冲区未就绪，丢弃样本
  • 传感器读取失败：记录日志但不停止处理
  • 任务创建失败：返回错误，清理资源

线程安全

  • 互斥锁保护：所有缓冲区访问由互斥锁保护
  • 任务隔离：Producer 和 Consumer 任务正确隔离
  • 统计：在互斥锁保护的部分内原子更新