基于 STM32F103 的双模蓝牙遥控器设计：阈值指令与原始 ADC 混合架构实现，使用深圳大夏龙雀科技蓝牙模块DX-BT36，通信稳定性和可靠性具有充分保障。

摘要：本文介绍一款基于 STM32F103C8T6 的可编程蓝牙遥控器，创新性地采用阈值指令模式与原始 ADC 模式双模混合架构，通过 DMA 非阻塞发送、滑动平均滤波、状态机优先级仲裁等技术，解决了传统遥控器指令冲突、精度不足、串口阻塞等痛点。硬件采用 DX-BT36 主从一体蓝牙模块，支持 10 路独立按键 + 4 路摇杆 ADC。

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一、项目背景与设计目标

1.1 传统遥控器的痛点

在机器人、无人机、智能小车等场景中，蓝牙遥控器普遍存在以下问题：

痛点	具体表现	影响
指令冲突	双摇杆同时推动时，多路数据并发导致接收端解析混乱	控制失效或误动作
精度不足	摇杆仅输出高中低三档，无法精细控制速度/角度	用户体验差
串口阻塞	软件循环发送占用 CPU，高频率时影响按键响应	实时性下降
模式单一	固定协议无法适配不同场景（如小车需要档位，云台需要连续值）	兼容性差

1.2 设计目标

• 双模切换：一键切换"阈值档位模式"和"原始 ADC 模式"

• 零冲突仲裁：多路摇杆通过优先级状态机，任一时刻只发一条有效指令

• 非阻塞传输：DMA 发送释放 CPU，主循环仅做状态判断

• 可编程按键：10 路独立按键，支持自定义指令映射

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二、系统架构

2.1 硬件框图

2.2 引脚分配

功能	引脚	模式	备注
摇杆1 X	PA0	模拟输入	ADC12_IN0
摇杆1 Y	PA1	模拟输入	ADC12_IN1
摇杆2 X	PA2	模拟输入	ADC12_IN2
摇杆2 Y	PA3	模拟输入	ADC12_IN3
按键 K1~K3	PB12~PB14	上拉输入	JTAG 引脚
按键 K4~K6	PB7~PB9	上拉输入	通用 GPIO
按键 K7	PA12	上拉输入	未启用 USB
按键 K8	PA15	上拉输入	禁用JTAG后可用
模式键1	PA11	上拉输入	切换阈值模式
模式键2	PB3	上拉输入	切换原始 ADC 模式
蓝牙 TX	PA9	复用推挽	USART1_TX
蓝牙 RX	PA10	浮空输入	USART1_RX

关键设计：PA11、PA12在本项目中仅作 GPIO 使用；PA15、PB3、PB4 通过 GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable 释放 JTAG 后作为普通 IO使用。

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三、双模架构详解

3.1 模式定义

typedef enum {
    MODE_THRESHOLD = 0,  // 阈值指令模式：摇杆分三档，单字节指令
    MODE_RAW_ADC   = 1   // 原始 ADC 模式：连续值输出，固定帧格式
} RemoteMode;

3.2 阈值指令模式

适用场景：控制小车、继电器等只需档位控制的设备。

工作原理：

• 将 12 位 ADC 值（0~4095）映射为 低/中/高三档

• 通过优先级状态机，任一时刻只输出一路摇杆的指令

• 状态变化才触发发送，降低串口负载

#define VOLTAGE_LOW_THRESHOLD   1000    // < 0.8V → 低档位
#define VOLTAGE_HIGH_THRESHOLD  3100    // > 2.5V → 高档位
// 中间区域 → 中位时 不发送指令

优先级仲裁：

优先级	通道	引脚	低电平指令	高电平指令
1	右摇杆 Y	PA1	0x25	0x26
2	右摇杆 X	PA0	0x27	0x28
3	左摇杆 X	PA2	0x24	0x23
4	左摇杆 Y	PA3	0x22	0x21

仲裁逻辑：高优先级通道非中位时，屏蔽所有低优先级通道。只有当高优先级回到中位，才检查下一级。

// 状态机优先级仲裁
if(adc_states[1] != adc_prev[1]) {           // 优先级1：PA1（右Y）
    // 处理右Y状态变化
} else if(adc_states[0] != adc_prev[0] &&   // 优先级2：PA0（右X）
          adc_states[1] == VOL_MID) {       // 仅当右Y为中位时
    // 处理右X状态变化
} else if(adc_states[2] != adc_prev[2] &&   // 优先级3：PA2（左X）
          adc_states[0] == VOL_MID && 
          adc_states[1] == VOL_MID) {       // 当右X、右Y均为中位
    // 处理左X状态变化
}
// ... 以此类推

3.3 原始 ADC 模式

适用场景：控制云台、机械臂、无人机等需要精细角度/速度控制的设备。

工作原理：

• 直接输出 12 位 ADC 的滤波后原始值（0~4095）

• 固定频率发送（默认 10Hz），帧格式统一便于解析

• 四路摇杆同时输出，无优先级屏蔽

帧格式：

设计考量：

• # 作为帧头，\r\n 作为帧尾，便于接收端用中断 + 状态机解析

• 固定 4 位数字 + 固定位置字母，解析时无需分隔符搜索

• 10Hz 发送频率平衡实时性与串口带宽（每帧约 22 字节，10Hz 仅 220B/s，远低于 9600bps 的 960B/s 有效带宽）

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四、关键技术

4.1 DMA 非阻塞发送

传统 USART_SendData() 阻塞等待 TXE 标志，高频率发送时 CPU 空转严重。本设计采用 DMA1 通道 4（USART1_TX） 实现非阻塞发送：

// DMA 配置核心
DMA_InitTypeDef dma;
dma.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;  // 外设：USART1数据寄存器
dma.DMA_MemoryBaseAddr     = (uint32_t)usart_dma_buf; // 内存：发送缓冲区
dma.DMA_DIR                = DMA_DIR_PeripheralDST;   // 方向：内存→外设
dma.DMA_Mode               = DMA_Mode_Normal;          // 单次模式
DMA_Init(DMA1_Channel4, &dma);

// 使能 USART 的 DMA 发送请求
USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);

发送流程：

忙标志保护：usart_send_busy 防止帧叠加，若 DMA 正在发送则跳过本次，避免数据混乱。

4.2 滑动平均滤波

摇杆电位器存在机械抖动和电源噪声，直接采样会导致数值跳变。采用 4 点滑动平均滤波：

#define ADC_FILTER_DEPTH  4

uint16_t adc_filter_buf[4][ADC_FILTER_DEPTH] = {0};  // 4通道×4点缓存
uint8_t  adc_filter_idx = 0;

// 主循环每轮采样
for(uint8_t ch = 0; ch < 4; ch++) {
    adc_filter_buf[ch][adc_filter_idx] = Get_ADC_Single(ch);
}
adc_filter_idx = (adc_filter_idx + 1) % ADC_FILTER_DEPTH;

// 计算平均值
for(uint8_t ch = 0; ch < 4; ch++) {
    uint32_t sum = 0;
    for(uint8_t i = 0; i < ADC_FILTER_DEPTH; i++) {
        sum += adc_filter_buf[ch][i];
    }
    adc_raw[ch] = sum / ADC_FILTER_DEPTH;
}

实际效果对比：

滤波方式	噪声幅度	响应延迟	适用场景
无滤波	±50 LSB	0ms	不适用
单次采样	±30 LSB	0ms	低要求
4点滑动平均	±10 LSB	~4ms	本设计
8点滑动平均	±5 LSB	~8ms	高稳定要求
卡尔曼滤波	±3 LSB	~2ms	复杂系统

4.3 精准时钟配置

放弃默认的 SystemInit()，手动配置 RCC 确保 72MHz 精准时钟：

void SysClock_Config(void)
{
    RCC_DeInit();
    
    // 外部 8MHz HSE → PLL ×9 → 72MHz
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);
    
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);
    RCC_PLLCmd(ENABLE);
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
    
    // 总线分频：AHB=72MHz, APB1=36MHz, APB2=72MHz
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);   // APB1 ≤ 36MHz（TIM2~7, USART2~3, I2C, SPI2）
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);   // APB2 = 72MHz（ADC, USART1, TIM1, SPI1）
    
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
}

关键：APB1 分频为 2 后，挂载在 APB1 上的 TIM2~7 时钟为 72MHz（因分频系数 ≥2 时 TIM 时钟 ×2），确保 PWM/定时器精度。

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五、代码解析

5.1 主循环架构

int main(void)
{
    // 1. 初始化
    SysClock_Config();      // 必须先配时钟
    SysTick_Init();         // 1ms 时基
    NVIC_Config();          // 中断优先级分组
    
    // 2. 外设初始化
    GPIO_Buttons_Init();    // 释放 JTAG，配置按键
    USART1_Init();          // DMA 模式串口
    ADC1_Init();            // 单次采样 ADC
    
    // 3. 滤波缓存预热
    for(uint8_t ch = 0; ch < 4; ch++) {
        for(uint8_t i = 0; i < ADC_FILTER_DEPTH; i++) {
            adc_filter_buf[ch][i] = Get_ADC_Single(ch);
        }
    }
    
    // 4. 主循环
    while(1) {
        //  ADC 采样 + 滑动滤波
        //  模式判断：阈值模式 原始ADC模式
        //  按键检测
        //  轻量级延时
    }
}

5.2 模式切换机制

两个专用按键负责模式切换：

按键	引脚	功能	实现
K9	PA11	切阈值模式	current_mode = MODE_THRESHOLD
K10	PB3	切原始 ADC 模式	current_mode = MODE_RAW_ADC

切换后立即生效，无需重启。阈值模式下发送单字节指令，原始模式下发送固定帧。

5.3 按键消抖与防重复

void Check_Buttons(void)
{
    for(uint8_t i = 0; i < BUTTON_COUNT; i++) {
        uint8_t curr = GPIO_ReadInputDataBit(buttons[i].GPIOx, buttons[i].GPIO_Pin);
        
        // 下降沿检测（按下）+ 50ms 防抖
        if(curr == Bit_RESET && buttons[i].last_state == Bit_SET) {
            if((now - buttons[i].last_time) > DEBOUNCE_TIME_MS) {
                // 执行按键动作
                buttons[i].last_state = curr;
                buttons[i].last_time = now;
            }
        }
        // 上升沿检测（释放）
        else if(curr == Bit_SET && buttons[i].last_state == Bit_RESET) {
            buttons[i].last_state = curr;
        }
    }
}

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六、性能测试

测试项	参数	结果
系统时钟	72MHz HSE+PLL	实测 72.00MHz
ADC 采样率	12MHz ADCCLK，239.5 cycles	~50kHz 单通道
滤波后有效分辨率	12-bit → 等效 10-bit	±10 LSB 噪声
串口发送带宽	9600bps，10Hz 帧频	占用率 ~23%
DMA 发送耗时	22 字节 @ 9600bps	~23ms，CPU 零占用
主循环周期	含 ADC×4 + 滤波 + 按键扫描	~5ms（200Hz）
按键响应延迟	消抖 50ms + 扫描周期	< 60ms

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七、应用场景

7.1 典型应用

受控设备	推荐模式	配置
智能小车	阈值模式	右Y=前进/后退，右X=转向
二轴云台	原始 ADC 模式	两路摇杆直接映射角度
机械臂	原始 ADC 模式	四路分别控制 XYZ+夹爪
继电器模组	阈值模式	按键直接控制开关
无人机	混合模式	原始 ADC 控制姿态，按键控制模式切换

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八、开源与复刻

项目	链接
立创开源硬件	OSHWHUB - 基于 STM32 可编程多功能蓝牙遥控器
完整代码	见上文，可直接复制到 Keil、VSCode 编译
硬件 BOM	见立创工程

编译环境：Keil MDK-ARM 5.38 + STM32F10x Standard Peripheral Library v3.5.0

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九、总结

本文设计的双模蓝牙遥控器通过阈值、原始 ADC 混合架构，已经通过实际打样验证，兼顾了简单设备的兼容性和复杂设备的精细控制需求。DMA 非阻塞发送释放 CPU 资源，滑动平均滤波提升摇杆稳定性，优先级状态机彻底解决多路指令冲突。可直接移植到 STM32F103 全系或其他 Cortex-M3 平台。