• 平台：NXP FRDM-MCXA153（MCXA153，Cortex-M33 cm33_core0，96 MHz，裸机，无 RTOS）

• 传感器：HC-SR04 超声波测距模块（5V）

• 显示：Newhaven NHD-0116AZ-FL-YBW（16×1 字符 LCD，HD44780/ST7066 兼容，4-bit 并口）

• 交互：板载 wakeup 按键 SW3（P1_7）

• 日期：2026-10-06

• 相关文档：接线与引脚见 WIRING.md

1. 项目概述

实现"测距 → 显示 → 按键切换量程"的完整闭环：

• HC-SR04 周期性测距，距离以 0.001 cm 分辨率、3 位小数 显示；

• 单行 16 字符显示 <量程> <距离>，例如 FULL    123.456 cm；

• 按键循环切换量程：FULL(上限 400cm) → 50cm → 200cm → 回到 FULL；

• 超量程显示 OVER，无回波显示 NO ECHO；

• 串口（LPUART0，115200）输出运行日志，便于联调。

2. 系统组成

3. 引脚与接线（摘要）

完整接线、对比度网络、注意事项见 WIRING.md。

4. 软件架构

主循环时序（led_blinky.c）

1. 按键（中断锁存标志）→ 切换量程并立即刷新显示；

2. 每 60 ms 测距一次（≈16 Hz），更新内部值并打印日志；

3. 每 250 ms 刷新 LCD 一次（≈4 Hz），且仅在文本变化时真正写屏。

5. 精度提升亮点设计（重点）

5.1 硬件输入捕获取代软件轮询 —— 消除时序抖动

• ECHO 接 P1_8 = CT_INP8，经 INPUTMUX 路由到 CTIMER1 捕获通道 0；CTIMER1 自由运行于 1 µs/计数。

• 上升/下降沿由硬件锁存计数器值，脉宽 = 两次捕获之差。

• 效果：测量不再受软件轮询延迟、中断响应时间影响，边沿时刻精确到定时器计数；这是相对"GPIO 轮询计时"的核心精度提升。

5.2 温度补偿声速 —— 修正系统性误差

• 声速随温度变化：v(T) = 331.3 + 0.606·T (m/s)。

• 换算采用温度相关系数的精确整数形式：v100 = 33130 + 606·T/10，distance = echo_us · v100 / 2000（单位 0.001 cm）。

• 效果：相对固定 58 µs/cm（约 22℃）的写法，在 0–40℃ 范围内修正约 ±1.8%/10℃ 的系统误差；温度可通过 HCSR04_TEMPERATURE_C 设定。

5.3 直接毫厘米级换算 —— 减少中间舍入

• 从捕获计数直接计算 0.001 cm 单位（echo_us·v100/2000），而非先算整厘米再插值。

• 效果：1 µs 计数对应约 0.017 cm 的真实分辨率，显示的第 3 位小数有实际意义（非补零）。

5.4 自适应鲁棒估计 —— 中值 + MAD 近邻均值 + 跳变确认

• 滚动窗口长度 7：先取中值（完全压掉少量回波周期跳变），再用 MAD（中值绝对偏差）自适应确定近邻带宽 max(150, 3·MAD)（毫厘米），只对带宽内的样本求平均。

• 带宽随噪声自适应：静态时更严、噪声大时自动放宽，避免误杀真实值。

• 跳变确认（持续性门控）：输出变化 > 1.000 cm 时需连续 3 次确认才接受，偶发的错误回波不会显示；≤1 cm 的变化用指数平滑跟随。

• 无回波/无效时不入窗，保持上次有效值，显示不跳变。

5.4b 采样节奏与自干扰抑制

• 相邻触发间隔提高到 ≥ 70 ms，在传感器最小周期（≥60 ms）之上留出余量，减少上一发回波余波造成的偶发"假近距"。

5.5 无效回波与量程约束

• 剔除盲区（< 2.000 cm）与超量程（> 450.000 cm）读数；上升/下降沿均设超时（3 ms / 40 ms），异常立即返回，绝不阻塞死等。

5.6 采样节奏与抗串扰

• 相邻触发间隔 ≥ 60 ms，满足 HC-SR04 回波余波衰减要求，避免上一发脉冲造成的"假近距"。

• 测量（16 Hz）与显示（4 Hz）解耦，测量保持高频，显示按需刷新，画面稳定。

5.7b 校准（比例/偏置）

• distance = measured × SCALE/1000 + OFFSET，用已知距离标定，消除传感器固定/比例系统偏差（HCSR04_CAL_SCALE_PERMILLE、HCSR04_CAL_OFFSET_MILLI_CM）。

5.7 人机与显示鲁棒性

• 按键采用 GPIO1 下降沿中断锁存 + 15 ms 重触发消抖：测距阻塞期间按下也不丢失，轻按即响应。

• LCD 采用变化才写 + 逐字跨半区寻址（仅在列 8 处重设地址），既减少总线占用又避免拖影。

• 修正两处生成代码/配置缺陷：SysTick 装载值导致的 10 ms 快闪（改为 1 ms 基准做 1 Hz 心跳）；LPUART0 引脚未复用导致串口无输出（在 app_ext.c 显式复用 P0_2/P0_3）。

6. 关键参数

7. 验证方法

• 编译：cmake --preset debug && cmake --build --preset debug（产物 debug/test.elf）。

• 烧录后打开串口（pyserial-miniterm /dev/ttyACM0 115200），应看到：

  [boot] BOARD_InitHardware done
  [boot] APP_ExtInit done, timer=...
  [boot] LCD_Init done
  [boot] entering main loop
  distance mc=123456 mode=0
  button event: mode=1 (50cm)

• 功能核对：移动挡板时读数随之变化且保留 3 位小数；按 SW3 循环 FULL→50cm→200cm；拔掉传感器显示 NO ECHO 不卡死。

8. 精度分析与局限

• 软件能保证的：时序无软件抖动（硬件捕获）、系统误差已做温度补偿、随机噪声经切尾平均显著减小、无死等、边界安全。

• 物理上限：HC-SR04 自身精度约 ±0.3 cm，且受被测面材质/角度、温湿度、气流影响；显示 3 位小数属"分辨率"，末位仍会小幅跳动，真实精度以传感器规格为准。

• 供电与去耦、ECHO 分压质量、探头安装方向都会影响实测稳定性。

9. 后续可改进方向

10. 交付物清单

• 固件：led_blinky.c、hcsr04.c/.h、lcd1602.c/.h、app_ext.c/.h

• 构建：CMakeLists.txt、frdmmcxa153/prj.conf（driver.ctimer、driver.inputmux 等）

• 文档：WIRING.md（接线）、REPORT.md（本报告）