问题：newlib-nano 砍掉了 %f

STM32 工程为了减小固件体积，通常使用 newlib-nano 运行时库。newlib-nano 默认不支持 printf 的 %f 格式符——调用 rt_snprintf(buf, sz, "%.3f", value) 会输出空字符串或者直接崩溃。

但 PipeMonitor 需要在 LCD 和 JSON 里显示浮点数：流量 12.345 L/min、压力 0.520 MPa、温度 23.1 ℃。

方案：定点格式化

思路很简单：把浮点数拆成整数部分和小数部分，分别用 %lu 和 %0*lu 输出。

static void app_format_fixed(char *buffer, rt_size_t size,
                             float value, rt_uint8_t decimals)
{
    long scale = 1;
    for (rt_uint8_t i = 0; i < decimals; i++)
        scale *= 10;

    /* 放大、四舍五入 */
    long scaled = (long)(value * (float)scale +
                   ((value >= 0.0f) ? 0.5f : -0.5f));

    unsigned long magnitude = (scaled < 0) ? (unsigned long)(-scaled)
                                           : (unsigned long)scaled;
    unsigned long integer_part = magnitude / (unsigned long)scale;
    unsigned long fraction_part = magnitude % (unsigned long)scale;

    if (decimals == 0)
        rt_snprintf(buffer, size, "%s%lu",
                    (scaled < 0) ? "-" : "", integer_part);
    else
        rt_snprintf(buffer, size, "%s%lu.%0*lu",
                    (scaled < 0) ? "-" : "", integer_part,
                    decimals, fraction_part);
}

调用示例：

app_format_fixed(buf, sz, 12.345f, 3);  /* → "12.345" */
app_format_fixed(buf, sz, 0.520f, 3);   /* → "0.520" */
app_format_fixed(buf, sz, 23.1f, 1);    /* → "23.1" */
app_format_fixed(buf, sz, -5.67f, 2);   /* → "-5.67" */

四舍五入的细节

直接截断会丢失精度：12.3456 * 1000 = 12345.6，截断得 12345，显示 12.345，少了 0.0006。

加 0.5 再截断就是四舍五入：

long scaled = (long)(value * (float)scale + 0.5f);

但要注意负数：-5.678 * 1000 + 0.5 = -5677.5，截断得 -5677，不对。所以负数要减 0.5：

long scaled = (long)(value * (float)scale +
               ((value >= 0.0f) ? 0.5f : -0.5f));

JSON 编码器里的变体

上行 JSON 编码器需要处理”无效值输出 null”的情况，所以封装了带 valid 参数的版本：

static int fmt_fixed3(char *buf, int buf_sz, rt_uint8_t valid, float value)
{
    if (!valid)
        return rt_snprintf(buf, buf_sz, "null");

    value += 0.0005f;  /* 四舍五入 */
    long whole = (long)value;
    long frac = (long)((value - (float)whole) * 1000.0f);

    return rt_snprintf(buf, buf_sz, "%ld.%03ld", whole, frac);
}

PT100 的特殊处理

PT100 原始值是 *10 ℃ 的有符号整数（如 231 表示 23.1℃），不需要浮点运算：

static int fmt_pt100(char *buf, int buf_sz, int16_t raw)
{
    if (raw == INT16_MIN)
        return rt_snprintf(buf, buf_sz, "null");

    int whole = raw / 10;
    int frac = raw % 10;
    return rt_snprintf(buf, buf_sz, "%s%d.%d",
                       (raw < 0) ? "-" : "", whole, frac);
}

直接用整数除法和取模，比浮点转换更快更小。

LCD 显示的对齐问题

LCD 上显示的数据行需要对齐：

FLOW      : 12.345 L/min
TOTAL     : 1234.500 L
VELOCITY  : 0.850 m/s
PXW_PRES  : 0.520 MPa

如果用 %f，不同值的小数位数可能不同（12.345 vs 0.85），导致列不对齐。

定点格式化可以精确控制小数位数：%.3f 对应 decimals=3，保证所有值都是 3 位小数，自然对齐。

单位换算的精度

流量计返回 m³/h，业务层需要 L/min：

handle->flow_lpm = instant_flow_m3h * (1000.0f / 60.0f);

这个乘法因子 16.666... 是无理数，浮点精度有限。但对工业监测来说，0.001 的精度损失完全可以接受。

压力的原始值是 kPa * 1000，显示时除以 1000 得到 MPa：

float pres_mpa = m->pressure / 1000.0f;

这些换算都在采集时一次性完成，显示和上行层直接用换算后的值。

性能对比

方法代码体积执行时间
rt_snprintf("%.3f")~2KB（如果启用）~50μs
app_format_fixed~200B~10μs
fmt_pt100（纯整数）~50B~2μs

在 2 秒采样周期里，这点时间差异可以忽略。但在高频场景（比如 10ms 刷新率）下，定点格式化的优势会很明显。

浮点数的 IEEE754 解析

流量计返回的 REAL4 是 IEEE754 32 位浮点，两个 16 位寄存器拼起来就是浮点的位模式：

static float Flowmeter_RegsToFloat(uint16_t reg0, uint16_t reg1)
{
    float value;
    uint32_t raw = Flowmeter_CombineU32(reg0, reg1);
    memcpy(&value, &raw, sizeof(value));  /* 位模式转换 */
    return value;
}

这里用 memcpy 而不是强制类型转换，因为 C 标准不允许直接把 uint32_t 转成 float（虽然大多数编译器支持，但 UB 还是能避则避）。

小结

嵌入式浮点处理的核心原则：

  • 避免 %f：newlib-nano 不支持，体积也大
  • 定点格式化：用整数运算拆分整数和小数部分
  • 精确控制小数位：保证 LCD 对齐和 JSON 一致性
  • 无效值用 null：JSON 里无效通道输出 null 而不是 0.000

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