嵌入式编程实践——怎么用STM32实现LLC电路控制（附代码示例）？-Toy模板网

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STM32是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一系列32位ARM Cortex-M微控制器产品线。它们广泛应用于嵌入式系统中，包括工业控制、汽车电子、智能家居、医疗设备等领域。STM32系列微控制器具有高性能、低功耗、丰富的外设接口和强大的开发生态系统等特点。LLC电路控制是一项复杂的工作，需要对STM32微控制器和电路控制有一定的了解和经验。在实际项目中，可能还需要考虑电磁兼容性（EMC）、温度管理、保护电路等方面的设计。本文将从以下起个方面进行阐述怎么用STM32实现LLC电路控制：

选择合适的STM32微控制器：首先需要选择适合的STM32系列微控制器，根据项目需求选择性能、内存、外设等方面的参数。
设计LLC电路：设计LLC电路，包括LLC谐振电路的电感、电容和电阻等元件的选择和布局。
编写控制算法：根据LLC电路的特性和控制要求，编写控制算法，通常包括PID控制器或其他控制算法。
配置STM32的定时器和PWM输出：使用STM32的定时器和PWM模块来生成控制信号，控制LLC电路中的开关器件（如MOSFET）。
配置ADC模块：如果需要采集LLC电路中的反馈信号（如电流、电压等），需要配置STM32的ADC模块进行信号采集。
实现通信接口：如果需要与外部设备或系统进行通信，可以实现UART、SPI、I2C等通信接口。
调试和优化：在实现LLC电路控制功能后，进行调试和优化，确保系统稳定运行并满足性能要求。

一、选择合适的STM32微控制器

首先需要选择适合的STM32系列微控制器，根据项目需求选择性能、内存、外设等方面的参数。

STM32系列微控制器采用ARM Cortex-M内核，提供了不同的型号和系列，以满足不同应用需求。常见的系列包括STM32F0、STM32F1、STM32F3、STM32F4、STM32F7等，每个系列又有不同的型号和配置可供选择。

STM32微控制器具有丰富的外设接口，如通用串行总线（USART）、SPI、I2C、定时器、模拟数字转换器（ADC）、通用输入输出（GPIO）等，可以满足各种外设的连接和控制需求。此外，STM32还提供了丰富的软件库和开发工具，方便开发者进行软件开发和调试。

在选择合适的STM32微控制器时，可以考虑以下几个方面：

功能需求：首先需要明确项目的功能需求，包括需要控制的外设、通信接口、处理能力等。根据需求选择具备相应功能的STM32系列。

性能要求：根据项目的性能要求，如处理速度、存储容量等，选择适合的STM32型号。STM32系列微控制器有不同的处理器核心、频率和存储容量可供选择。

电源需求：考虑项目的电源供应情况，如工作电压范围、功耗要求等。不同的STM32型号有不同的电源特性，可以根据项目需求进行选择。

开发环境：考虑项目开发环境，如开发工具、软件支持等。确保所选的STM32型号与开发环境兼容，并且有相应的软件支持和开发工具可用。

成本因素：最后还需要考虑项目的成本因素，包括微控制器本身的价格以及相关开发工具和软件的费用。选择适合项目预算的STM32型号。

二、设计LLC电路

LLC电路是一种常用的谐振电路，用于实现高效率的能量转换和电源管理。设计LLC电路，包括LLC谐振电路的电感、电容和电阻等元件的选择和布局。下面是设计LLC电路的一般步骤和注意事项：

1. 确定需求和规格：首先，你需要明确你的电路设计的输入和输出电压、电流要求，以及功率转换效率等指标。

2. 选择谐振拓扑：LLC电路有多种拓扑结构，如串联谐振、并联谐振和混合谐振等。根据你的需求选择合适的拓扑结构。

3. 选择电感元件：根据设计要求，选择合适的电感元件。电感元件的选择应考虑其额定电流、饱和电流、频率响应等参数。

4. 选择电容元件：根据设计要求，选择合适的电容元件。电容元件的选择应考虑其额定电压、ESR（等效串联电阻）、频率响应等参数。

5. 选择开关管和二极管：根据设计要求，选择合适的开关管和二极管。开关管的选择应考虑其额定电流、开关速度、导通压降等参数。

6. 布局和连接：将选定的元件进行布局，并进行合理的连接。布局时应注意元件之间的电磁干扰和热耦合等问题。

7. 参数调整和优化：根据实际情况，进行参数调整和优化，以达到设计要求。

三、编写控制算法

根据LLC电路的特性和控制要求，编写控制算法，通常包括PID控制器或其他控制算法。对于LLC（LCL）电路的控制算法，一种常见的方法是使用PID控制器。

实现LLC电路的PID控制算法

步骤如下：

1. 初始化PID参数

定义PID控制器的比例系数（Kp）、积分系数（Ki）和微分系数（Kd），并初始化误差项、累积误差项和上一次误差项。

2. 计算PID输出

根据当前输入信号和期望输出信号，计算PID输出值。PID输出值可以通过以下公式计算：
PID输出=Kp×误差+Ki×累积误差+Kd×微分误差

3. 应用PID输出

将PID输出值应用到LLC电路中，控制LLC电路的开关器件（如MOSFET）。

4. 更新误差项

更新误差项、累积误差项和微分误差项，用于下一次PID计算。

如何在STM32中实现基本的PID控制算法？

下面是一个简单的示例代码

// 定义PID参数
float Kp = 0.1;
float Ki = 0.01;
float Kd = 0.05;

// 定义PID变量
float error, last_error, sum_error;
float output;

// 初始化PID参数和变量
void initPID() {
    error = 0;
    last_error = 0;
    sum_error = 0;
}

// 计算PID输出
float calculatePID(float setpoint, float input) {
    error = setpoint - input;
    sum_error += error;
    
    // 防止积分项过大
    if (sum_error > 100) {
        sum_error = 100;
    } else if (sum_error < -100) {
        sum_error = -100;
    }
    
    float d_error = error - last_error;
    output = Kp * error + Ki * sum_error + Kd * d_error;
    
    last_error = error;
    
    return output;
}

// 主程序中的PID控制示例
int main() {
    float setpoint = 100; // 期望输出值
    float input = 0; // 当前输入值
    
    initPID();
    
    while (1) {
        // 读取输入值
        // 进行PID计算
        float pid_output = calculatePID(setpoint, input);
        
        // 应用PID输出到LLC电路中
        // 更新输入值
    }
    
    return 0;
}

请注意，以上代码仅为示例，实际应用中需要根据具体的LLC电路和控制要求进行调整和优

四、配置STM32的定时器和PWM输出

配置STM32的定时器和PWM输出是为了实现对外设的精确控制和调节。定时器可以用来生成精确的时间延迟，而PWM（脉冲宽度调制）输出则可以控制电平的高低和占空比，用于控制电机速度、LED亮度等需要模拟信号的场景。

在STM32中，定时器和PWM输出的配置通常包括以下几个步骤：

选择合适的定时器：STM32系列芯片通常有多个定时器可供选择，根据需求选择合适的定时器。
配置定时器的时钟源和预分频值：根据需要选择定时器的时钟源，并设置预分频值以确定定时器的计数频率。
配置定时器的计数模式和计数值：选择定时器的计数模式（如向上计数、向下计数、中央对齐等），并设置计数值以确定定时器的计数范围。
配置PWM输出通道：选择需要使用的PWM输出通道，并设置占空比和极性等参数。
启动定时器和PWM输出：使能定时器和PWM输出，开始生成定时和PWM信号。

如何在STM32中配置定时器和PWM输出？

以下是一个基本的示例代码：

包含必要的头文件：首先，您需要包含相应的STM32库文件和头文件。

#include "stm32f4xx.h"
#include "stm32f4xx_rcc.h"
#include "stm32f4xx_gpio.h"
#include "stm32f4xx_tim.h"

初始化定时器和PWM输出：在初始化函数中配置定时器和PWM输出。

void initPWM() {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
    
    // 使能定时器时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
    // 使能GPIO时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    // 配置GPIO为复用功能
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
    
    // 配置GPIO复用功能
    GPIO_PinAFConfig(GPIOC, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM3);
    
    // 配置定时器
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 1000; // PWM周期为1000
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct);
    
    // 配置PWM输出
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500; // 占空比为50%
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct);
    
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
    
    // 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

主函数中调用初始化函数：在主函数中调用初始化函数以配置定时器和PWM输出。

int main() {
    // 初始化定时器和PWM输出
    initPWM();
    
    while (1) {
        // 主循环
    }
    
    return 0;
}

以上代码示例演示了如何在STM32中配置定时器和PWM输出。请注意，实际应用中需要根据具体的STM32型号和需求进行调整和优化。

五、配置ADC模块

ADC模块（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）是一种用于将模拟信号转换为数字信号的电子设备。配置ADC模块的主要目的是将模拟信号转换为数字信号，以便于数字系统进行处理、存储和分析。如果需要采集LLC电路中的反馈信号（如电流、电压等），需要配置STM32的ADC模块进行信号采集。

配置ADC模块的好处有以下几点：

1. 数字化信号处理：现代电子系统通常是基于数字信号进行处理的，而大部分传感器输出的是模拟信号。通过配置ADC模块，可以将模拟信号转换为数字信号，方便后续的数字化信号处理。

2. 精确度和稳定性：ADC模块可以提供高精度的模拟信号转换，使得数字系统可以更准确地获取和处理传感器输出的数据。此外，ADC模块还可以提供稳定的转换结果，减少了模拟信号受到噪声和干扰的影响。

3. 数据存储和传输：数字信号可以更方便地进行存储和传输。通过配置ADC模块，可以将模拟信号转换为数字信号后，直接存储在内存中或者通过通信接口传输给其他设备进行进一步处理。

4. 系统集成和控制：配置ADC模块可以使得数字系统更加集成化和可控。数字系统可以通过对ADC模块的配置和控制，实现对模拟信号的采集和处理，从而满足不同应用场景的需求。

如何配置STM32的ADC模块进行信号采集？

可以按照以下步骤进行操作：

确定使用的ADC通道：首先确定需要采集的信号对应的ADC通道。STM32微控制器通常具有多个ADC通道，可以通过查阅芯片手册或者开发板资料来确定。

配置GPIO引脚：将对应的GPIO引脚配置为模拟输入模式，以连接到ADC通道。可以使用GPIO初始化函数来设置引脚的模式和配置。

配置ADC模块：使用ADC初始化函数来配置ADC模块的参数，包括采样时间、分辨率、转换模式等。可以选择单次转换模式或连续转换模式，具体根据需求而定。

配置ADC通道：使用ADC通道配置函数来选择要采集的ADC通道，并设置采样时间。可以选择单通道或多通道采集，也可以设置不同的采样时间。

启动ADC转换：使用ADC启动函数来启动ADC转换。可以选择软件触发或外部触发方式。

等待转换完成：使用ADC转换完成标志位或中断来检测ADC转换是否完成。可以使用轮询方式等待转换完成，或者使用中断方式进行异步处理。

读取转换结果：使用ADC数据寄存器来读取转换结果。根据ADC的分辨率，可以将转换结果映射到相应的电压或电流值。

处理数据：根据需要对采集到的数据进行处理，例如进行滤波、校准或其他算法处理。

配置STM32的ADC模块进行信号采集需要以下几个步骤：

初始化ADC模块：首先需要初始化ADC模块的时钟和引脚，使其能够正常工作。具体的初始化代码如下所示：

// 使能ADC时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

// 配置ADC引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; // 假设使用的是ADC1的通道0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// ADC配置
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 采集通道数量
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

// 使能ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

2.配置ADC通道：选择需要采集的通道，并进行相应的配置。例如，如果要采集的是ADC1的通道0，可以使用以下代码进行配置：

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

3.启动转换：配置好通道后，可以启动转换并等待转换完成。以下是一个简单的示例代码：

// 启动转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

// 等待转换完成
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

// 读取转换结果
uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);

六、实现通信接口

STM32是一款广泛应用于嵌入式系统开发的微控制器系列，它具有强大的处理能力和丰富的外设接口。实现通信接口是为了使STM32能够与其他设备或系统进行数据交换和通信。通信接口的实现可以使STM32与外部设备进行数据传输和控制，实现与其他设备的互联互通。常见的通信接口包括串口（USART）、SPI、I2C等。

串口是一种常用的通信接口，它可以通过串行传输方式实现与其他设备的数据交换。STM32通过实现串口接口，可以与计算机、传感器、显示器等设备进行数据传输和通信。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的串行通信接口，它可以实现STM32与外部设备之间的快速数据传输。SPI接口适用于需要高速数据传输的应用场景，如存储器、显示器、无线模块等。
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种双线制串行通信接口，它可以实现STM32与多个外部设备之间的数据传输和通信。I2C接口适用于连接多个设备的应用场景，如传感器、存储器、扩展模块等。

通过实现这些通信接口，STM32可以与各种外部设备进行数据交换和通信，实现更广泛的应用。同时，通信接口的实现也提供了更多的扩展性和灵活性，使STM32能够适应不同的应用需求。

6.1 如何实现STM32的UART通信接口？

可以按照以下步骤进行操作：

配置UART外设：首先，需要在STM32的寄存器中配置UART外设的参数，包括波特率、数据位、停止位、校验位等。可以使用STM32提供的库函数或者直接操作寄存器来完成配置。

初始化UART外设：在配置完成后，需要初始化UART外设，使其能够正常工作。可以使用库函数进行初始化，例如使用HAL库的HAL_UART_Init()函数。

发送数据：要发送数据，可以使用库函数或者直接操作寄存器来将数据写入UART的发送缓冲区。例如，使用HAL库的HAL_UART_Transmit()函数。

接收数据：要接收数据，可以使用库函数或者直接操作寄存器来读取UART的接收缓冲区中的数据。例如，使用HAL库的HAL_UART_Receive()函数。

下面是一个简单的代码示例：

#include "stm32f4xx.h"

void UART_Configuration(void)
{
    // 配置GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置UART外设
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 使能UART外设
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void UART_SendData(uint8_t data)
{
    // 等待发送缓冲区为空
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET)
        ;

    // 发送数据
    USART_SendData(USART1, data);
}

uint8_t UART_ReceiveData(void)
{
    // 等待接收缓冲区非空
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET)
        ;

    // 读取接收数据
    return USART_ReceiveData(USART1);
}

int main(void)
{
    // 初始化UART配置
    UART_Configuration();

    // 发送数据
    UART_SendData('A');

    // 接收数据
    uint8_t receivedData = UART_ReceiveData();

    while (1)
    {
        // 循环执行其他任务
    }
}

6.2 如何实现STM32的SPI通信接口？

要实现STM32的SPI通信接口，可以按照以下步骤进行操作：

配置SPI外设：首先，需要在STM32的寄存器中配置SPI外设的参数，包括通信模式、数据位长度、时钟极性和相位等。可以使用CubeMX工具来生成初始化代码，或者手动编写寄存器配置代码。

初始化GPIO引脚：SPI通信需要使用到多个GPIO引脚，包括SCK（时钟）、MISO（主设备输入从设备输出）、MOSI（主设备输出从设备输入）和NSS（片选信号）。需要将这些引脚配置为SPI功能，并设置为合适的输入/输出模式。

使能SPI外设：通过设置SPI控制寄存器中的使能位，启用SPI外设。

发送和接收数据：使用SPI数据寄存器进行数据的发送和接收。可以通过读取状态寄存器来判断是否发送和接收完成。

下面是一个简单的代码示例，演示了如何使用STM32的HAL库来实现SPI通信接口：

#include "stm32f4xx_hal.h"

SPI_HandleTypeDef hspi;

void SPI_Init(void)
{
  hspi.Instance = SPI1;
  hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
  hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi.Init.CRCPolynomial = 7;
  HAL_SPI_Init(&hspi);
}

void SPI_Transmit(uint8_t* pData, uint16_t Size)
{
  HAL_SPI_Transmit(&hspi, pData, Size, HAL_MAX_DELAY);
}

void SPI_Receive(uint8_t* pData, uint16_t Size)
{
  HAL_SPI_Receive(&hspi, pData, Size, HAL_MAX_DELAY);
}

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SPI_Init();

  uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
  uint8_t rxData[3];

  while (1)
  {
    // 发送数据
    SPI_Transmit(txData, sizeof(txData));

    // 接收数据
    SPI_Receive(rxData, sizeof(rxData));
  }
}

6.3 如何实现STM32的I2C通信接口？

要实现STM32的I2C通信接口，可以按照以下步骤进行操作：

配置I2C外设：首先，需要在STM32的寄存器中配置I2C外设的参数，包括时钟频率、地址模式、传输模式等。可以使用CubeMX工具来生成初始化代码，或者手动配置寄存器。

初始化GPIO引脚：将I2C的SCL和SDA引脚配置为I2C功能，并设置为开漏输出模式。

初始化I2C外设：使用HAL库或者LL库提供的函数，初始化I2C外设，并设置相关参数，如时钟频率、地址模式等。

发送数据：使用发送函数向目标设备发送数据。可以使用HAL库提供的函数HAL_I2C_Master_Transmit()或者LL库提供的函数LL_I2C_TransmitData8()来发送数据。

接收数据：使用接收函数从目标设备接收数据。可以使用HAL库提供的函数HAL_I2C_Master_Receive()或者LL库提供的函数LL_I2C_ReceiveData8()来接收数据。

下面是一个简单的示例代码，演示如何通过I2C向一个设备发送数据并接收返回的数据：

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define I2C_ADDRESS 0x50

I2C_HandleTypeDef hi2c;

void I2C_Init(void)
{
  hi2c.Instance = I2Cx;
  hi2c.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  
  HAL_I2C_Init(&hi2c);
}

void I2C_Write(uint8_t* data, uint16_t size)
{
  HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, I2C_ADDRESS, data, size, HAL_MAX_DELAY);
}

void I2C_Read(uint8_t* data, uint16_t size)
{
  HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c, I2C_ADDRESS, data, size, HAL_MAX_DELAY);
}

int main(void)
{
  uint8_t sendData[2] = {0x01, 0x02};
  uint8_t receiveData[2] = {0};
  
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  
  I2C_Init();
  
  while (1)
  {
    // 发送数据
    I2C_Write(sendData, sizeof(sendData));
    
    // 接收数据
    I2C_Read(receiveData, sizeof(receiveData));
    
    // 处理接收到的数据
    // ...
  }
}