扩展：片内决策树与 AI 训练数据

第 1 节 · 一串加速度，怎样变成一个判断？

在前篇实验中，手腕动一下，ax、ay、az 都会变化。现在想知道“人正在走路吗”。只看某一时刻的一个数很难回答：静放时可能出现这个值，走路的某一瞬间也可能出现。可以先连续观察一小段，再描述这段数据的变化。

先用四个数，做一个最简单的判断

假设从加速度 X 轴依次取得下面两段数据，单位为 g。对每段各算一次“最大值减最小值”：

现在规定一个条件：变化范围大于 1 g，就归到“变化较大”；否则归到“变化较小”。第一段走向“较小”，第二段走向“较大”。这样，原先四个数就变成了一个判断结果。

刚才一起参与计算的四个数，组成一个数据窗口；算出的变化范围，叫一个特征；用来比较的 1 g，叫阈值。这些名称分别对应刚才做的三个具体动作：取一段、算一个描述、与一个界限比较。

如果一次比较还不能分清动作，就在某个分支继续比较别的特征。把这些条件和分支连接起来，末端给出类别，就形成一棵决策树。（上面的四个数和 1 g 只演示判断方法，不是 ST 参考树的实际条件，也不能据此识别走路或跑步。）

条件由谁确定，判断又由谁执行？

我们可以人为规定条件，也可以给电脑许多已经注明“这段在走路、那段在跑步”的数据，让训练工具寻找能区分它们的特征、阈值和分支。这个寻找过程叫训练；训练完成后保存下来的判断规则，就是这里说的模型。

LSM6DSOX 内部有一块专门执行这类判断的硬件，叫 MLC（Machine Learning Core，机器学习核心）。把训练好的规则写进去，它就能用后来测到的新加速度执行判断，这个过程叫推理。本篇先使用 ST 已经训练好的腕戴活动参考树，自己训练的步骤留到 AI 支线。

第 2 节 · 电脑训练好的树，怎样放进传感器？

前面用 C 的 if 就能表达一次判断。MLC 执行判断时，需要把“算什么特征、与什么值比较、沿哪个分支继续”存进芯片规定的位置。训练工具会把这些规则转换成一份配置写入清单，每项说明一个寄存器地址和要写进去的字节。

STM32 的工作就接回了已经学过的 IIC：按顺序把清单写入 LSM6DSOX。写完后，传感器根据新测量的数据分类；STM32 再通过 IIC 读取分类编号。整件事分布在电脑、STM32、传感器三个地方：

先认清这棵参考树需要什么

这次部署的是 ST 的腕戴活动识别示例。它使用三轴加速度，量程为 ±8 g。树内部每秒处理 26 份数据，累积 52 份形成一个窗口，即 52 ÷ 26＝2 秒。因此它判断的是一段时间内的活动。

当前项目仍以 104 Hz 保存原始六轴数据，MLC 在芯片内部按 26 Hz 处理加速度。这两条通路可以同时工作：FIFO 供 STM32 取得原始记录，MLC 另外产生类别。MLC 的 26 Hz 不要求把前篇的原始采集改成 26 Hz。

类别用一个字节传回。仓库头文件给这些编号取了下面的名字，稍后的程序直接使用它们：

这棵树只给出粗类别。比如读到 1，还需要结合人工记录，才能知道人是在静放、骑行，还是做了其他动作。

第 3 节 · 先让程序读到一次分类

沿用前篇已经能与 LSM6DSOX 通信的裸机实验工程。这次先单独观察分类值，完成后再接回连续采集。HAL、系统时钟、GPIO 和 I2C1 的初始化仍使用实验工程已有的设置；本次轮询实验无需启用 PB4 外部中断。

① 找到配置和两个现有函数

仓库已经把加载和读取写进驱动。使用下面三个文件即可：LSM6DSOX.c 参加编译，LSM6DSOX.h 提供函数声明和分类名字，mlc/lsm6dsox_wrist_mlc.h 保存完整配置数组。保留模型头文件的 mlc 子目录，驱动已经包含它。

• LSM6DSOX_MLC_Init()：没有参数，向已经初始化的传感器加载这棵树。返回 0 表示成功，返回 1 表示失败。
• LSM6DSOX_MLC_GetResult()：没有参数，读取最近的分类，返回前表中的 1、4、8 或 255。

两个函数各做一件事：前者启动时调用一次，后者在运行中反复读取。下面先用它们接通实验，第 4、5 节再分别拆开它们内部的 IIC 操作。

② 先初始化传感器，再加载树

在 main.c 顶部包含头文件，用 activity 保存最新类别。volatile 让编译器保留对这个变量的更新，方便在调试器中观察；MLC_UNKNOWN 的值为 255，表示开始时还没有分类：

main.c 顶部 · 用户头文件区与全局变量区

#include "LSM6DSOX.h"
#include "i2c.h"

volatile uint8_t activity = MLC_UNKNOWN;

在 main() 中，等生成的 MX_I2C1_Init() 已执行，再写下面几行。前篇的 LSM6DSOX_Init(&hi2c1) 完成身份检查和基本配置，返回 0 才继续加载树。用两个变量保留结果，便于知道失败发生在哪一步：

main() 的 USER CODE BEGIN 2 区域 · 启动采集之前

uint8_t init_status = LSM6DSOX_Init(&hi2c1);
uint8_t load_status = 1;
if (init_status == 0) {
    load_status = LSM6DSOX_MLC_Init();
}

先观察这两个变量：都为 0，才表示基本初始化和加载都成功。若 init_status 非 0，加载函数根本没有执行，load_status 保留初值 1。加载期间会暂停测量并清空 FIFO，所以把它安排在开始连续采集之前。

③ 每隔一会儿读取，观察变量变化

用下面的 while (1) 替换独立实验原有的主循环，本次暂不运行原 FIFO 读取循环。前面的初始化代码仍留在循环外。成功后才调用读取函数，将返回的类别赋给 activity；HAL_Delay(2000) 让主循环等待约 2000 毫秒，也就是两秒。等待发生在主循环中。

分类独立实验的主循环 · 只观察 activity

while (1) {
    if (init_status == 0 && load_status == 0) {
        activity = LSM6DSOX_MLC_GetResult();
    }
    HAL_Delay(2000);
}

初始化返回的 0 是“操作成功”，读取返回的 4 是“判断为步行”，它们回答的是不同问题。activity 始终为 255 时，先确认两个初始化结果，再检查通信、等待分类。

④ 戴在手腕上，依次静放、步行、跑步

1. 在调试器的变量观察窗口加入 activity，让程序继续运行。可以使用支持运行中读取的观察方式，避免反复暂停 MCU。
2. 每种动作保持约十秒或更久，记录观察到的编号和动作切换时刻。步行尝试观察 4，跑步尝试观察 8；静放可能归入 1。
3. 刚上电可能先读到 255。动作切换后也可能暂时保留旧类别：特征窗口需要收满数据，参考树还会综合连续几次判断，因此“两秒一读”不等于“两秒必定切换”。

这些是待检查的现象，佩戴位置和动作差异都可能影响结果。先确认能读到有效编号，再记录哪些情况判错。

第 4 节 · 拆开读取函数：为什么先选一组寄存器？

已经读到类别后，再看它来自哪里。参考树把分类放在一个叫 MLC0_SRC 的寄存器里，地址为 0x70。但只知道地址还不够：LSM6DSOX 有多组寄存器，读写前要选中对应的一组。

前篇访问原始测量和 FIFO 时，使用的是普通寄存器组（user bank）。MLC 的结果在嵌入功能寄存器组（embedded bank）。英文 bank 在这里就是“一组寄存器”；相同数字的地址，在不同组里可能代表不同内容。

负责选组的是 FUNC_CFG_ACCESS（0x01）。本次向它写 0x80，选择嵌入功能组；写 0x00，回到普通组。因此一次结果读取要按下面的顺序做：

把三个动作和已学过的读写函数对上

回忆前篇：reg_write(reg, value) 往寄存器写一个字节；reg_read(reg, &result) 从寄存器读一个字节，存进 result。它们是 LSM6DSOX.c 内部的函数。先只看通信都成功时的操作：

读取函数内部的成功路径示意 · 在 LSM6DSOX.c 中对照阅读

uint8_t result = 0;
reg_write(0x01, 0x80);       /* 选中嵌入功能组 */
reg_read(0x70, &result);     /* 取得分类编号 */
reg_write(0x01, 0x00);       /* 恢复普通组 */

第三行执行后，result 里就是芯片给出的原始编号。最后一行同样必需：下一次读 FIFO 时，程序要重新按普通组解释寄存器地址。选组和恢复应由同一个读取过程完成。

实际的 LSM6DSOX_MLC_GetResult() 还会检查每次读写是否成功，并核对编号。模型未加载、读到刚启动时的 0、读到未定义类别或通信失败，都返回 MLC_UNKNOWN。上面四行只帮助看清动作，应用仍调用已经处理这些情况的现有函数。

回到项目源码时，可以在 LSM6DSOX.c 搜索这个函数，从这三次操作向外读它的判断分支。FIFO 读取和分类读取应依次执行，避免一处还在嵌入功能组中，另一处就开始访问普通组。

第 5 节 · 拆开加载函数：一张表，怎样成为整棵树？

再回头看启动时调用的 LSM6DSOX_MLC_Init()。第 2 节提到的配置清单，在仓库里已经转换成 C 数组，保存在模型头文件中。它的开头是这样的：

lsm6dsox_wrist_mlc 数组开头节选 · 每行是 {寄存器地址, 写入值}

static const uint8_t lsm6dsox_wrist_mlc[][2] = {
    {0x10, 0x00},
    {0x11, 0x00},
    {0x01, 0x80},
    /* 后面继续保存完整配置。 */
};

[][2] 表示每行有两个字节。第一行要求向 0x10 写 0x00，先停止加速度测量；第二行停止陀螺仪；第三行选择嵌入功能寄存器组。这些都还是之前学过的寄存器写入。后面的各项继续写入特征、树的判断条件和运行设置，最后启用分类。

第 i 行的 lsm6dsox_wrist_mlc[i][0] 是地址，lsm6dsox_wrist_mlc[i][1] 是写入值。加载函数按顺序取出这两个字节，再完成相应的 IIC 写入。完整表共有 461 项，具体数值由工具根据模型生成。这里只展示开头帮助认识格式，实验使用仓库的完整数组。

把整个加载过程分成三段来看

1. 准备：确认基本初始化已成功，暂停测量并清空旧 FIFO 数据，准备写入。
2. 装入：按清单顺序写入模型的全部设置，再开启 MLC。
3. 恢复原始采集：把项目原有的加速度、陀螺仪恢复为 104 Hz，重新开启 FIFO 连续模式。MLC 仍按模型要求以 26 Hz 工作。

参考配置还包含“分类变化时从 INT1 通知”的设置。项目的 INT1 已经用来通知 FIFO 水位，所以当前加载函数关闭参考树的这条通知，改由 STM32 主动读分类。这样，PB4 收到的仍是前篇讲过的 FIFO 通知。

第 6 节 · 这份分类，怎样帮助整理 AI 训练数据？

现在已有两份可以读取的东西：FIFO 中的连续六轴数据，以及 MLC 给出的粗类别。假设准备采集一段步行数据，用它训练 STM32 上的活动识别模型。训练工具需要知道输入数据中人实际做了什么，这个动作说明就叫标签。

最直接的做法是事先记录：第 10 秒开始走路，第 30 秒停下。这样，连续数据中对应的一段就有了人工动作记录。MLC 则可以在旁边再提供一列“它判断成什么”，帮助检查这段数据：

上表是记录方法示例，数值不是本机实测。MLC 的一个计算窗口长 2 秒，还可能等待连续几次判断；某次读取的时间，不能直接当作动作开始或结束的时间。

用它做三件具体的事

1. 快速找到待查看的片段。长记录里出现连续的 WALKING，可以从相应时间段开始检查，再由人工确认能否标成步行。
2. 优先检查意见不同的片段。人明明在走，MLC 却报跑步，这段值得保留并复核；它能帮助发现参考树容易混淆的动作，也能提醒下一次补采。
3. 给后来训练的模型做比较。拿一份单独保留的测试记录，以人工确认的动作作依据，分别检查参考树和新模型的走、跑判断。这样才能知道新模型在哪些地方变好了。

人工标签和机器预测分别保存。若人记录的是骑行，MLC 给出 OTHER，就继续保留“骑行”这个具体标签。若人工尚未确认，只能先保留机器提供的候选判断。

把实验接回项目

仓库的 main.c 在启动时加载树，在运行中每隔约两秒读取一次，将类别保存在 g_mlc_activity。原始 IMU 和 PPG 的批量读取继续按前篇流程执行。等学到 RTOS 后，再回看 Sensor_Task 如何安排这些调用。

当前代码尚未把 g_mlc_activity 连同原始数据导出为训练记录。要做采集工具，可以在原有数据旁增加“读取时间、MLC 结果、人工动作”三项，并保留动作变化的时间说明。当前接口提供类别，没有提供判断正确的概率。

练习：按“静放 → 步行 → 停下 → 跑步”的顺序做一次实验，分别记下动作切换时刻和读取的编号。找一个输出较晚或判断不同的片段，用 2 秒窗口和实际动作记录解释它。随后到 AI 数据与训练支线继续学习怎样整理数据、训练和评估；项目的 proto 后训练则更新 STM32 上的类别原型，具体方法在那里展开。

手册、模型与项目源码

• ST LSM6DSOX DS12814 Rev.4：§2.4 介绍 MLC；FUNC_CFG_ACCESS、PAGE_VALUE、MLC0_SRC 对应本篇的选组、配置写入与结果读取。
• ST AN5259：特征、决策树、窗口与输入处理率。
• 固定版本的官方腕戴参考树；官方训练教程。
• 项目模型说明包含来源、完整配置的许可和适配条件；LSM6DSOX.c包含现有加载与读取函数。