/* * 模块名称：ADC 输入层（L1 采集与预处理） * 模块功能：语义通道映射（L1-4）+ STM32 ADC1 采样消费（L1-3，TIM3 TRGO 触发 + * DMA 双缓冲）+ TPAFE 快照消费。 * 消费侧经 adc_input_raw() 按语义取数，不写死下标。 * 适用平台：STM32F407ZGTx + TPAFE5160 * 作者：王建锋 * 创建日期：2026-10-10 * 修改记录： * v1.0 2026-10-10 王建锋 创建：L1-3（STM32 ADC1 扫描）+ L1-4（语义映射） * v2.0 2026-10-10 王建锋 STM32 侧由"软件触发 + 逐通道轮询"改为 * "TIM3 TRGO 硬件触发 + DMA 双缓冲消费"：本层不再触发 * 也不等待转换（消除最坏 2~3 ms 忙等）；新增三个 HAL * 回调（ISR 内只计数）与 seq / hw_errs 观测量 * v2.1 2026-10-21 王建锋 丢帧计数口径由「次数」改为「帧点数」（累加每次前进 * 的超出部分），与判定层 TPAFE 侧 * adc_health_tpafe_gaps() 同单位。⚠ 换版前固件里心跳 * 字段 adc1_gap 是次数口径，不可跨版本直接对比 */ #include "adc_input.h" #include #include "adc.h" /* hadc1：MX_ADC1_Init() 已配 9 通道 / 144 cycles / 软件触发 */ #include "tpafe5160.h" /* tpafe5160_snapshot()：临界区原子快照（AGENTS 铁律） */ /* STM32 ADC1 通道号上限（F4 上 ADC_CHANNEL_0..15 的宏值即通道号 0..15） */ #define ADC_INPUT_STM32_CH_MAX 16U /* DMA 搬运缓冲长度 = 2 x 9 = 18：**双缓冲（乒乓）**。 * ADC1 配 ExternalTrigConv=TIM3_TRGO + DMAContinuousRequests=ENABLE + DMA CIRCULAR， * 每拍（TIM3 TRGO，1 kHz）自动搬 9 个 → 每 2 拍绕一圈：半传输中断 = 前半 9 个就绪， * 传输完成中断 = 后半 9 个就绪。消费侧永远读"刚完成的那一半"，而 DMA 正在写另一半 * → 无撕裂、无需临界区。代价：STM32 侧数据固定滞后 1 拍（1 ms），9 路同一延迟， * 对 20 点 DFT 窗是纯传输延迟、不引入通道间偏差。 */ #define ADC_INPUT_STM32_DMA_LEN (2U * ADC_INPUT_STM32_CH_NUM) /* 连续"无新帧"达到该拍数才计一次停摆故障（单拍是相位伪影，见 stm32_take 注释） */ #define ADC_INPUT_STALL_RUN_MAX 2U /* ===== 语义映射表（L1-4）===== * 权威口径：docs/硬件平台/ADC通道映射说明.md（2026-10-09 硬件确认的语义分配）。 * index 含义：TPAFE 源 = 驱动 buf 下标 0..7；STM32 源 = ADC1 通道号 0..15。 * ⚠ 消费侧一律经本表按语义取数，**不得写死下标**（V0.1 有 13/17 路被置换， * 网名编号与通道号不等价）；V0.2 改版（消除双转换器无共同采样触发）只改本表内容。 */ static const adc_channel_desc_t k_adc_map[ADC_SEM_COUNT] = { [ADC_SEM_UA] = { ADC_SRC_TPAFE, 6U }, /* TPAFE buf[6]（ch7） */ [ADC_SEM_UB] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_14 }, /* PC4 */ [ADC_SEM_UC] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_3 }, /* PA3 */ [ADC_SEM_UN] = { ADC_SRC_TPAFE, 5U }, /* TPAFE buf[5]（ch6） */ [ADC_SEM_IA] = { ADC_SRC_TPAFE, 2U }, /* TPAFE buf[2]（ch3） */ [ADC_SEM_IB] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_6 }, /* PA6 */ [ADC_SEM_IC] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_1 }, /* PA1 */ [ADC_SEM_IN] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_2 }, /* PA2 */ [ADC_SEM_TEMP] = { ADC_SRC_STM32, (uint8_t)ADC_CHANNEL_5 }, /* PA5（V_ZL2） */ }; /* STM32 ADC1 顺序扫描顺序（Rank 1..9），须与 MX_ADC1_Init() 的 Rank 配置严格一致： * Rank1..8 = CH0..CH7（PA0..PA7），Rank9 = CH14（PC4）。 */ static const uint8_t k_stm32_rank_ch[ADC_INPUT_STM32_CH_NUM] = { (uint8_t)ADC_CHANNEL_0, (uint8_t)ADC_CHANNEL_1, (uint8_t)ADC_CHANNEL_2, (uint8_t)ADC_CHANNEL_3, (uint8_t)ADC_CHANNEL_4, (uint8_t)ADC_CHANNEL_5, (uint8_t)ADC_CHANNEL_6, (uint8_t)ADC_CHANNEL_7, (uint8_t)ADC_CHANNEL_14, }; /* STM32 ADC1 最新一帧原始码值，按 ADC1 通道号索引（0..15） */ static uint16_t s_stm32_raw[ADC_INPUT_STM32_CH_MAX]; /* DMA 目的缓冲（乒乓两半区，按 Rank 序 0..8 / 9..17）。 * ⚠ **必须落在 SRAM（0x20000000 段）**：ADC1 挂的是 **DMA2**，而 F4 的 DMA2 不可达 * CCM（0x10000000）。实测 .map 里本文件 .bss 在 RW_IRAM1 → 普通 static 即可； * 日后加大缓冲或改链接段时**必须用 .map 复核地址**——放错不报编译错、不报运行错， * 只是数据永远搬不回来。 */ static uint16_t s_stm32_dma[ADC_INPUT_STM32_DMA_LEN]; static volatile uint32_t s_dma_seq; /* DMA 半帧/整帧完成次数（ISR 递增，只增不清） */ static uint32_t s_dma_seq_seen; /* 消费侧上次看到的完成计数 */ static volatile uint32_t s_stm32_hw_errs; /* HAL ADC/DMA 错误回调累计（ISR 写） */ static uint32_t s_stm32_gaps; /* 丢帧点数：Σ(前进量-1)，与 tgap 同单位 */ static uint8_t s_stall_run; /* 连续"无新帧"拍数（相位伪影只会是 1 拍）*/ /* TPAFE5160 最新一帧原始码值（16 位二进制补码），按驱动 buf 下标索引 */ static int16_t s_tpafe_raw[ADC_INPUT_TPAFE_CH_NUM]; static uint8_t s_tpafe_valid; /* TPAFE 侧是否已有有效帧 */ static uint8_t s_stm32_valid; /* STM32 侧是否已有有效扫描 */ static int s_stm32_rc; /* STM32 最近一次扫描状态码 */ static uint32_t s_stm32_errs; /* STM32 扫描累计失败次数 */ /* * 函数功能：消费一帧 STM32 ADC1 采样（L1-3，DMA 双缓冲） * 入口参数：无 * 返 回 值：0 - 取到新一帧；-2 - 本拍无新帧（TIM3 未启动 / ADC 停摆 / DMA 出错） * 限定条件：仅任务上下文调用；adc_input_init() 已挂好 DMA * 函数说明：本函数**既不触发转换也不等待转换**——转换由 TIM3 TRGO 硬件触发、由 DMA * 自动搬运。每拍只做"看完成计数是否前进 + 拷 9 个半字"，故**零忙等**： * 单拍只剩"读一个计数 + 拷 9 个半字"→ µs 量级。 * 读的是"上一拍刚完成的那一半"乒乓缓冲（DMA 此刻正在写另一半）→ 无撕裂。 * ⚠ 计数未前进 = 本拍 STM32 侧**无有效数据**，必须清 s_stm32_valid，绝不 * 沿用上一拍旧值（半新半旧的混合帧会污染相量窗）→ adc_input_raw() * 返 -2 → adc_task 走既有"整帧跳过"路径；下一拍自动恢复。 */ static int stm32_take(void) { uint32_t seq = s_dma_seq; /* 单次 32 位读：与 ISR 自增不产生撕裂 */ const uint16_t *src; uint32_t d; uint8_t half; uint8_t i; if (seq == s_dma_seq_seen) { s_stm32_valid = 0u; s_stm32_rc = ADC_INPUT_RC_STALL; /* 单拍"无新帧"**多半是消费者相位伪影，不是故障**：本层在 TIM3 触发瞬间被唤醒， * 而该拍的 DMA 完成落在 ~67 us 之后；若上一拍被日志/抢占拖过这 67 us，本拍就会 * 看到"计数没前进"（那个完成已被上一拍消费掉）。这种伪影**只会连续 1 拍**—— * DMA 若真停，第 2 拍仍不会前进。故只有连续 >= ADC_INPUT_STALL_RUN_MAX 拍 * 无新帧才计入故障计数（实测开机日志突发期约 21~26 次伪影、稳态每 10 s 心跳 1 次， * 全部为单拍；见 docs/子系统设计/ADC采样节拍设计说明.md §8） */ if (s_stall_run < 255u) { s_stall_run++; } if (s_stall_run >= ADC_INPUT_STALL_RUN_MAX) { s_stm32_errs++; } return ADC_INPUT_RC_STALL; } d = seq - s_dma_seq_seen; if (d > 1u) { /* 计数一次前进 >1 = 中间有帧没被读走（乒乓缓冲已被覆盖）→ **真丢帧**， * 与"无新帧"分开计数：前者是消费者超拍（本任务单拍耗时 > 1 ms）， * 后者多半是相位伪影。按**丢掉的帧数**累计（d-1），与判定层 TPAFE 侧的 * adc_health_tpafe_gaps() 同单位——否则心跳里 adc1_gap 与 tgap 一个是次 * 一个是点，跨字段对比会得出错误结论 */ s_stm32_gaps += (d - 1u); } s_stall_run = 0u; s_dma_seq_seen = seq; /* 半区下标由 seq 奇偶推出，**不再另读 ISR 变量**：DMA 从 NDTR=18 起、每拍搬 9 个， * 故第 1/3/5... 次完成的是前半区（下标 0）、第 2/4/6... 次是后半区（下标 1）。 * 只读 seq 一个量 → 消费侧与 ISR 之间不存在"读到一半被换半区"的窗口。 */ half = (uint8_t)(1u - (seq & 1u)); src = &s_stm32_dma[((uint32_t)half * ADC_INPUT_STM32_CH_NUM)]; for (i = 0u; i < ADC_INPUT_STM32_CH_NUM; i++) { s_stm32_raw[k_stm32_rank_ch[i]] = src[i]; } s_stm32_valid = 1u; s_stm32_rc = ADC_INPUT_RC_OK; return ADC_INPUT_RC_OK; } /* * 函数功能：语义映射表自洽性自检 * 入口参数：无 * 返 回 值：0 - 自洽；-1 - 存在不自洽条目 * 限定条件：无 * 函数说明：逐条校验映射表与扫描配置是否一致——① TPAFE 源下标须落在 * buf[0..7]；② STM32 源的通道号必须出现在 k_stm32_rank_ch[] 中， * 否则该通道永远不会被扫描（读到的恒为陈旧值）。这是"通道宏写错 → * 读到另一只脚/读不到"这一警告的代码级兜底（警告口径与逐通道验证方法： * docs/硬件平台/ADC通道映射说明.md §5、§8；台架无信号源时注入验证做不了）。 */ static int map_check(void) { uint8_t s; int rc = 0; for (s = 0u; s < (uint8_t)ADC_SEM_COUNT; s++) { if (k_adc_map[s].source == ADC_SRC_TPAFE) { if (k_adc_map[s].index >= ADC_INPUT_TPAFE_CH_NUM) { rc = -1; } } else { uint8_t i; uint8_t found = 0u; for (i = 0u; i < ADC_INPUT_STM32_CH_NUM; i++) { if (k_stm32_rank_ch[i] == k_adc_map[s].index) { found = 1u; } } if (found == 0u) { rc = -1; } } } return rc; } /* * 函数功能：ADC 输入层初始化 * 入口参数：无 * 返 回 值：0 - 成功；-1 - 语义映射表自检失败；-2 - DMA 挂载失败 * 限定条件：内核启动前调用（无 RTOS 依赖）；STM32 ADC1 外设已由 MX_ADC1_Init 配好 * 函数说明：清空原始码值缓冲与统计 + 映射表自洽性自检 + **挂载一次 ADC1 DMA** * （此后转换由 TIM3 TRGO 硬件触发、DMA 自动搬运，本层不再触发转换）。 * 须在启动采样节拍（app_main.c 步骤 6）之前调用。 */ int adc_input_init(void) { uint8_t i; for (i = 0u; i < ADC_INPUT_STM32_CH_MAX; i++) { s_stm32_raw[i] = 0u; } for (i = 0u; i < ADC_INPUT_STM32_DMA_LEN; i++) { s_stm32_dma[i] = 0u; } for (i = 0u; i < ADC_INPUT_TPAFE_CH_NUM; i++) { s_tpafe_raw[i] = 0; } s_tpafe_valid = 0u; s_stm32_valid = 0u; s_stm32_rc = ADC_INPUT_RC_NOT_RUN; s_stm32_errs = 0u; s_dma_seq = 0u; s_dma_seq_seen = 0u; s_stm32_hw_errs = 0u; s_stm32_gaps = 0u; s_stall_run = 0u; if (map_check() != 0) { return -1; } /* 挂**一次** DMA，之后不再重启：ADC 由 TIM3 TRGO 每拍触发一轮 9 通道转换， * DMA 在 CIRCULAR 模式下自动搬运、硬件自动重载 NDTR → 每 2 拍绕一圈（乒乓）。 * 内核启动前调用安全：只碰寄存器/HAL，不创建任何 CMSIS 对象（AGENTS 铁律）。 * 此刻 TIM3 尚未启动（app_main.c 步骤 6）→ 不会发生任何转换或搬运。 */ if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)s_stm32_dma, ADC_INPUT_STM32_DMA_LEN) != HAL_OK) { s_stm32_rc = ADC_INPUT_RC_START; s_stm32_errs++; return -2; } return 0; } /* * 函数功能：采集一拍（TPAFE 原子快照 + 消费一帧 STM32 ADC1 DMA 采样） * 入口参数：无 * 返 回 值：TPAFE 快照结果（1=有新帧 0=无新帧 -1=参数错） * 限定条件：仅**任务上下文**调用（TPAFE 快照走临界区） * 函数说明：先取 TPAFE 一帧，再消费 STM32 侧最近一帧 DMA 双缓冲；两者相互独立， * STM32 侧无新帧不影响 TPAFE 快照与返回值语义（其状态另由 * adc_input_stm32_rc() / adc_input_stm32_seq() 暴露）。 * ⚠ STM32 侧数据比 TPAFE 侧**滞后 1 拍**（乒乓双缓冲的固有延迟， * 9 路一致）；因双转换器无共同采样触发，V0.1 本就禁止跨转换器做矢量运算。 */ int adc_input_poll(void) { int r = tpafe5160_snapshot(s_tpafe_raw, (uint8_t)ADC_INPUT_TPAFE_CH_NUM); if (r == 1) { s_tpafe_valid = 1u; } (void)stm32_take(); return r; } /* * 函数功能：取语义通道的物理描述 * 入口参数：ch - 语义通道 * 返 回 值：指向静态描述表的指针；ch 越界返回 NULL * 限定条件：无 * 函数说明：返回的是静态存储地址，调用方不得修改。 */ const adc_channel_desc_t *adc_input_desc(adc_semantic_t ch) { if ((unsigned int)ch >= (unsigned int)ADC_SEM_COUNT) { return NULL; } return &k_adc_map[ch]; } /* * 函数功能：读取语义通道的原始码值（未标定） * 入口参数：ch - 语义通道 * out - 输出原始码值（TPAFE 侧为 16 位补码；STM32 侧为 0..4095） * 返 回 值：0 - 成功；-1 - 参数错；-2 - 该来源当前无有效数据 * 限定条件：无 * 函数说明：消费侧取数的唯一入口（按语义，不写死下标）。 */ int adc_input_raw(adc_semantic_t ch, int32_t *out) { if ((out == NULL) || ((unsigned int)ch >= (unsigned int)ADC_SEM_COUNT)) { return -1; } if (k_adc_map[ch].source == ADC_SRC_TPAFE) { if (s_tpafe_valid == 0u) { return -2; } *out = (int32_t)s_tpafe_raw[k_adc_map[ch].index]; } else { if (s_stm32_valid == 0u) { return -2; } *out = (int32_t)s_stm32_raw[k_adc_map[ch].index]; } return 0; } /* * 函数功能：读取 STM32 ADC1 最近一次扫描状态码 * 入口参数：无 * 返 回 值：ADC_INPUT_RC_xxx * 限定条件：无 * 函数说明：供心跳日志 / 自检观测 STM32 侧健康度。 */ int adc_input_stm32_rc(void) { return s_stm32_rc; } /* * 函数功能：读取 STM32 ADC1 停摆故障累计次数 * 入口参数：无 * 返 回 值：DMA 挂载失败次数 + "连续 >=2 拍无新帧"的次数 * 限定条件：无 * 函数说明：单调递增，供心跳日志观测。单拍无新帧（相位伪影）**不计入**， * 丢帧由 adc_input_stm32_gaps() 单独计数。 */ uint32_t adc_input_stm32_errs(void) { return s_stm32_errs; } /* * 函数功能：读取 STM32 ADC1 累计丢帧点数 * 入口参数：无 * 返 回 值：Σ(完成计数每次前进的超出部分)，即被乒乓缓冲覆盖掉、没被消费的帧数 * 限定条件：无 * 函数说明：这是"消费者超拍"的直接证据（本任务单拍耗时 > 1 ms，如心跳日志突发期）； * 与 adc_input_stm32_errs()（节拍源停摆）是两类不同的故障，**勿混读**。 * 单位与判定层 TPAFE 侧 adc_health_tpafe_gaps() 一致（都是帧点数），心跳里 * 可直接对比；注意 2026-10-21 之前固件该字段是"次数"口径。 */ uint32_t adc_input_stm32_gaps(void) { return s_stm32_gaps; } /* * 函数功能：读取 STM32 ADC1 的 DMA 整帧完成计数 * 入口参数：无 * 返 回 值：DMA 半区完成中断 + 传输完成中断的累计次数（每拍 +1） * 限定条件：无 * 函数说明：这是 STM32 侧"节拍是否还在喂数据"的直接观测量：与 TPAFE 的 * tpafe5160_frame_seq() 对称。它若停增而 TIM3 仍在跑 → DMA/ADC 侧停摆。 */ uint32_t adc_input_stm32_seq(void) { return s_dma_seq; } /* * 函数功能：读取 STM32 ADC1 的 HAL 层错误回调累计次数 * 入口参数：无 * 返 回 值：HAL_ADC_ErrorCallback 触发次数（DMA 传输错误等） * 限定条件：无 * 函数说明：与 adc_input_stm32_errs()（消费侧"无新帧"）分开计数，便于区分 * "节拍源停了"与"DMA 出错"两类故障。 */ uint32_t adc_input_stm32_hw_errs(void) { return s_stm32_hw_errs; } /* ===== HAL 回调（ISR 上下文）===== * ⚠ 三个回调都在中断里跑（DMA2_Stream4_IRQn，抢占优先级 6）→ **只允许**写 volatile * 计数/标志，不得调用任何 CMSIS-RTOS API、不得日志、不得拷贝大缓冲。 * 搬运与消费全在任务侧（stm32_take()）。 */ /* * 函数功能：DMA 传输完成回调 = 后半区（下标 1）9 个采样就绪 * 入口参数：hadc - 触发回调的 ADC 句柄 * 返 回 值：无 * 限定条件：仅 ISR 上下文；覆盖 HAL 的 __weak 实现（本板只有 ADC1） * 函数说明：见 stm32_take() 的奇偶推半区口径。 */ void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) { if (hadc == &hadc1) { s_dma_seq++; } } /* * 函数功能：DMA 半传输完成回调 = 前半区（下标 0）9 个采样就绪 * 入口参数：hadc - 触发回调的 ADC 句柄 * 返 回 值：无 * 限定条件：仅 ISR 上下文；覆盖 HAL 的 __weak 实现 * 函数说明：DMA 长度 18 = 2 x 9，故半传输即"一帧就绪"，与传输完成交替出现。 */ void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) { if (hadc == &hadc1) { s_dma_seq++; } } /* * 函数功能：ADC/DMA 错误回调 * 入口参数：hadc - 触发回调的 ADC 句柄 * 返 回 值：无 * 限定条件：仅 ISR 上下文；覆盖 HAL 的 __weak 实现 * 函数说明：只计数。错误后 DMA 可能已停 → 消费侧会看到 s_dma_seq 停增（rc=STALL、 * 每拍 skip），并由 IWDG 心跳日志暴露，不在 ISR 里尝试恢复。 */ void HAL_ADC_ErrorCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) { if (hadc == &hadc1) { s_stm32_hw_errs++; } }