STM32F4-Base/App/algo/adc_input.c

/*
 * 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
 */

#include "adc_input.h"

#include <stddef.h>

#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（N-18）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：seq 一次前进 >1（消费者超拍漏读）*/
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;
    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;
    }

    if ((uint32_t)(seq - s_dma_seq_seen) > 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 */
        s_stm32_gaps++;
    }
    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）；按 N-18，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 的丢帧次数
 * 入口参数：无
 * 返 回 值：DMA 完成计数一次前进 >1 的次数（中间那帧已被乒乓缓冲覆盖）
 * 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，如突发日志突发期）；
 *          与 adc_input_stm32_errs()（节拍源停摆）是两类不同的故障。
 */
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++;
    }
}