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ADC 采样节拍设计说明（1 kHz 硬件定时器触发）

状态：已实现（2026-10-10）——TIM6 更新中断（1 kHz）触发已落地（Src/main.c 回调 + app_main.c 启动 + adc_task.c 退化为纯消费者），@build 0 错 0 警；台架 @test 验收（§7）待做。 上位需求：docs/算法/继电保护功能复现规划.md §3.2 L1-1（周期 CONVST 重触发 1000 Hz， 与保护节拍同源）。驱动契约：Drivers/BSP/TPAFE5160/README.md。 背景：B1（2026-10-10）已把 adc_task 由空桩改为真实消费者，但采样节拍是 任务周期软触发（osDelayUntil）——CONVST 边沿 = 任务被调度到的时刻，抖动大、 且与 FreeRTOS tick 同源。本项把节拍源换成硬件定时器。

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1. 目标与现状

项	改造前（B1 软触发）	改造后（TIM6 硬件定时器，2026-10-10 已落地）
CONVST 边沿时刻	任务被调度时刻（抖动 = 调度延迟，可达数十 µs~ms）	TIM 更新事件 + ISR 入口延迟（亚 µs~数 µs）
周期精度	依赖 FreeRTOS tick（TIM7）	定时器硬件分频，晶振级
丢拍	任务被长时抢占会漏拍	硬件自动重载，不漏拍
等周波调频	需改 tick 周期（不可行）	运行期写 ARR 即可（§8）

判据（L1-1）：周期 CONVST 重触发 1000 Hz；示波器见 U3 BUSY 连续脉冲； tpafe5160_frame_seq() 持续递增（每秒 +1000）。

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2. 方案选型

2.1 方案 A（推荐）：TIM6 更新中断 → ISR 内脉冲 CONVST

• TIM6 配成 1 kHz 更新中断；ISR 内调 tpafe5160_start_conv_irq()（现成的 GPIO 脉冲）。
• 零引脚改动：PC9 保持 GPIO_Output，驱动与 tpafe5160_init() 首帧自检完全不动。
• BUSY（PC7）EXTI 读帧路径完全不动。
• 周期精度 = 定时器硬件（晶振级）；CONVST 边沿抖动 = TIM6 ISR 入口延迟（见 §5）。
• 运行期改 ARR 即改变采样率 → 天然支持等周波调频。

2.2 方案 B（备选，暂不采用）：TIM3_CH4/TIM8_CH4 硬件 PWM 直驱 PC9

• PC9 复用为定时器通道，硬件直接产生 CONVST 方波，零软件抖动。
• 代价：① 需把 PC9 由 GPIO_Output 改为 AF（.ioc 引脚改动）； ② 驱动的 TPAFE5160_CONVST_* 宏（GPIO 写）全部失效 → tpafe5160_init() 的 "确保 CONVST 低"与首帧自检（E-44）都要重写；③ 上电初值/空闲电平语义变化。
• 结论：收益（把抖动从"数 µs"降到"0"）不足以抵消改动面与回归风险。 仅当 §5 实测抖动超过算法容限时再考虑。

下文只展开方案 A。

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3. CubeMX 配置规格（照此配置）

前提：SYSCLK = 168 MHz / HCLK = 168 MHz / APB1 = 42 MHz（÷4）→ APB1 定时器时钟 = 84 MHz； HAL 时基 = TIM7（已占用）；TIM1TIM6、TIM8TIM14 当前全部空闲。

步骤	位置	值	说明
1	Timers → TIM6 → Activated	✅ 勾选	基础定时器，无输出引脚（不占用任何 IO）
2	Prescaler (PSC)	83	84 MHz ÷ (83+1) = 1 MHz 计数时钟（1 µs 分辨率）
3	Counter Period (ARR)	999	1 MHz ÷ (999+1) = 1.000 kHz（= 1000 µs 周期）
4	Counter Mode	Up	向上计数
5	auto-reload preload	Enable	运行期写 ARR 在下一个更新事件生效，不产生毛刺（§8 等周波调频要用）
6	Clock Division	No Division	与采样无关
7	Trigger Event Selection	Reset（默认）	不用 TRGO
8	NVIC Settings → TIM6 global interrupt	✅ 勾选；Preemption Priority = 6	与 BUSY EXTI（EXTI9_5_IRQn = 6）同级：两者互不抢占，避免"读 RD 时序被 CONVST 脉冲打断"（§5）；且 6 ≥ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（=5），将来 ISR 里发任务通知也安全

生成后：CubeMX 会新建 Src/tim.c + Inc/tim.h（含 htim6 与 MX_TIM6_Init()）、 在 Src/stm32f4xx_it.c 生成 TIM6_IRQHandler()、在 Src/main.c 的 main() 里插入 MX_TIM6_Init()。 ⚠ MX_TIM6_Init() 只做配置，不启动计数——启动由用户代码负责（§4 第 4 条）。

为何不用 TIM7 那种"1 MHz 计数 + ARR=999"以外的心跳：本配置与 HAL 时基 TIM7 的构造完全一致（同为 84 MHz / 1 MHz / 1000 计数），便于对照排查；PSC 取 83 使 ARR 与 "微秒"一一对应，等周波调频时可直接 ARR = 周期µs - 1。

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4. 代码改造清单

约定：生成区不改（CubeMX 重生成会覆盖）；所有手工代码落 USER CODE 保护区（L2）。

4.1 Src/main.c（CubeMX 生成；改 USER CODE 区）

• USER CODE BEGIN Includes 增加 #include "tpafe5160.h"。
• HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()（注意：该回调被 TIM7 时基共用）增加 TIM6 分支：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim->Instance == TIM7) { HAL_IncTick(); }   /* 既有：HAL 时基 */
  /* USER CODE BEGIN Callback 0 / 1 —— 加在既有 TIM7 分支之后 */
  if (htim->Instance == TIM6)
  {
    tpafe5160_start_conv_irq();   /* 1 kHz 采样节拍：ISR 内脉冲 CONVST（仅 GPIO 写，亚 µs） */
  }
}

⚠ 不得破坏既有 HAL_IncTick() / task_wd_tick_probe() 两条 TIM7 分支。

4.2 Src/tim.c / Inc/tim.h / Src/stm32f4xx_it.c

• CubeMX 自动生成，勿手改（TIM6_IRQHandler → HAL_TIM_IRQHandler(&htim6)）。

4.3 App/app/app_main.c

• 增加 #include "tim.h"。
• 第 213 行的单次 tpafe5160_start_conv_irq(); 替换为启动周期触发：

    /* 6) 启动 1 kHz 采样节拍（TIM6 更新中断 → ISR 内触发 CONVST） */
    (void)HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);

• ⚠ 必须在 tpafe5160_init() 成功之后再启动 TIM6，否则 ISR 会在驱动自检 （首帧有效性探针，E-44）期间乱发 CONVST。

4.4 App/task/adc_task.c

• 删除主循环里的 tpafe5160_start_conv_irq();（触发已交给 TIM6）。
• 本任务退化为纯消费者：tpafe5160_snapshot() + 帧统计 + 10 s 心跳 + 看门狗心跳。 1 ms 节拍（osDelayUntil）保留，仅用于"消费节奏"。
• 更新文件头与函数注释（说明节拍由 TIM6 提供，本任务不再触发）。
• 看门狗不变：TASK_WD_ADC 心跳仍在循环内每拍调用。

4.5 文档同步（2026-10-10 已执行）

• docs/算法/继电保护功能复现规划.md：§3.2 L1-1 由 🔶 改为 ✅（TIM6 硬件触发）、§1.2 采样软件行 + 变更记录同步。
• docs/待处理内容.md §4：TPAFE 自动扫描模式待确认项标注"已不影响"（TIM6 方案不依赖它）。
• AGENTS.md 架构要点 adcTask 条 + app_main_init 序列：改为"TIM6 硬件触发 + 纯消费者"。
• Drivers/BSP/TPAFE5160/README.md：周期重触发改为"由 TIM6 更新中断提供"。

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5. 时序与优先级分析

单周期时序（1 kHz，周期 1000 µs）：

t=0        TIM6 更新事件 → ISR → CONVST 脉冲（LOW→HIGH 上升沿）
t≈0+ε      TPAFE5160 开始转换（BUSY 拉高）
t≈23 µs    BUSY 拉低 → PC7 EXTI(优先级 6) → 读 8 通道（≈0.5 µs）→ seq++
t=1000 µs  下一个 TIM6 更新事件

• 读窗口与下一次 CONVST 相隔 ~977 µs（转换仅 ~23 µs），互不重叠。
• TIM6 与 BUSY EXTI 同级（6）→ 互不抢占：读 RD 时序（8 次 RD 翻转）不会被打断， 避免"读到一半被新转换刷新数据总线"。这是选 6 而非 5 的原因。
• 触发抖动：TIM6 是最高优先级之一（5 为 USART，7 为 SPI/DMA）；被更高优先级 ISR （USART，~数 µs）挡住的概率与时长都有限 → 最坏抖动约数 µs，占 1000 µs 的 <0.5%。
• ISR 时长：tpafe5160_start_conv_irq() 只做两次 HAL_GPIO_WritePin（寄存器写） → 亚 µs，不拖累其它中断。

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6. 风险与注意事项

1. 共用回调：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback 同时服务 TIM7（HAL 时基）与 TIM6 → 分支必须并列、不得互相干扰；改动后必须确认开机日志时间戳正常（时基未坏）。
2. 启动顺序：TIM6 必须在 tpafe5160_init() 之后启动（§4.3）。
3. 不新增任务/栈：本项零新任务、零新栈、零动态分配 → 不动 stack_report.py 预算。
4. CubeMX 生存：新增生成文件 Src/tim.c / Inc/tim.h；改后跑一次 python scripts/check_cubemx_survival.py，若有新增生成文件被登记，按提示重建基线。
5. Keil 工程：从 CubeMX 重生成工程（含 MDK-ARM）以把 tim.c 纳入编译；随后 @build 必须 0 错 0 警。
6. mem-numbers：本项改 Flash/RAM 极小但非零 → 若 check_mem_numbers.py FAIL， 跑 python scripts/check_mem_numbers.py --write 刷新快照。
7. 消费端与生产端同频：TIM6（84 MHz 派生）与 FreeRTOS tick TIM7（同源）都恰好 1 kHz， 相位固定 → 消费端每拍恰好取到 1 帧。一旦进入等周波调频（采样率≠1 kHz）， 1 ms 轮询会与生产端失配 → 消费端须改为"帧就绪事件驱动"（见 §8）。

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7. 验收判据

#	判据	手段
1	@build 0 错 0 警，且镜像无源文件新于 hex	MDK-ARM/build.bat + find -newermt
2	PC9 CONVST 周期 = 1.000 kHz（±0.1%）	示波器 / 逻辑分析仪
3	PC7 BUSY 每周期一个脉冲，与 CONVST 相位固定	示波器双通道
4	frame_seq() 每秒 +1000（每 10 s +10000），严格递增	@test 串口 [ADC_TASK] frames=... seq=...
5	frst_err=0、idle 基本为 0	同上
6	开机日志时间戳正常（TIM7 时基未坏）	串口日志
7	无 HardFault / [ERR] / 看门狗复位	@test Forbidden 判定

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8. 后续：等周波调频（不在本项范围）

参考系统按 20 点/周波采样：电网频率漂移时需让采样率跟随（50.0 Hz → 1000 Hz； 49.5 Hz → 990 Hz），以保持傅氏全波窗对齐一个工频周期。

• 本配置已为此预留：1 µs 分辨率 + ARR 预装载使能 → 运行期 __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim6, 周期µs - 1) 即可无毛刺改频。
• 需要配套：① 测频源（过零/DFT 相位）；② 把当前采样率同步给保护算法（相量/定值）； ③ 消费端改事件驱动（§6.7）——否则 1 ms 轮询在非 1 kHz 采样率下会丢帧。

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9. 变更记录

日期	变更	说明
2026-10-10	建立本文档	B1（ADC 采集链路）遗留项"精确 1 kHz 硬件定时器触发"的规划：方案选型（A/B）、CubeMX 配置规格、代码改造清单、时序与优先级分析、风险与验收判据、等周波调频预留
2026-10-10	实现（方案 A）	CubeMX 加 TIM6（PSC=83 / ARR=999 / ARR 预装载 / NVIC 抢占优先级 6）；Src/main.c 回调加 TIM6 分支触发 CONVST；app_main.c 用 HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6) 启动节拍；adc_task.c 退化为纯消费者。@build 0 错 0 警；台架 @test 验收待做