STM32F4-Base/App/algo/README.md

App/algo/ — 采集与算法层（L1 / L2）

自研代码，属 docs/算法/继电保护功能复现规划.md §2.1 分层中的 L1（采集与预处理） 与 L2（相量计算）。原则：算法与 I/O、与调度分离——本层不建任务、不做保护判据、 不碰寄存器（唯一例外见 §3.1），只做"数"（原始码值 → 语义通道）与"相量" （采样序列 → 复相量），因而可被主机侧单元测试（L0.5）离线全覆盖（落实登记簿 A-4）。

任务侧（App/task/adc_task.c）只做消费与编排；任何新算法一律落在本目录，勿塞进 App/task/。

1. 文件清单（一眼版）

文件	层	作用（一句话）	主要对外入口	覆盖规划项
adc_input.h / adc_input.c	L1	统一语义取数层：把两片转换器的原始码值按语义（UA…IN/温度）暴露，并消费 STM32 ADC1 的 DMA 乒乓双缓冲	adc_input_init() adc_input_poll() adc_input_raw()	L1-2 / L1-3 / L1-4
adc_health.h / adc_health.c	L1	采样有效性判定层：吃"计数快照"（帧序号/错误计数），产出静默/丢帧/单调性/错误增量故障位——判定与告警编排分离	adc_health_init() adc_health_check() adc_health_flags()	L1-6
sample_ring.h / sample_ring.c	L2 输入	采样环缓冲：按语义通道保存最近 2 个周波（40 点）采样值，供相量层"以当前时刻为终止"取窗	sample_ring_push_frame() sample_ring_window()	L2 输入（为 L2-6 滑动窗供数）
phasor.h / phasor.c	L2	全周傅氏相量计算：一周波 20 点单频 DFT → 基波/谐波相量（有效值口径），双区原子切换供无锁读	phasor_run() phasor_get() phasor_calc()	L2-1 / L2-2 / L2-3 / L2-6 / L2-7
prot_set.h / prot_set.c	L3 输入	保护定值模型：Q10 定点 RAM 表（通讯地址对照参考 g_tCommSetParaTab）+ 范围校验 + 校验和封存自检闭锁	prot_set_init() prot_set_load_raw() prot_set_get_f() prot_set_selfcheck()	§5 定值模型 / L5-1
prot_elm.h / prot_elm.c	L3	保护元件框架：通用"越限 + 返回系数滞回 + 定时限"核 + 数据驱动实例表（过流三段 / 过负荷 / 过压 / 欠压 / 零序过压）	prot_elm_init() prot_elm_eval() prot_elm_run() prot_elm_active_mask()	L3-1 / L3-3 / L3-4 / L3-6（软件侧）

依赖关系（自下而上，无环）：adc_input.h（纯枚举 + 声明）← sample_ring ← phasor； prot_set 独立（仅 stdint.h）；prot_elm ← prot_set + phasor。 sample_ring.c / phasor.c / adc_health.c / prot_set.c / prot_elm.c 零平台依赖 （只用 math.h / stddef.h / stdint.h 与本目录头）； adc_input.c 另依赖 adc.h（hadc1）与 tpafe5160.h（快照），主机侧以桩头替身。

2. 数据流（一拍 = TIM3 1 kHz 节拍）

flowchart TD
    TIM3["TIM3 更新事件 1 kHz（PSC 83 / ARR 999）<br/>ISR: tpafe5160_start_conv_irq() + adc_tick_irq_notify()<br/>同一事件经 TRGO 触发 ADC1"] --> TPAFE["TPAFE5160 转换<br/>BUSY EXTI 收帧"]
    TIM3 --> ADC["STM32 ADC1 一轮 9 通道（≈67 us）<br/>DMA2_Stream4 循环模式自动搬运"]
    ADC --> PP["乒乓双缓冲 s_stm32_dma[2×9]<br/>半传输 / 传输完成回调各推进 seq"]
    TIM3 -. "ADC_WAKE_FLAG<br/>osThreadFlagsWait" .-> TASK
    TPAFE --> POLL
    PP --> POLL
    TASK["adcTask（事件驱动唤醒，非定时轮询）<br/>App/task/adc_task.c"] --> POLL["adc_input_poll()<br/>TPAFE 快照 + 消费刚完成的那半区（零忙等）"]
    POLL --> RAW["adc_input_raw(ch) × 9<br/>按语义取原始码值"]
    RAW --> RING["sample_ring_push_frame()<br/>整帧入环（40 点窗）"]
    RING --> RUN["phasor_run()<br/>逐实例 20 点重算 + 双区切换"]
    RUN --> GET["phasor_get(idx)"]
    GET --> CONS["消费者：adcTask 日志（现状）<br/>UI / 自检 / L3 保护任务（待接）"]

初始化落点：adc_input_init() 与 phasor_init() 由 App/app/app_main.c 的 app_main_init() 在内核启动前调用（三者 *_init() 均无 RTOS 依赖、幂等）； phasor_init() 内部会连带 sample_ring_init()，等价于"刚上电"。

3. 逐文件说明

3.1 adc_input.c / adc_input.h — L1 ADC 输入层

解决的问题：V0.1 上 8 路电气量被两片转换器分片（硬件缺陷 N-18），且网名 AINn ≠ 板级 ADCn ≠ 转换器通道号（13/17 路置换）。若消费侧直接索引驱动缓冲，改版即全线错位。 本层把"哪一路"收进一张表，上层按语义取数、不写死下标。

API	干什么	注意
adc_input_init()	清缓冲与统计 + 映射表自检（每个 STM32 语义通道必须落在扫描 Rank 序列内）+ HAL_ADC_Start_DMA() 挂载乒乓缓冲（只挂一次）	内核启动前调用；-1 = 映射指向了从不扫描的通道（会恒读陈旧值）；-2 = DMA 挂载失败
adc_input_poll()	采一拍：tpafe5160_snapshot() 原子快照（8 通道）+ 消费刚完成的那半区（stm32_take()，按 seq 奇偶选半区，零忙等）	仅任务上下文（快照走临界区）；只搬码值，不做标定/运算；STM32 侧固定滞后 1 拍
adc_input_raw(ch, &out)	按语义读原始码值（TPAFE 16 位补码 / STM32 0..4095）	消费侧取数唯一入口；须先成功 poll()；-2 = 该来源尚无有效数据
adc_input_desc(ch)	语义 → 物理通道描述（来源 + 下标/通道号）	供自检注入、UI 通道序；返回静态地址，勿改
adc_input_stm32_rc()	STM32 侧最近一拍状态码（0 OK / -2 本拍无新帧）	心跳日志 adc1_rc
adc_input_stm32_seq() / _errs() / _gaps() / _hw_errs()	DMA 整帧完成计数 / 停摆（连续 ≥2 拍无新帧）/ 丢帧（seq 一次前进 >1）/ HAL 错误回调	心跳日志 adc1_seq / adc1_err / adc1_gap / adc1_hw——四类成因不同，勿混读

要点

• 语义映射表 k_adc_map[] 的唯一权威口径是 docs/硬件平台/ADC通道映射说明.md： UA/UN/IA → TPAFE buf[6]/[5]/[2]；UB/UC/IB/IC/IN/TEMP → ADC1 CH14/3/6/1/2/5。 V0.2 改版只改这张表的内容，本层 API 与上层语义不动。
• STM32 侧是顺序扫描（Rank1..8 = CH0..CH7、Rank9 = CH14，与 MX_ADC1_Init() 严格一致）， 9 个通道不是同一时刻（一轮 ≈67 µs）。v2.0 起这一轮由 TIM3 TRGO 硬件触发 + DMA 自动搬运， 消费侧零忙等（旧实现逐通道轮询、单通道超时 2 ms，已于 2026-10-10 移除）。 代价：STM32 侧数据固定滞后 1 拍（1 ms）——与 TPAFE 侧本来就没有同刻性（N-18），无新增误差。
• 本文件是本层唯一允许出现 HAL 调用的地方（它必须驱动 ADC1）；新增模块若不需要外设， 请保持 sample_ring / phasor 那种零依赖形态，才能免桩单测。

3.2 sample_ring.c / sample_ring.h — L2 输入采样环

解决的问题：相量计算要"以当前时刻为终止的一周波"，而 L1 每次只给最新一帧。 本层按语义通道存最近 SAMPLE_RING_CYCLES = 2 个周波（SAMPLE_RING_DEPTH = 40 点）， 与参考系统 CN_BUFSAM_CYCLE = 2 一致，并为后续加长数据窗（1.5~2 周波抗衰减直流）预留空间。

API	干什么	返回
sample_ring_init()	清全部通道历史与计数（幂等，内核启动前可调）	—
sample_ring_push_frame(values, n)	整帧压入（长度须 = ADC_SEM_COUNT）	0 / -1 参数错
sample_ring_window(ch, n, out)	取该语义通道最近 n 点，按时间序旧 → 新（out[n-1] 最新）	0 / -1 参数错 / -2 点数不足
sample_ring_filled()	已累积点数（饱和于 40）——判"够不够一周波"	0..40
sample_ring_frames()	累计入环帧数（不饱和，1 kHz 下约 49.7 天回绕）	帧数

要点

• 整帧写入后统一推进写指针 → 单帧内不可能"半新半旧"，消费侧取到的窗永远落在整帧边界。
• 本层只做按时序存/取，不做任何跨通道运算：同刻性由上游 L1 负责，本层既不保证也不假设。
• frames() 与 L1 的 tpafe5160_frame_seq() 对照即可判丢帧（L1-6 的判据之一）； 本层只提供计数，判定不在这里。
• 上层若某通道本拍取数失败，应整拍跳过入环（现 adc_task 的 s_frames_skip 即此）， 切勿补 0 点——0 会污染相量窗。

3.3 phasor.c / phasor.h — L2 相量计算

算法：全周傅氏（单频 DFT），N = PHASOR_N = 20（1 kHz @ 50 Hz）。系数表 k_fft_sin/k_fft_cos 离线生成并预乘 √2/N（口径 docs/算法/傅氏算法详解.md §2.3）， 故 fAmSQ = √(fRe²+fIm²) 直接就是有效值，fAm = √2·fAmSQ 为峰值。运行期不调 sinf/cosf。

API	干什么	注意
phasor_init()	双区清零 + 使用区/就绪复位 + sample_ring_init()	幂等；内核启动前调用
phasor_inst_count() / phasor_inst(idx)	遍历实例表（{name, sem, harm}）	返回静态地址，勿改；越界 NULL
phasor_run()	逐实例取 20 点窗 → 重算 → 写计算区 → 一次性切换使用区	仅任务上下文；须先 push_frame()
phasor_get(idx, &out)	读使用区结果	0 / -1 参数错 / -2 未攒满一周波
phasor_calc(x, n, harm, &out)	对给定窗口算 harm 次相量	纯函数，可脱离采样环独立单测

要点

• 实例表数据驱动（k_inst[]，现 5 行）：C01-IA-F1（过流/过负荷）、C02-UA-F1（过压/欠压/频率）、 C03-UN-F1（零序过压）、C04-IA-F2（二次谐波制动）、C05-IA-F5（五次谐波选线）。 新增实例只在表尾加一行，遍历/日志/单测自动适配。
• 双区（计算区 / 使用区）：结果先写非使用区，全部实例写完后单字节 volatile store 切换 s_use_zone（Cortex-M 上原子）→ 消费侧无锁、无撕裂。今日唯一消费者是 adcTask 自身， 该机制为后续独立 L3 保护任务预留。
• 任一实例数据不足一周波 → 本拍整体不产出（不切换使用区），避免"部分新部分旧"的混合结果。
• 每拍 20 点全部重算（暴力法，无累积误差；迭代加减首尾项会累积）。相量刷新周期 = 1 ms。
• 相位（L2-4）未常驻结构体，需要时自行 atan2f(fIm, fRe)。

3.4 adc_health.c / adc_health.h — L1-6 采样有效性判定

解决的问题：驱动侧只有"观测计数"（tpafe5160_frame_seq/_frstdata_err、 adc_input_stm32_seq/_errs/_gaps/_hw_errs），没有判定——芯片静默、消费者超拍丢帧、 计数器被改写这些故障此前只能靠人读心跳日志发现。本层把判定收进纯逻辑， 告警编排留在消费者（adc_task.c 的 adc_health_report()）→ 判定可主机免桩单测。

API	干什么	注意
adc_health_init()	清全部状态（幂等）	首拍 check() 只建基线、不判定
adc_health_check(&in, &out)	吃计数快照做一次判定（每拍调，常数次整数运算）	差值法 (int32_t)(now-prev)，tick/计数回绕安全
adc_health_flags()	电平故障位：TPAFE_STALL / STM32_STALL（≥100 ms 无前进，可自愈）/ SEQ_BACKWARD（锁存）	为 L5-4 闭锁预留
adc_health_sticky()	锁存位（含 FRSTDATA / STM32_ERR / HW_ERR 增量痕迹）	自愈后仍留痕
adc_health_tpafe_gaps()	TPAFE 累计丢帧点数（序号前进 >1 的超出部分）	与 STM32 侧 adc_input_stm32_gaps() 对称

要点

• 三类语义严格分开：电平位（stall，可自愈）/ 锁存位（出现过必留痕）/ 边沿事件位 （仅当拍有效）。ADC_HE_FRSTDATA/STM32_ERR/HW_ERR 与同名 ADC_HF_* 编号对齐， 消费者直接用事件掩码对"已留痕位图"做每类一次 SYSLOG_SELFTEST 的编排。
• gap 不告警：消费者超拍（心跳日志 ~2 ms）是已知现象，adc1_gap/tgap 每 10 s 心跳 可见；若按事件告警会把真故障淹掉（台架实测开机 adc1_gap≈24、稳态每 10 s +2）。
• 静默 ≠ 丢帧：d=0 才是静默候选；d>1 只说明消费者没跟上，生产者还活着——两者 处置完全不同，判据不许混。
• 告警策略（在 adc_task.c，不在本层）：严重事件/电平上升沿 DBG_ERROR + SYSLOG_SELFTEST（每类每次开机一次，防刷屏写满 32KB selftest.log）；下降沿 DBG_INFO。

3.5 prot_set.c / prot_set.h — 保护定值模型（P1 / L5-1 载体）

解决的问题：保护判据的"输入宪法"。参考系统把定值放 EEPROM + tagPRS 常量表 校验和自检；本层先做 RAM 模型（cfg_file 持久化属 P4），把编号 / 通讯地址 / 范围 / 默认值 / 校验和闭环钉死。

API	干什么	注意
prot_set_init()	装默认值 + 封存校验和（幂等）	内核启动前可调
prot_set_load_raw(vals)	整表装载（P4 起 cfg_file 调用），逐项范围校验	all-or-nothing：任一项越界整表不装载，prot_set_bad_mask() 指认越界项
prot_set_set(id, q10)	单项写入（范围校验）	不自动重封存——批量改完必须 prot_set_seal()，否则 selfcheck 判"非法改写"
prot_set_get_f() / get_ctl()	工程量浮点 / 投退读取	单字读原子
prot_set_selfcheck()	重算 sum32 与封存正/反码比对，失配 → 闭锁	L5-1；prot_set_seal() 是解锁的唯一合法路径

要点

• Q10 定点（×1024）与参考 2^10 折算口径一致；元数据表（地址/范围/默认）是 ROM 常量，校验和只覆盖 RAM 值区。
• 通讯地址逐项对照参考 Comm/Pub/Const_CommSetPara.c g_tCommSetParaTab （基址 0x8820）；单测 TC-PS-006 保证地址不重复、min ≤ def ≤ max、投退项 0..1。
• ⚠ 默认值/范围为拟定值（参考 EEPROM 出厂表不在本仓库），待对照修订—— 见规划 §5.4 落实进度注。

3.6 prot_elm.c / prot_elm.h — 保护元件框架（L3，P1 子集）

解决的问题：参考系统 89 个 PRS_*.c 各自实现"滞回 + 定时限"——本框架把这段 公共核收敛为一个通用核 + 数据驱动实例表（同 phasor 的 k_inst 模式）， 新增元件 = 表加一行 + 定值加几项。

API	干什么	注意
prot_elm_init()	复位状态 + 解析相量实例索引（按名前缀 C01/C02/C03）	须在 phasor_init() 之后调
prot_elm_eval(now_ms, meas)	纯判据：定值 RAM + 测量数组 → 全元件状态机	主机单测入口；NULL 测量按 0
prot_elm_run(now_ms)	适配层：phasor_get() 组测量 → eval	任一相量未就绪 → 整拍跳过（不引入陈旧判据）
prot_elm_state() / prot_elm_active_mask()	状态快照 / 动作位图	供 L4 出口与心跳日志

要点

• 滞回：已启动用返回门槛（定值 × 返回系数），未启动用动作门槛—— 过量/欠量方向由实例表 over 位统一处理（UV 是唯一欠量实例）。
• 定时限：(uint32_t)(int32_t)(now - t0) >= dly 差值法，tick 回绕安全； dly=0 → 启动同拍即动作。返回即时（参考带 10 ms 返回延时，P4 接出口硬件时再补）。
• 闭锁联动：prot_set_locked()（L5-1）或投退=0 → 该元件状态整体复位、不判据。
• V0.1 实例（N-18）：OC1/OC2/OC3/OL（IA）、OV/UV（UA）、3U0（UN 外部通道）。 零序过流（IN 走 STM32）与过频/低频（待频率算法）故意不在表中。
• 尚未接线：无任务调用 prot_elm_run()（链接器整对象移除，零足迹）； 板端接线随 protectTask 立项（栈预算 + IWDG 心跳门禁，AGENTS E-59 同款流程）。

4. 关键约定

• 语义映射唯一权威口径：docs/硬件平台/ADC通道映射说明.md。取数一律经 adc_input_raw()， 禁止在消费侧直接索引驱动缓冲或写死下标。
• 禁止跨转换器运算（V0.1 硬件缺陷 N-18）：UA/UN/IA 在 TPAFE、UB/UC/IB/IC/IN 在 STM32 ADC1， 两者无共同采样触发 → 无同一时刻性、相位不确定。故本层不做跨转换器的相位 / 功率 / 功率因数 / 负序零序类矢量运算（V0.2 把 8 路电气量全接 TPAFE 后方可解禁）。
• 标定（L1-5）尚未实现（缺标准源）：现以原始码值充当工程量（系数 = 1）， 因此相量读数只证明链路通，不可作幅值精度判据。
• 本层不建任务、不等事件、不写日志之外的副作用；日志由调用侧（adcTask）打。
• 内核启动前只允许调 *_init()；adc_input_poll() / phasor_run() 仅任务上下文。

5. 静态足迹（BSS，供栈/RAM 预算参考）

位置	量
sample_ring.c s_ring[9][40] float	1440 B
phasor.c s_zone[2][5] phasor_t	160 B
adc_input.c s_stm32_raw[16] + s_tpafe_raw[8]	48 B
adc_health.c 内部状态（9 × uint32 + uint8）	≈ 40 B
prot_set.c s_val[31] + 封存/位图/闭锁	136 B（未接线前被链接器移除，实测 0）
prot_elm.c s_rt[7]（16 B/实例）	112 B（同上，实测 0）
运行期栈：phasor_run() 的 win[20]	80 B/帧

改容量（SAMPLE_RING_CYCLES / 实例数 / ADC_SEM_COUNT）前后各跑一次 & '.venv\Scripts\python.exe' scripts/stack_report.py（口径见 mem-budget skill）。

6. 构建与测试

• 挂载：七个 .c 已登记在 MDK-ARM/STM32F407-Demo.uvprojx，../App/algo 已在 <IncludePath> 内。 本层不进 simulator/CMakeLists.txt（UI 模拟器不跑采集链路）。

• 主机侧单测（L0.5）——生产源文件以 #include 原样纳入，无需改产品代码：

  套件	命令	pre-commit 钩子
  相量层（57 用例：系数表逐项复核 / 幅值·相位 / 谐波抑制与提取 / 频偏 / 采样环 / 双区交换）	& '.venv\Scripts\python.exe' test/host/phasor/run_unit_test.py	phasor-unit-test
  ADC 输入层（逐 Rank 注入互异码值钉死映射 + HAL 启动失败/超时分支）	& '.venv\Scripts\python.exe' test/host/adc_input/run_unit_test.py	adc-input-unit-test
  有效性校验（31 用例：100 ms 静默门限两侧 / 丢帧边沿 / 倒退锁存 / 错误增量 / tick 回绕 / NULL 守卫 / init 幂等）	& '.venv\Scripts\python.exe' test/host/adc_health/run_unit_test.py	adc-health-unit-test
  定值模型（30 用例：范围校验 / all-or-nothing 装载 / 封存-自检-闭锁 / Q10 往返 / 元数据表自检）	& '.venv\Scripts\python.exe' test/host/prot_set/run_unit_test.py	prot-set-unit-test
  元件框架（27 用例：滞回与定时限 / 欠量方向 / 投退 / 闭锁联动 / 时基回绕 / 位图聚合）	& '.venv\Scripts\python.exe' test/host/prot_elm/run_unit_test.py	prot-elm-unit-test

  改本目录任一 .c/.h，提交时对应钩子自动跑；详见 docs/测试说明/相量层单元测试说明.md。

• 板端：@build 0 错误 0 警告 → @test 看 [ADC_TASK] 首拍/心跳日志（phasor(...) 行、 ring / skip 计数、adc1_rc / adc1_err、tgap）；健康判据 = 零 [ERR] （adc_health_report 的告警全部以 [ERR] 开头 → 误报会被闭环直接抓住）。

7. 新增一个算法模块的固定动作

1. 在本目录建 xxx.c/h，文件头写模块注释块（规范 V1.0），尽量零平台依赖以便免桩单测。
2. 用 new-source-file skill 注册到 MDK-ARM/STM32F407-Demo.uvprojx（目录已在 IncludePath， 若新建子目录则必须补 IncludePath）。
3. 加 test/host/<模块>/ 主机单测 + .pre-commit-config.yaml 钩子（照 phasor-unit-test 抄）。
4. 消费者写在 App/task/，本层只出"数"；跨转换器运算的禁令见 §4。

8. 相关文档

• 通道映射权威口径：docs/硬件平台/ADC通道映射说明.md
• 分层与路线图（L1/L2 清单与状态）：docs/算法/继电保护功能复现规划.md
• 傅氏算法与有效值口径：docs/算法/傅氏算法详解.md
• 采样节拍（TIM3 1 kHz + TRGO 触发 ADC1/DMA）：docs/子系统设计/ADC采样节拍设计说明.md
• 相量层单测细则：docs/测试说明/相量层单元测试说明.md