Motor_v2/Robot_V2/device/ADC.cpp

/**
 * @file device/ADC.cpp
 * @brief 底层设备驱动与外设封装源文件
 * @note 本文件仅补充 Doxygen 文档注释，不改变代码逻辑。
 */

#include "adc.h"
#include "Can.h"
#include "FOC.h"
#include "Filter.h"
#include "config.h"
#include "initial.h"
#include "math.h"
#include "systick.h"
#include <cstdint>
#include <cstring>

// ADC 换算常量均为编译期常量，非可变全局状态。
// 用于 ADC 原始值到电压、温度、电流的固定比例换算。
/** @brief ADC_SCALE 常量定义 */
constexpr float ADC_SCALE = 3.3f / 4096.0f;
/** @brief TEMP_FACTOR 常量定义 */
constexpr float TEMP_FACTOR = 1000.0f / 4.3f;
/** @brief VCC_FACTOR 常量定义 */
constexpr float VCC_FACTOR = 11.0f;
/** @brief CURRENT_FACTOR 常量定义 */
constexpr float CURRENT_FACTOR =
	1.0f / 50.0f * 100.0f; // 50倍放大，100倍电流采样电阻, 单位mA
extern CAN_transmiter CAN0_transmiter;
extern FOC_Controller FOC;

// 全局采样器单例：系统只有一组 ADC 采样缓存，由 hardware_init() 调用 sampler.init() 初始化。
// ADC0 只跑 injected 组（PWM 同步）：中断写 adc_current_value[]（U/V/W）与
// adc_mcu_temp_raw（温度，挂注入序列尾部同步转换）并置位 adc_current_frame_ready。
// VBUS / DRV温度 由 ADC1 在慢速任务中软件触发轮询，与电流采样彻底隔离。
// 背景：此前温度/VBUS/DRV 放在 ADC0 regular 组连续扫描，与 injected 抢占同一 ADC。
// 温度通道提到 239.5 周期后，稳态下注入触发几乎必然打断温度采样中段：
// regular 被打断后从 rank0 重启而 DMA 计数不复位 → adc_value[] 数据错位；
// 采样电容长期挂在高内阻温度源电压上，干扰注入组首通道 → 相电流检测故障。
sampler sampler;		// 采样器初始化
volatile u16 adc_mcu_temp_raw = 0;	  // ADC0 injected rank3: MCU温度原始值
static volatile u16 adc_current_value[3] = {0}; // injected 同步采样: U / V / W
static volatile u8 adc_current_frame_ready = 0;

/**
 * @brief 将电流 ADC 原始值换算为毫安值
 * @param[in] raw_adc 参数
 * @return float 返回值
 */
static inline float current_adc_to_ma(u16 raw_adc) {
	return (raw_adc * ADC_SCALE + CURRENT_OFFSET) * CURRENT_FACTOR;
}

/*!
	\brief      configure the ADC1 peripheral（VBUS / DRV温度 专用）
	\param[in]  none
	\param[out] none
	\retval     none
	\note       ADC1 独占慢速量：单通道单次软件触发，无 DMA、无中断、无连续模式，
				软件按需轮询读取，与 ADC0 的 PWM 同步电流采样互不干扰。
*/
void adc1_config(void) {
	/* enable ADC1 clock（ADC 时钟分频与 ADC0 共用 RCU 配置） */
	rcu_periph_clock_enable(RCU_ADC1);

	adc_deinit(ADC1);
	adc_mode_config(ADC_MODE_FREE);
	adc_data_alignment_config(ADC1, ADC_DATAALIGN_RIGHT);

	/* 单通道单次转换：调用方每次配置 rank0 通道后软件触发 */
	adc_channel_length_config(ADC1, ADC_REGULAR_CHANNEL, 1);
	adc_external_trigger_source_config(ADC1, ADC_REGULAR_CHANNEL,
									   ADC0_1_EXTTRIG_REGULAR_NONE);
	adc_external_trigger_config(ADC1, ADC_REGULAR_CHANNEL, ENABLE);

	adc_enable(ADC1);
	/* ADC校准 */
	adc_calibration_enable(ADC1);
}

/**
 * @brief ADC1 单次软件触发转换并等待完成
 * @param[in] channel ADC 通道号（如 ADC_CHANNEL_6 / ADC_CHANNEL_9）
 * @return u16 转换原始值（超时返回上次 RDATA 残留值）
 * @note 仅在主循环任务上下文调用（所有任务由调度器串行派发，无并发）。
 *       单次转换约 41 周期 ≈ 1.4μs @30MHz ADC 时钟。
 */
u16 adc1_read_raw(u8 channel) {
	u16 timeout = 0;
	adc_flag_clear(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
	adc_regular_channel_config(ADC1, 0, channel, ADC_SAMPLETIME_28POINT5);
	adc_software_trigger_enable(ADC1, ADC_REGULAR_CHANNEL);
	while (adc_flag_get(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET) {
		if (++timeout > 2000U) { // 硬件异常保护，避免死等
			break;
		}
	}
	adc_flag_clear(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
	return (u16)adc_regular_data_read(ADC1);
}

/*!
	\brief      configure the ADC0 peripheral（PWM 同步电流采样专用）
	\param[in]  none
	\param[out] none
	\retval     none
	\note       ADC0 只保留 injected 组，regular 组整体移除：
				此前 regular 连续扫描与 injected 触发抢占同一 ADC，注入打断后
				regular 从头重启而 DMA 不复位导致数据错位，且温度长采样被打断后
				采样电容残余污染注入组首通道。移除 regular 后注入组再无打断源。
*/
void adc_config(void) {
	/* enable ADC clock */
	rcu_periph_clock_enable(RCU_ADC0);
	/* config ADC clock（ADC0/ADC1 共用分频：120MHz/4 = 30MHz） */
	rcu_adc_clock_config(RCU_CKADC_CKAPB2_DIV4);

	/* 复位ADC */
	adc_deinit(ADC0);
	/* ADC模式配置 */
	adc_mode_config(ADC_MODE_FREE);
	/* 扫描模式：注入序列内 4 通道触发后自动连续转换 */
	adc_special_function_config(ADC0, ADC_SCAN_MODE, ENABLE);
	/* ADC数据右对齐配置 */
	adc_data_alignment_config(ADC0, ADC_DATAALIGN_RIGHT);
	/* 使能ADC温度传感器（内部通道仅连接 ADC0 的 ch16/ch17） */
	adc_tempsensor_vrefint_enable();

	/* injected 组：rank0=U, rank1=V, rank2=W, rank3=MCU温度，TIMER1 TRGO 触发。
	 * 温度传感器(ch16)为高内阻源，数据手册要求采样时间≥17.1μs，保持最大档
	 * 239.5 周期，且挂在序列尾部：整段转换不会被打断，每 PWM 周期同步采一次，
	 * 40kHz 过采样 + 中值滤波后温度比旧架构更稳。
	 * 原先的 rank0 dummy 已删除：dummy 用于吸收"注入打断 regular"产生的采样
	 * 电容残余电荷，现 regular 已移除，序列空闲期电容挂在温度通道(~1.3V)，
	 * U 相(ch3 运放低阻输出) 的 55.5 周期采样足以完成重建。
	 * 序列总时长 68×3+252 = 456 周期 = 15.2μs < 25μs 触发周期。 */
	adc_channel_length_config(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL, 4);
	adc_inserted_channel_config(ADC0, 0, ADC_CHANNEL_3, ADC_SAMPLETIME_55POINT5);
	adc_inserted_channel_config(ADC0, 1, ADC_CHANNEL_4, ADC_SAMPLETIME_55POINT5);
	adc_inserted_channel_config(ADC0, 2, ADC_CHANNEL_5, ADC_SAMPLETIME_55POINT5);
	adc_inserted_channel_config(ADC0, 3, ADC_CHANNEL_16,
								ADC_SAMPLETIME_239POINT5);
	adc_external_trigger_source_config(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL,
									   ADC0_1_EXTTRIG_INSERTED_T1_TRGO);
	adc_external_trigger_config(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL, ENABLE);

	/* 使能ADC接口 */
	adc_enable(ADC0);
	/* ADC校准 */
	adc_calibration_enable(ADC0);
	/* injected 完成中断负责搬运完整三相样本与温度原始值 */
	adc_interrupt_enable(ADC0, ADC_INT_EOIC);
}
/**
 * @brief 采样类初始化
 */
u8 sampler::init() {
	adc_config();  // ADC0：PWM 同步注入组（U/V/W + MCU温度）
	adc1_config(); // ADC1：VBUS / DRV温度 慢速轮询
	current_sample_head = 0;
	adc_current_frame_ready = 0;
	delay_1ms(1);

	const float current_init = current_adc_to_ma(
		static_cast<u16>((-CURRENT_OFFSET / ADC_SCALE) + 0.5f));
	// 初始采样
	for (int i = 0; i < ADC_FILTER_SIZE; i++) {
		mcu_temp_samples[i] =
			(1.43f - adc_mcu_temp_raw * ADC_SCALE) * TEMP_FACTOR + 35.0f;

		currU_samples[i] = current_init;
		currV_samples[i] = current_init;
		currW_samples[i] = current_init;

		vbus_samples[i] = adc1_read_raw(ADC_CHANNEL_6) * ADC_SCALE * VCC_FACTOR;

		const float drv_raw = (float)adc1_read_raw(ADC_CHANNEL_9);
		float R_now = drv_raw / (4096 - drv_raw) * 4700;
		drv_temp_samples[i] =
			1.0f / (0.00335f + 0.00025f * log(R_now / 10000.0f)) - 273.15f;
		delay_1ms(1);
	}
	return 0;
}
/**
 * @brief 获取MCU温度
 * @return float
 * 温度值，单位为摄氏度，范围应在-40到145之间，如果读取失败则返回0.0f
 */
float sampler::get_mcu_temp() {
	return cached_mcu_temp;
}

/**
 * @brief 获取电机驱动温度
 * @return float 温度值，单位为摄氏度
 *
 * 通过热敏电阻分压电路计算温度值，使用Steinhart-Hart方程进行温度转换。
 * 如果计算结果超出有效范围(-40到255摄氏度)，则重新采样计算。
 */
float sampler::get_drv_temp() {
	return cached_drv_temp;
}

/**
 * @brief 获取电流值
 * @param type 电流类型，'U'表示U相电流，'V'表示V相电流，'W'表示W相电流
 * @return float 电流值，单位为安培
 *
 * 通过ADC采样计算各相电流值
 */
float sampler::get_current(char type) {
	u8 idx = (current_sample_head == 0U) ? (ADC_FILTER_SIZE - 1U)
										 : (current_sample_head - 1U);
	switch (type) {
	case 'U': {
		tempora_sample = currU_samples[idx];
		break;
	}
	case 'V': {
		tempora_sample = currV_samples[idx];
		break;
	}
	case 'W': {
		tempora_sample = currW_samples[idx];
		break;
	}
	default: {
		return ERROR_ADC_VAL;
	}
	}
	if (tempora_sample < MIN_CURRENT or tempora_sample > MAX_CURRENT) {
		return ERROR_ADC_VAL;
	}

	return tempora_sample;
}

/**
 * @brief 获取供电电压
 * @return float 电压值，单位为伏特
 *
 * 通过ADC采样计算供电电压值，使用迭代方式确保获取有效的电压读数。
 * 如果计算结果超出有效范围(-40到255伏特)，则重新采样计算。
 */
float sampler::get_vbus_voltage() {
	return cached_vbus;
}

/**
 * @brief 更新MCU温度
 *
 * 通过ADC采样计算MCU温度值，使用Steinhart-Hart方程进行温度转换。
 * 如果计算结果超出有效范围(-40到255摄氏度)，则重新采样计算。
 */
void sampler::update_mcu_temp() {
	// 环形缓冲区写入，替代 memmove
	mcu_temp_samples[mcu_temp_head] =
		(1.43f - adc_mcu_temp_raw * ADC_SCALE) * TEMP_FACTOR + 35.0f;
	mcu_temp_head++;
	if (mcu_temp_head >= ADC_FILTER_SIZE) mcu_temp_head = 0;

	// 更新缓存：中值滤波
	tempora_sample = medium_filter(mcu_temp_samples, ADC_FILTER_SIZE);
	if (tempora_sample < MIN_TEMP || tempora_sample > MAX_TEMP) {
		cached_mcu_temp = ERROR_ADC_VAL;
	} else {
		cached_mcu_temp = tempora_sample;
	}
}

/**
 * @brief 更新MCU温度
 */
void sampler::update_drv_temp() {
	// ADC1 单次轮询转换 ch9（NTC 分压，低阻源）
	const float drv_raw = (float)adc1_read_raw(ADC_CHANNEL_9);
	// 环形缓冲区写入，替代 memmove
	float R_now = drv_raw / (4096 - drv_raw) * 4700;
	drv_temp_samples[drv_temp_head] =
		1.0f / (0.00335f + 0.00025f * log(R_now / 10000.0f)) - 273.15f;
	drv_temp_head++;
	if (drv_temp_head >= ADC_FILTER_SIZE) drv_temp_head = 0;

	// 更新缓存：中值滤波
	tempora_sample = medium_filter(drv_temp_samples, ADC_FILTER_SIZE);
	if (tempora_sample < MIN_TEMP || tempora_sample > MAX_TEMP) {
		cached_drv_temp = ERROR_ADC_VAL;
	} else {
		cached_drv_temp = tempora_sample;
	}
}

/**
 * @brief 更新相电流
 */
void sampler::update_current() {
	if (adc_current_frame_ready == 0U) {
		return;
	}

	const u8 idx = current_sample_head;
	currU_samples[idx] = current_adc_to_ma(adc_current_value[0]);
	currV_samples[idx] = current_adc_to_ma(adc_current_value[1]);
	currW_samples[idx] = current_adc_to_ma(adc_current_value[2]);

	current_sample_head++;
	if (current_sample_head >= ADC_FILTER_SIZE) {
		current_sample_head = 0;
	}
	adc_current_frame_ready = 0U;
}

/**
 * @brief 更新供电电压
 */
void sampler::update_vbus_voltage() {
	// ADC1 单次轮询转换 ch6（电阻分压，低阻源）
	// 环形缓冲区写入，替代 memmove
	vbus_samples[temp_vbus_head] =
		adc1_read_raw(ADC_CHANNEL_6) * ADC_SCALE * VCC_FACTOR;
	temp_vbus_head++;
	if (temp_vbus_head >= ADC_FILTER_SIZE) temp_vbus_head = 0;

	// 更新缓存：中值滤波 + 范围检查
	tempora_sample = medium_filter(vbus_samples, ADC_FILTER_SIZE);
	const u8 mid = ADC_FILTER_SIZE / 2;
	if (vbus_samples[mid] > MAX_VCC || vbus_samples[mid] < MIN_VCC) {
		cached_vbus = ERROR_ADC_VAL;
	} else {
		cached_vbus = tempora_sample;
	}
}

/**
 * @brief ADC0_1_IRQHandler 中断处理函数
 * @return void
 */
extern "C" void ADC0_1_IRQHandler(void) {
	if (adc_interrupt_flag_get(ADC0, ADC_INT_FLAG_EOIC) != RESET) {
		/* rank0/1/2 = U/V/W 同一 PWM 时刻样本，rank3 = MCU温度（序列尾部） */
		adc_current_value[0] = adc_inserted_data_read(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL_0);
		adc_current_value[1] = adc_inserted_data_read(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL_1);
		adc_current_value[2] = adc_inserted_data_read(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL_2);
		adc_mcu_temp_raw = adc_inserted_data_read(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL_3);
		adc_current_frame_ready = 1U;
		adc_interrupt_flag_clear(ADC0, ADC_INT_FLAG_EOIC);

		extern TaskScheduler scheduler;
		scheduler.taskFlags |= (1u << TASK_CURRENT_UPDATE);
	}
}