Heater PID closed-loop on PB12 (HEAT_EN) with safety protections

Src/heat.c

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+/**
+ * @file heat.c
+ * @brief 加热控制：慢 PWM 驱动（PB12）+ PID 控温闭环 + 安全保护。
+ * @details 硬件：PB12=HEAT_EN，高 = 加热开（2N7002K 电平转换 → VBE2412 PMOS → 24V）。
+ *          开关频率约束（<=10Hz）由"1s 载波周期 + 10% 占空步进"保证——每档脉宽
+ *          恒为 100ms 的整数倍。PID 以 500ms 周期计算（NTC 后台采样 100ms），
+ *          输出量化到 0~10 档占空。
+ * @note 安全保护：上电默认关闭；NTC 传感器故障（OPEN/SHRT）强制关断；
+ *       过温（>= HEATER_OVERTEMP_C）滞回保护；未使能强制关断。
+ */
+
+#include "heat.h"
+#include "ntc.h"
+#include "gd32f4xx_rcu.h"
+#include "gd32f4xx_gpio.h"
+#include "board_config.h"
+
+/******************************************************************************/
+/* 内部状态 */
+
+static bool s_enable = false;        /* 加热使能（M3） */
+static float s_target = 0.0f;        /* 目标温度（M4） */
+static uint8_t s_duty10 = 0;         /* 量化占空档位 0~10（x10%） */
+static bool s_overtemp = false;      /* 过温锁存（滞回恢复） */
+static float s_integral = 0.0f;      /* PID 积分项 */
+static float s_prev_err = 0.0f;      /* PID 上次误差 */
+static uint16_t s_pwm_phase_ms = 0;  /* PWM 载波相位 0..PERIOD-1 */
+static uint16_t s_pid_divider = 0;   /* PID 周期分频（10ms 圈） */
+
+/******************************************************************************/
+/* 底层输出 */
+
+static void heat_out(bool on);
+
+static void heat_out(bool on) {
+    if (on) {
+        gpio_bit_set(HEATER_EN_PORT, HEATER_EN_PIN);
+    } else {
+        gpio_bit_reset(HEATER_EN_PORT, HEATER_EN_PIN);
+    }
+}
+
+void heat_init(void) {
+    /* PB12 推挽输出低：上电默认加热关 */
+    rcu_periph_clock_enable(HEATER_EN_RCU);
+    gpio_mode_set(HEATER_EN_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, HEATER_EN_PIN);
+    gpio_output_options_set(HEATER_EN_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, HEATER_EN_PIN);
+    heat_out(false);
+}
+
+/******************************************************************************/
+/* PID */
+
+/**
+ * @brief 复位 PID 积分与历史误差（使能切换/传感器故障时调用，防积分残留冲击）。
+ */
+static void pid_reset(void) {
+    s_integral = 0.0f;
+    s_prev_err = 0.0f;
+}
+
+/**
+ * @brief PID 计算（500ms 周期）：误差 -> 占空档位 s_duty10（0~10）。
+ */
+static void pid_compute(void) {
+    float t = ntc_get_temperature();
+
+    /* 传感器故障（开路/短路）：安全第一，强制关断并复位 PID */
+    if (t <= -273.0f) {
+        s_duty10 = 0;
+        pid_reset();
+        return;
+    }
+
+    /* 未使能：强制关断 */
+    if (!s_enable) {
+        s_duty10 = 0;
+        pid_reset();
+        return;
+    }
+
+    /* 过温滞回保护：达到阈值锁存关断，降回阈值-滞回量后恢复 PID */
+    if (t >= HEATER_OVERTEMP_C) {
+        s_overtemp = true;
+    } else if (t <= (HEATER_OVERTEMP_C - HEATER_OVERTEMP_HYST)) {
+        s_overtemp = false;
+    }
+    if (s_overtemp) {
+        s_duty10 = 0;
+        pid_reset();
+        return;
+    }
+
+    /* 位置式 PID */
+    float err = s_target - t;
+    s_integral += err;
+    {
+        /* 积分限幅（抗饱和）：积分项贡献不超过满量程 */
+        float imax = 100.0f / HEATER_PID_KI;
+        if (s_integral > imax) s_integral = imax;
+        if (s_integral < -imax) s_integral = -imax;
+    }
+    float deriv = err - s_prev_err;
+    s_prev_err = err;
+
+    float u = HEATER_PID_KP * err + HEATER_PID_KI * s_integral + HEATER_PID_KD * deriv;
+    if (u < 0.0f) u = 0.0f;          /* 降温靠自然散热，输出不为负 */
+    if (u > 100.0f) u = 100.0f;
+
+    /* 输出量化到 10% 档位（四舍五入） */
+    s_duty10 = (uint8_t)((u + (float)HEATER_PWM_STEP_PCT / 2.0f) / (float)HEATER_PWM_STEP_PCT);
+}
+
+/******************************************************************************/
+/* 公共接口 */
+
+void heat_task(void) {
+    uint8_t prev_duty = s_duty10;
+
+    /* PWM 载波相位推进（10ms tick） */
+    s_pwm_phase_ms += 10U;
+    if (s_pwm_phase_ms >= HEATER_PWM_PERIOD_MS) {
+        s_pwm_phase_ms = 0U;
+    }
+
+    /* PID 周期分频 */
+    s_pid_divider += 10U;
+    if (s_pid_divider >= HEATER_PID_PERIOD_MS) {
+        s_pid_divider = 0U;
+        pid_compute();
+        if (s_duty10 != prev_duty) {
+            s_pwm_phase_ms = 0U;     /* 占空变更：从新周期起点开始，响应即时 */
+        }
+    }
+
+    /* 按占空档位输出：0 档常关、10 档常开、其余按相位斩波 */
+    uint16_t on_ms = (uint16_t)s_duty10 * (HEATER_PWM_PERIOD_MS / 10U);
+    if (s_duty10 == 0U) {
+        heat_out(false);
+    } else if (s_duty10 >= 10U) {
+        heat_out(true);
+    } else {
+        heat_out(s_pwm_phase_ms < on_ms);
+    }
+}
+
+void heat_set_enable(bool on) {
+    if (s_enable == on) return;      /* 幂等 */
+    s_enable = on;
+    if (!on) {
+        s_duty10 = 0;
+        pid_reset();
+        heat_out(false);
+    }
+}
+
+bool heat_get_enable(void) {
+    return s_enable;
+}
+
+void heat_set_target(float temp_c) {
+    s_target = temp_c;
+}
+
+float heat_get_target(void) {
+    return s_target;
+}
+
+uint8_t heat_get_duty(void) {
+    return s_duty10;
+}