FilmForge/Src/heat.c

/**
 * @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，外部设定值） */
static float s_ramp_target = 0.0f;   /* 内部斜坡目标（以 HEATER_RAMP_CPS 滑向 s_target） */
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;
    }

    /* 目标斜坡：内部设定值以受限速率滑向 s_target。
       满功率爬升段 ramp 超前于实际温升（不受影响）；接近目标后 ramp 先到站停住，
       误差随实际温度逼近而平滑收缩 -> 功率缓退，抑制热传导滞后造成的过冲。 */
    float diff = s_target - s_ramp_target;
    float step = HEATER_RAMP_CPS * (HEATER_PID_PERIOD_MS / 1000.0f);
    if (diff > step) {
        s_ramp_target += step;
    } else if (diff < -step) {
        s_ramp_target -= step;
    } else {
        s_ramp_target = s_target;
    }

    /* 位置式 PID（带抗积分饱和）：输出饱和时积分仅沿退饱和方向更新，
       防止升温段积分顶满后长时间维持 100% 输出（此前实测目标 50℃ 冲到 59℃） */
    float err = s_ramp_target - t;
    float u_noi = HEATER_PID_KP * err
                + HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err);   /* 比例 + 微分 */
    float integ_new = s_integral + err;
    /* 超温区间（实际温度高于内部目标）：加热器只能加热、不能制冷，
       输出必须为 0（此前积分正残量会算出小占空在超调段续灌加热）；
       积分按负误差同步回退，为温度回落后的重新加热保留正确初始态 */
    if (err < 0.0f) {
        s_integral = integ_new;
        s_prev_err = err;
        s_duty10 = 0;
    } else {
        /* 误差为正（未达/低于内部目标）：正常 PID + 抗积分饱和 */
        float u = u_noi + HEATER_PID_KI * integ_new;
        if (u > 100.0f) {
            u = 100.0f;
            /* 超上限：仅误差为负才吸收——err>=0 分支不会发生，保持积分不动 */
        } else {
            s_integral = integ_new;
        }
        /* 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);
    }
    s_prev_err = err;
}

/******************************************************************************/
/* 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) {
        /* 从当前实际温度起坡，避免内部目标从 0 跳变造成功率冲击 */
        s_ramp_target = ntc_get_temperature();
        if (s_ramp_target < 0.0f) {
            s_ramp_target = 0.0f;    /* 传感器故障标记值非法，退化为 0 */
        }
    } else {
        s_ramp_target = 0.0f;
        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;
}