433_STM32/Core/Src/io_monitor.c

/**
  ******************************************************************************
  * @file    io_monitor.c
  * @brief   IO状态监控模块实现
  * @author  Application Layer
  * @version 1.2
  ******************************************************************************
  * @attention
  * 本模块实现四路数字输入的状态监控
  * 关键特性：
  * 1. 10ms定时扫描，平衡响应速度和CPU占用
  * 2. 软件去抖，连续3次相同状态才确认变化
  * 3. 状态变化时通过回调函数上报，支持多端口路由
  *
  * 修订历史：
  * v1.2 - 增加事件回调机制，支持多端口路由
  * v1.1 - 修复审查报告中危-5：去抖计数器初始化优化
  ******************************************************************************
  */

#include "io_monitor.h"
#include "uart2_print.h"
#include "multi_uart_router.h"
#include "main.h"
#include <string.h>

/*==============================================================================
 * 调试宏定义
 *============================================================================*/
/* DEBUG_IO_MONITOR: 调试日志开关，置1时启用调试输出，置0时禁用 */
#define DEBUG_IO_MONITOR  1

#if DEBUG_IO_MONITOR
/* 调试日志宏，带模块前缀"[IO]"方便在串口调试终端中过滤日志 */
#define DEBUG_LOG(fmt, ...)  UART2_Print_Printf("[IO] " fmt "\r\n", ##__VA_ARGS__)
#else
/* 禁用调试日志时，将宏定义为空，避免生成无用代码 */
#define DEBUG_LOG(fmt, ...)
#endif

/*==============================================================================
 * 数据结构定义
 *============================================================================*/
/**
  * @brief  IO通道数据结构
  * @note   用于描述一个数字输入通道的完整状态信息
  *
  * 设计目的：
  *   该结构体封装了监控单个数字输入(DI)通道所需的全部状态信息，包括
  *   硬件连接参数(GPIO端口和引脚)、当前稳定状态、去抖计数器、原始采样状态
  *   以及状态变化统计。这使得多通道扫描逻辑能够以统一的结构处理每个通道。
  *
  * 字段说明：
  *   - port: GPIO端口指针，指向硬件寄存器(如GPIOB)
  *   - pin: GPIO引脚编号(如GPIO_PIN_4)，用于HAL库读取函数
  *   - current_state: 经过去抖处理后的稳定状态，0=低电平，1=高电平
  *   - debounce_counter: 去抖计数器，累加相同采样值的次数，达到阈值才确认状态变化
  *   - last_raw_state: 上一次采样的原始电平状态，用于检测电平变化
  *   - change_count: 状态变化总次数统计，用于诊断和监控
  */
typedef struct {
    GPIO_TypeDef *port;        /**< GPIO端口指针，指向外设寄存器基地址 */
    uint16_t pin;              /**< GPIO引脚编号，对应HAL库的引脚定义 */
    uint8_t  current_state;    /**< 经去抖处理后的稳定状态，0=低电平，1=高电平 */
    uint8_t  debounce_counter; /**< 去抖计数器，连续采样到相同值的次数 */
    uint8_t  last_raw_state;   /**< 上一次采样的原始电平，用于变化检测 */
    uint32_t change_count;     /**< 状态变化累计次数，用于性能监控 */
} io_channel_t;

/*==============================================================================
 * 全局变量定义
 *============================================================================*/
/**
  * @brief  四路数字输入通道配置表
  * @note   静态初始化表，定义四个监控通道的GPIO硬件连接
  *
  * 各通道映射关系：
  *   - 通道0: GPIOB, GPIO_PIN_4
  *   - 通道1: GPIOB, GPIO_PIN_5
  *   - 通道2: GPIOB, GPIO_PIN_6
  *   - 通道3: GPIOB, GPIO_PIN_7
  *
  * 初始化值说明：所有状态和计数器均初始化为0，表示上电初始状态未知
  */
static io_channel_t di_channels[IO_CHANNEL_COUNT] = {
    {GPIOB, GPIO_PIN_4, 0, 0, 0, 0},
    {GPIOB, GPIO_PIN_5, 0, 0, 0, 0},
    {GPIOB, GPIO_PIN_6, 0, 0, 0, 0},
    {GPIOB, GPIO_PIN_7, 0, 0, 0, 0}
};

/**
  * @brief  上一次扫描时刻的时间戳
  * @note   用于实现10ms固定间隔扫描，避免每次都执行扫描操作
  *         HAL_GetTick()返回系统运行毫秒数
  */
static uint32_t last_scan_tick = 0;

/**
  * @brief  事件上报使能标志
  * @note   置true时允许状态变化自动上报，置false时禁止上报
  *         可用于批量操作时临时抑制不必要的事件通知
  */
static bool report_enabled = true;

/**
  * @brief  IO事件回调函数指针
  * @note   设置后，IO状态变化将通过回调函数上报
  *         为NULL时使用默认的UART2_Print_String输出
  */
static io_event_callback_t g_event_callback = NULL;

/*==============================================================================
 * 内部静态函数声明
 *============================================================================*/
/**
  * @brief  计算异或校验和
  * @note   对输入数据的每个字节执行异或运算，生成校验码
  *         用于DI_EVENT消息的校验和计算
  *
  * @param  data: 待计算校验和的数据缓冲区(输入)
  * @param  len:  数据长度，以字节为单位(输入)
  * @return 校验和: uint8_t类型的异或结果
  *
  * 算法原理：遍历数据缓冲区，将每个字节与累加器进行异或操作
  *           初始值为0，最终结果为所有字节的异或和
  */
static uint8_t calc_checksum(const char *data, uint8_t len);

/**
  * @brief  发送DI状态变化事件
  * @note   构造并发送ASCII格式的状态变化消息至UART2
  *         消息格式: $DI_EVENT,<channel>,<state>*<checksum>\r\n
  *
  * @param  channel: 通道编号，从0开始计数(输入)
  * @param  state: 通道状态，0=低电平，1=高电平(输入)
  * @return 无返回值
  *
  * 调用说明：
  *   - 此函数在状态变化被确认后调用，用于通知上位机或日志系统
  *   - 内部会调用calc_checksum计算校验和
  *   - 通过UART2_Print_String发送原始字符串
  */
static void send_di_event(uint8_t channel, uint8_t state);

/*==============================================================================
 * 内部静态函数实现
 *============================================================================*/
/**
  * @brief  计算异或校验和
  * @note   对输入数据的每个字节执行异或运算，生成校验码
  *         用于DI_EVENT消息的校验和计算
  *
  * @param  data: 待计算校验和的数据缓冲区(输入)
  * @param  len:  数据长度，以字节为单位(输入)
  * @return 校验和: uint8_t类型的异或结果
  *
  * 算法原理：遍历数据缓冲区，将每个字节与累加器进行异或操作
  *           初始值为0，最终结果为所有字节的异或和
  */
static uint8_t calc_checksum(const char *data, uint8_t len)
{
    uint8_t cs = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        cs ^= (uint8_t)data[i];
    }
    return cs;
}

/**
  * @brief  发送DI状态变化事件
  * @note   构造并发送ASCII格式的状态变化消息
  *         消息格式: $DI_EVENT,<channel>,<state>*<checksum>\r\n
  *         如果设置了回调函数，则通过回调发送；否则发送到UART2
  *
  * @param  channel: 通道编号，从0开始计数(输入)
  * @param  state: 通道状态，0=低电平，1=高电平(输入)
  * @return 无返回值
  *
  * 调用说明：
  *   - 此函数在状态变化被确认后调用，用于通知上位机或日志系统
  *   - 内部会调用calc_checksum计算校验和
  *   - 如果设置了回调函数，则通过回调发送；否则通过UART2_Print_String发送
  */
static void send_di_event(uint8_t channel, uint8_t state)
{
    char msg[32];
    uint8_t cs;

    /* 构造消息主体，channel+1将0-base转换为1-base的用户可见编号 */
    int len = snprintf(msg, sizeof(msg), "$DI_EVENT,%d,%d*", channel + 1, state);

    /* 计算异或校验和，跳过'$'符号只对正文部分计算 */
    cs = calc_checksum(msg + 1, len - 1);

    /* 将校验和追加到消息末尾，格式为两位十六进制数 */
    snprintf(msg + len, sizeof(msg) - len, "%02X\r\n", cs);

    /* 输出调试日志到UART2，记录状态变化 */
    DEBUG_LOG("CH%d -> %s", channel + 1, state ? "HIGH" : "LOW");
    
    /* 向UART1(RF433)发送状态变化事件 */
    MultiUART_SendString(PORT_UART1, msg);

    /* 输出完整消息到UART2，方便调试查看 */
    DEBUG_LOG("RF433 TX: \"%s\"", msg);
    
    /* 如果设置了回调函数，也通过回调发送 */
    if (g_event_callback != NULL) {
        g_event_callback(channel, state, msg);
    }
}

/*==============================================================================
 * 公共函数实现
 *============================================================================*/
/**
  * @brief  IO监控模块初始化
  * @note   在系统启动时调用，初始化所有数字输入通道的默认状态
  *
  * @param  无
  * @return 无
  *
  * 功能说明：
  *   1. 读取各通道GPIO引脚的当前电平状态
  *   2. 初始化去抖计数器为1(已稳定采样一次)
  *   3. 重置变化计数器和扫描时间戳
  *   4. 使能事件上报功能
  *
  * 初始化策略：
  *   - 去抖计数器初始化为1而非0，这样首次采样时只需再连续采样2次
  *     即可确认状态，相比初始化为0可加快首次状态确认速度
  */
void IO_Monitor_Init(void)
{
    /* 遍历所有IO通道进行初始化 */
    for (int i = 0; i < IO_CHANNEL_COUNT; i++) {
        io_channel_t *ch = &di_channels[i];

        /* 读取GPIO当前电平，HAL_GPIO_ReadPin返回GPIO_PinState类型 */
        ch->current_state = HAL_GPIO_ReadPin(ch->port, ch->pin) ? 1 : 0;
        /* 记录原始状态作为上次采样值 */
        ch->last_raw_state = ch->current_state;
        /* 去抖计数器初始化为1，已完成首次稳定采样 */
        ch->debounce_counter = 1;
        /* 变化计数清零 */
        ch->change_count = 0;
    }

    /* 初始化扫描时间戳为0，确保首次扫描立即执行 */
    last_scan_tick = 0;
    /* 使能自动上报功能 */
    report_enabled = true;

    /* 输出初始化完成日志，显示初始各通道状态掩码 */
    DEBUG_LOG("Init OK, initial states: 0x%02X", IO_Monitor_GetAllStates());
}

/**
  * @brief  IO监控定时任务
  * @note   应在主循环或定时器中断中周期性调用，执行扫描和去抖处理
  *
  * @param  无
  * @return 无
  *
  * 算法说明 - 软件去抖三段式状态机：
  *   阶段1: 采样值与上次相同 -> 计数器累加
  *   阶段2: 采样值与上次不同 -> 重置计数器并更新上次值
  *   阶段3: 计数器达到阈值(IO_DEBOUNCE_COUNT)且与当前稳定状态不同
  *          -> 确认状态变化，更新current_state，触发事件上报
  *
  * 去抖阈值说明：
  *   - IO_DEBOUNCE_COUNT通常定义为3，表示连续3次采样相同才确认
  *   - 结合IO_SCAN_PERIOD_MS(10ms)，去抖确认时间为20-30ms
  *   - 可有效滤除机械开关的抖动噪声
  */
void IO_Monitor_Task(void)
{
    /* 获取当前系统时间戳(毫秒) */
    uint32_t current_tick = HAL_GetTick();

    /*----------------------------------------------------------
     * 扫描周期控制
     * 仅当距上次扫描超过IO_SCAN_PERIOD_MS时才执行新扫描
     * 这种节流机制可避免高频调用时CPU资源浪费
     *----------------------------------------------------------*/
    if (current_tick - last_scan_tick < IO_SCAN_PERIOD_MS) {
        return;
    }
    /* 更新扫描时间戳 */
    last_scan_tick = current_tick;

    /*----------------------------------------------------------
     * 遍历所有通道执行去抖扫描
     *----------------------------------------------------------*/
    for (int i = 0; i < IO_CHANNEL_COUNT; i++) {
        io_channel_t *ch = &di_channels[i];

        /* 读取GPIO引脚当前电平，转换为0/1表示 */
        uint8_t raw_state = HAL_GPIO_ReadPin(ch->port, ch->pin) ? 1 : 0;

        /*----------------------------------------------------------
         * 去抖逻辑分支
         *----------------------------------------------------------*/
        if (raw_state != ch->last_raw_state) {
            /* 分支1: 采样值发生变化 -> 重置去抖计数器 */
            ch->debounce_counter = 0;
            ch->last_raw_state = raw_state;
        } else {
            /* 分支2: 采样值与上次相同 -> 累加去抖计数器 */
            if (ch->debounce_counter < IO_DEBOUNCE_COUNT) {
                ch->debounce_counter++;
            }
            /* 分支3: 计数器达到阈值且与稳定状态不一致 -> 确认状态变化 */
            else if (ch->current_state != raw_state) {
                /* 更新为新确认的稳定状态 */
                ch->current_state = raw_state;
                /* 增加变化统计计数 */
                ch->change_count++;

                /* 事件上报(已使能情况下) */
                if (report_enabled) {
                    send_di_event(i, raw_state);
                }
            }
        }
    }
}

/**
  * @brief  获取指定通道的当前状态
  * @note   返回经过去抖处理后的稳定状态值
  *
  * @param  channel: 通道编号，从0开始计数(输入)
  * @return 通道状态: 0=低电平，1=高电平，通道无效时返回0
  *
  * 使用说明：
  *   - 通道编号超出有效范围(0-3)时静默返回0，不报错
  *   - 返回的是已去抖的稳定状态，非原始采样值
  */
uint8_t IO_Monitor_GetState(uint8_t channel)
{
    /* 参数边界检查，超出范围的通道返回0 */
    if (channel >= IO_CHANNEL_COUNT) {
        return 0;
    }
    return di_channels[channel].current_state;
}

/**
  * @brief  获取所有通道状态的组合掩码
  * @note   将四路通道状态打包为一个字节返回，方便批量读取和显示
  *
  * @param  无
  * @return 通道状态掩码: uint8_t类型，每位对应一个通道状态
  *
  * 位域定义：
  *   - bit0: 通道0状态
  *   - bit1: 通道1状态
  *   - bit2: 通道2状态
  *   - bit3: 通道3状态
  *
  * 示例：返回0x05(0101b)表示通道0=高、通道1=低、通道2=高、通道3=低
  */
uint8_t IO_Monitor_GetAllStates(void)
{
    uint8_t states = 0;

    /* 遍历所有通道，将各通道状态按位组合成掩码 */
    for (int i = 0; i < IO_CHANNEL_COUNT; i++) {
        if (di_channels[i].current_state) {
            states |= (1 << i);
        }
    }
    return states;
}

/**
  * @brief  设置事件上报使能状态
  * @note   可用于在批量操作或初始化过程中临时抑制事件上报
  *
  * @param  enable: true=使能上报，false=禁用上报(输入)
  * @return 无
  *
  * 使用场景：
  *   - 系统初始化期间不希望产生大量事件，可先禁用再恢复
  *   - 批量设置多个通道状态时，可先禁用避免中间状态触发事件
  */
void IO_Monitor_EnableReport(bool enable)
{
    report_enabled = enable;
    DEBUG_LOG("Report %s", enable ? "enabled" : "disabled");
}

/**
  * @brief  获取指定通道的状态变化次数
  * @note   用于诊断和性能监控，统计各通道状态变化频率
  *
  * @param  channel: 通道编号，从0开始计数(输入)
  * @return 变化次数: uint32_t类型，通道无效时返回0
  *
  * 使用说明：
  *   - 变化次数从模块初始化后开始累计
  *   - 可用于检测某通道是否频繁触发或存在故障(如开关抖动)
  */
uint32_t IO_Monitor_GetChangeCount(uint8_t channel)
{
    /* 参数边界检查，超出范围返回0 */
    if (channel >= IO_CHANNEL_COUNT) {
        return 0;
    }
    return di_channels[channel].change_count;
}

/**
  * @brief  设置IO事件回调函数
  * @note   设置后，IO状态变化将通过回调函数上报
  *
  * @param  callback: 回调函数指针，NULL则使用默认UART2输出(输入)
  * @return 无
  *
  * 使用说明：
  *   - 设置回调后，send_di_event()将通过回调发送事件
  *   - 传入NULL恢复默认UART2输出方式
  *   - 回调函数原型: void callback(uint8_t channel, uint8_t state, const char *event_msg)
  */
void IO_Monitor_SetEventCallback(io_event_callback_t callback)
{
    g_event_callback = callback;
    DEBUG_LOG("Event callback %s", callback ? "set" : "cleared");
}