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DLD154V4B 技术规格书

单路线圈车辆检测器 | 固件版本: V1.5 | 文档版本: V1.0
本文档面向工程开发、系统集成、通信协议对接及故障深度分析

1. 系统架构

1.1 硬件架构

                    ┌──────────────────────────────────┐
   线圈 ────────────┤ PA7 (TIM3_CH2)   AT32F421F8P7    │
                    │   输入捕获          Cortex-M4      ├──── PB1 (TMR14 PWM) ──── 红灯
                    │                  120MHz / 64KB    │
   DIP ×5 ─────────┤ PA0~PA4 (GPIO)                    ├──── PA9 (GPIO) ──────── 绿灯
                    │                                   │
   RS485 ◄─────────┤ USART (外部 PHY)                   ├──── PA10 (GPIO) ─────── 黄灯
                    │                                   │
                    │                      PA5 (GPIO) ──┼──── RLY2 继电器
                    │                      PA6 (GPIO) ──┼──── RLY1 继电器
                    │                                   │
                    │   SWD (PA13/PA14) ────────────────┼──── 调试接口
                    └──────────────────────────────────┘

1.2 软件架构

FreeRTOS Kernel (CMSIS-RTOS v2)
├── loop_task (主检测任务)
│   ├── vd1_task() — 每 5ms tick 执行
│   │   ├── IIR 滤波 (ALFA_CAP1 = 79/256)
│   │   ├── 基线跟踪 (100 窗口滑动平均)
│   │   ├── 进入/离开检测
│   │   ├── 时序状态机 (IN/OUT/PULSE/HOLD)
│   │   └── 平坦性离开判定 (CN200910309382)
│   ├── poll_sw_state() — 拨码去抖
│   ├── poll_green_led() — 绿灯驱动
│   └── poll_yellow_led() — 黄灯故障编码
├── TMR3_ISR() — 线圈频率捕获
├── TMR15_ISR() — 5ms 系统 tick (LED 驱动)
└── TMR14_PWM() — 红灯呼吸

2. 电气参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位	备注
供电电压 (VDD)	10	12 / 24	30	V	宽压输入
功耗	—	0.5	2	W	含继电器吸合
工作温度	-40	—	+85	°C	工业级
存储温度	-55	—	+125	°C	—
线圈电感范围	50	200	1000	μH	超出范围可工作但精度下降
线圈频率范围	30	100	200	kHz	—
线圈 Q 值	5	—	—	—	过低导致振荡不稳定
继电器触点电压	—	—	250	VAC	—
继电器触点电流	—	—	3	A	—
GPIO 输出电压	0	3.3	3.6	V	CMOS 电平
GPIO 输出电流	—	—	25	mA	单引脚最大
ESD 防护	±2	—	—	kV	HBM

3. IO 引脚分配

3.1 完整引脚表

引脚	标识	功能	方向	外设	初始状态	备注
PA0	SA_1	灵敏度 bit0	IN	GPIO, 上拉	—	DIP 开关
PA1	SA_2	灵敏度 bit1	IN	GPIO, 上拉	—	DIP 开关
PA2	SW_3	存在/脉冲选择	IN	GPIO, 上拉	—	0=存在, 1=脉冲
PA3	SW_4	延时使能	IN	GPIO, 上拉	—	0=无, 1=2s
PA4	SW_5	安全复位	IN	GPIO, 上拉	—	1=复位
PA5	RLY2	继电器 2	OUT	GPIO PP	0 (开路)	辅助输出
PA6	RLY1	继电器 1	OUT	GPIO PP	0 (开路)	主输出
PA7	LP	线圈频率捕获	IN	TIM3_CH2	—	核心输入
PA9	LEDA	绿灯	OUT	GPIO PP	0 (灭)	有车/自检
PA10	LEDC	黄灯	OUT	GPIO PP	0 (灭)	故障诊断
PB1	LEDA_RED	红灯	ALT	TMR14_CH1 PWM	—	呼吸灯
PA13	SWDIO	调试数据	I/O	SWD	—	仅调试
PA14	SWCLK	调试时钟	IN	SWD	—	仅调试

3.2 拨码开关逻辑

// DIP 开关读取与解码
SENS = 3 - (sw & 0x03);
// SA_2:SA_1 = 11 → SENS = 0 (低灵敏)
// SA_2:SA_1 = 10 → SENS = 1
// SA_2:SA_1 = 01 → SENS = 2
// SA_2:SA_1 = 00 → SENS = 3 (最高灵敏)

SET_PLUS = (sw >> 2) & 0x01;   // PA2 = SW_3
SET_DLY  = (sw >> 3) & 0x01;   // PA3 = SW_4
SET_SAFE = (sw >> 4) & 0x01;   // PA4 = SW_5

拨码去抖：连续 5 次读取一致才生效（对齐 M1H 参考实现）。

4. 检测算法

4.1 频率测量

4.1.1 硬件链路

DLD154V4B 不使用 CD4060 外部分频芯片。线圈直接驱动 PA7 (TIM3_CH2)，利用 AT32F421 内置 TIM3 输入分频器 DIV_2 (÷2)。

对比项	M1H/TLD-110	DLD154V4B
外部分频	CD4060 Pin5 (÷32)	无（直连）
MCU 内部分频	无	TIM3 DIV_2 (÷2)
总分频比	÷32	÷2
中断率 @100kHz	~3.1k/s	50k/s
CPU 占用 @120MHz	—	< 3%

4.1.2 捕获流程

线圈边沿 → PA7 (TIM3_CH2)
       │
       ▼
TIM3 自由运行 (16-bit, 120MHz/DIV_2 = 60MHz 时钟)
  └─ 每个边沿 → CH2 捕获 → 读 CCR2
       │
       ▼
TMR3 ISR:
  CCR2_now → 存为 CapThis
  Xn = CapThis - CapLast          (相邻边沿周期差)
  处理 16-bit 溢出: if (Xn & 0x8000) Xn += 0x10000
  CapLast = CapThis
       │
       ▼
  LPCNT = MEASUREMENT_BASE / Xn   (自适应窗口)
  CapSum += Xn
  CapCnt++
       │
  CapCnt >= LPCNT ?
    YES → Value = CapSum          (≈ MEASUREMENT_BASE)
           CapCnt = CapSum = 0
           loop1_CAP_OK = 1       (通知 vd1_task)

4.1.3 关键常量

#define MEASUREMENT_BASE  131072       // 2^17
#define g_input_div       2            // TIM3 DIV_2

线圈频率	Xn @DIV_2	LPCNT	测量窗口	Value 范围
50 kHz	1200	109	2.2 ms	~130800
100 kHz	600	218	2.2 ms	~130800
150 kHz	400	328	2.2 ms	~131200
200 kHz	300	437	2.2 ms	~131100

设计要点：LPCNT 自适应使不同频率下 Value 归一化到 ~131072，百分比阈值（灵敏度）直接适用，无需频率补偿。

4.1.4 精度陷阱（已修复）

旧代码存在 <<6 和 >>6 互相抵消的精度浪费：

旧: LPCNT = (32768 << 6) / Xn = 437   → 窗口 17.5ms
     Value >>= 6                       → 等效 7 样本精度
新: LPCNT = 131072 / Xn = 27~54        → 窗口 ~1ms
     不做右移                           → 全样本精度

改进效果：响应速度提升 16 倍，精度保留全部采样信息。

4.2 IIR 滤波

// α = Flt_Reg / 256 = 79 / 256 ≈ 0.3086
if (Value > CAPVD)
    CAPVD += ((Value - CAPVD) * 79) >> 8;
else
    CAPVD -= ((CAPVD - Value) * 79) >> 8;

参数	值	说明
α	79/256 ≈ 0.3086	指数平滑系数
响应速度	~3 次达 63%	~15ms @5ms tick
噪声抑制	良好	单次野值影响 < 31%

4.3 检测判据

4.3.1 灵敏度表

const uint16_t SensTable[4]   = {216, 108,  36,  10};  // 进入阈值
const uint16_t SensTable_1[4] = {108,  72,  18,   9};  // 离开阈值（滞回 ~50%）

SENS	SensTable	进入阈值 (×Origin/65536)	SensTable_1	离开阈值 (×Origin/65536)
0 (低)	216	0.33%	108	0.16%
1	108	0.16%	72	0.11%
2	36	0.055%	18	0.027%
3 (高)	10	0.015%	9	0.014%

4.3.2 进入检测

dlt_ORG = (Origin * SensTable[SENS]) >> 16;   // /65536
if (CAPVD > Origin + dlt_ORG) {
    // 频率上升超过阈值 → 有车
    // 进入 IN_DELAY (500ms) 防抖
}

注：有车时线圈电感减小 → 频率上升 → CAPVD > Origin。公式为 CAPVD > Origin + dlt_ORG（判定上升量）。

4.3.3 离开检测（滞回）

模式 1：简单防抖 (USE_FLATNESS_EXIT=0)

dlt_ORG = (Origin * SensTable_1[SENS]) >> 16;    // 更小的离开阈值
if (CAPVD < Origin + dlt_ORG) {
    if (++cnt_release >= 3) {                     // 连续 3 次确认
        VD_FLAG = 0; FLAG_OUT = 1;
    }
} else {
    cnt_release = 0;                               // 回落立即重置
}

模式 2：平坦性判定 (USE_FLATNESS_EXIT=1) — 默认

基于专利 CN200910309382（中山大学），解决大车通行时频率多峰导致的多次误触发。

算法架构：

车辆到达 → 单一阈值法 (沿用 SensTable)
    │
    ▼ Phase 1: g_exit_state = 0 (追踪第一上升坡面)
    │   追踪最大 |f'| 和 |f''|
    │   当 |f'| 连续 3 次 < SLOPE_FLAT_THRESH:
    │     Δ2 = max_slope / K1       (一阶平坦阈值)
    │     Δ3 = max_slope_rate / K2  (二阶平坦阈值)
    │     g_exit_state = 1
    │
    ▼ Phase 2: g_exit_state = 1 (平坦性判定)
      三条件同时满足:
      ① |f - f_b| < dlt_ORG        (频率回归基频)
      ② |f'| < Δ2                   (一阶导数近零)
      ③ |f''| < Δ3                  (二阶导数近零)
    │
    连续 FLAT_CONFIRM_CNT(3) 次全部满足 → 车辆离开

参数表：

常量	值	含义
K1, K2	8	动态阈值除数（专利推荐值）
SLOPE_FLAT_THRESH	100	斜率趋零判断阈值
MIN_DELTA2	5	Δ2 下限（防除数过小）
MIN_DELTA3	2	Δ3 下限
FLAT_CONFIRM_CNT	3	平坦确认次数

整数化适配： 专利原实现用 float（Hz 频率值），DLD154V4B 用 uint32 定点（Origin ≈ 131K）。导数计算用 int32 整数差分，阈值 /K1、/K2 做整数除法，精度足够。

4.4 基线跟踪

// 有车时冻结，无车时 100 窗口滑动平均
if (!VD_FLAG && !FLAG_OUT) {
    if (CAPVD - Origin < dlt_ORG * 4) {    // Origin 污染保护
        ORG_SUM += CAPVD;
        if (++ORG_CNT >= 100) {
            Origin = ORG_SUM / 100;
            ORG_SUM = ORG_CNT = 0;
        }
    } else {
        // 冻结：CAPVD 偏离 Origin 超过进入阈值的 4 倍
        ORG_SUM = ORG_CNT = 0;
    }
}

设计决策	原因
有车时冻结基线	防止把车辆的影响"学"进基线（仿 TLD-110）
100 窗口跟踪	缓慢跟踪温漂，但不响应车辆
4× 冻结阈值	防止异常 CAPVD 上升污染基线（V1.5 新增）

4.5 Origin 污染保护（V1.5）

问题：实测发现车辆驶入时 Xn 偶尔先增大再减小。无车状态下 Origin 跟踪上升被污染到虚高值，导致离开时 |f - f_b| 远超阈值 → 绿灯常亮、永远不释放。

修复：基线跟踪前增加保护条件：

// 仅当 CAPVD 偏离 Origin < dlt_ORG × 4 时才更新基线
// 超出则冻结+重置累计
if (CAPVD - Origin < dlt_ORG * 4)
    update_moving_average(...);
else
    freeze();

场景	Origin	CAPVD	dev	4×阈值	结果
正常无车	127080	127081	+1	276	跟踪 ✓
异常上升	127085	127884	+799	276	冻结 ✓

5. 时序状态机

5.1 状态转移

                       IN_DELAY=10               OUT_DELAY=38
     [空闲] ──有车──→ [进入延时] ──超时──→ [有车确认]
        ↑                                         │
        │                                   车辆离开
        │                                         ↓
        └──脉冲结束───── [脉冲输出] ←──超时── [离开延时]
                         PULSE_DELAY=19

5.2 时序参数

参数	Tick (50ms)	时间	说明
IN_DELAY	10	500 ms	进入确认防抖
OUT_DELAY	38	1.9 s	离开确认防抖
PULSE_DELAY	19	950 ms	脉冲输出宽度
HOLD_TIME	5×1200	~5 min	有限存在超时
LC_HOLD_TIME	4×1200	~4 min	安全复位超时
STABLE_SAMPLES	128 tick	~128 ms	上电稳定期

5.3 系统 Tick 来源

TMR15 每 5ms 产生一次中断，TM1cnt 计数到 10 后触发 vd1_task（50ms 周期）。TMR15 ISR 同时驱动 LED。

6. 指示灯状态机

6.1 三 LED 驱动架构

TMR15 ISR (每 5ms)
├── 红灯 PB1 — TMR14 PWM 呼吸（硬件自主，不需软件干预）
├── 绿灯 PA9 — poll_green_led() 每 tick 更新
└── 黄灯 PA10 — poll_yellow_led() 每 tick 更新

设计原则：三 LED 由 TMR15 ISR 统一驱动，单点控制。vd1_task 只设标志位，ISR 据此刷新硬件。

6.2 绿灯行为表

void poll_green_led(void) {
    if (loop1_INI_LOOP || !g_loop_stable) {
        // 自检 / 稳定期：慢闪 200ms
        blink_200ms();
    } else if (g_disconnect_active) {
        // 当前断开中：强制灭
        LEDA_OFF;
    } else if (VD_FLAG || FLAG_IN || FLAG_OUT) {
        // 有车 / 进入 / 离开延时中：亮
        LEDA_ON;
    } else {
        // 无车：灭
        LEDA_OFF;
    }
}

6.3 黄灯行为表

条件	行为	参数	诊断含义
`g_disconnect_active == 1`	快闪	200ms 亮 / 200ms 灭	线圈当前断开中
`!g_loop_power_up_state`	快闪	200ms 亮 / 200ms 灭	上电后从未连接线圈
`g_disconnect_count == 1`	1 短闪	80ms 亮 / 200ms 灭 → 1.2s 灭（循环）	断开 1 次，已恢复
`g_disconnect_count == 2`	2 短闪	同上	断开 2 次
`g_disconnect_count >= 3`	3 短闪	同上	断开 3+ 次
正常	灭	—	一切正常

void poll_yellow_led(void) {
    if (g_disconnect_active || !g_loop_power_up_state)
        fast_blink_200ms();           // 断开中快闪
    else if (g_disconnect_count > 0)
        n_short_flash(g_disconnect_count);  // N 短闪编码
    else
        led_off();                    // 正常
}

注意："上电后不接线，之后再接线圈"不计入断开次数（g_loop_power_up_state 控制）。只有已连接过的线圈断开才计入 g_disconnect_count。

7. 上电稳定期

7.1 背景

Origin 首次确立后，线圈振荡未真正稳定。立即启用检测容易误判为有车（绿灯常亮）。

7.2 实现

#define STABLE_SAMPLES  128   // ~128ms

if (!g_loop_stable) {
    // 仅跟踪基线，不检测车辆
    update_moving_average(&ORG_SUM, &ORG_CNT, &Origin, CAPVD, 100);
    if (++_stable_cnt >= STABLE_SAMPLES)
        g_loop_stable = 1;    // 稳定确认，正式启用检测
    return;                    // 跳过进入/离开判断
}

稳定期间绿灯继续慢闪（poll_green_led 条件包含 !g_loop_stable）。安全复位时 loop1_LC_Reset 重置 g_loop_stable = 0。

8. 线圈重连逻辑

8.1 设计目标

断开时不丢 VD_FLAG（车辆仍在线圈上方），重连后快速收敛 IIR。

8.2 状态机

断开检测: loop1_RF_FLAG == 0 (没有收到边沿)
    ├─ loop1_LOOP_OK = 0
    ├─ g_disconnect_active = 1
    ├─ g_disconnect_count++    (≤3)
    ├─ 保留 loop1_VD_FLAG     ← 关键：不丢有车状态
    ├─ 关断继电器输出
    └─ 绿灯强制灭

重连检测: loop1_RF_FLAG == 1 (重新收到边沿)
    ├─ loop1_LOOP_OK = 1
    ├─ g_disconnect_active = 0
    ├─ loop1_CAPVD = 0        ← 触发快速收敛
    └─ vd1_task: CAPVD == 0 → CAPVD = Value (直锁首个样本)

8.3 断开-重连场景矩阵

断开前	断开期间	重连后	VD_FLAG	绿灯	继电器
有车	车仍在	车仍在	1 → 保持	恢复亮	恢复输出
有车	车离开	无车	1 → cnt_release→3 → 0	灭	释放
无车	车进入	有车	0 → CAPVD>Origin+dlt → 1	亮	吸合

9. 通信协议 (RS485)

9.1 物理层

参数	值
接口	RS485 半双工
波特率	9600（默认）
数据位	8
停止位	1
校验	无
终端电阻	120Ω（外部）

9.2 协议格式

协议详细定义待后续版本补充。当前版本支持基本状态查询和灵敏度设置。

10. 故障检测

10.1 检测项

检测项	判定条件	触发动作
线圈断开	`loop1_RF_FLAG == 0` 持续	黄灯快闪 / 继电器释放
线圈短路	Xn 持续为 0 或极小	黄灯快闪 / 继电器释放
频率过低	Value 持续 < MIN_FREQ	黄灯编码闪烁
频率过高	Value 持续 > MAX_FREQ	黄灯编码闪烁

10.2 黄灯编码设计

断开次数编码提供了比 TLD-110 的均匀闪烁更丰富的诊断信息：

快闪=当前故障 → 现场立即处理
N短闪=历史故障 → 判断是偶发还是持续问题

11. 代码架构

11.1 目录结构

DLD154V4B/
├── utilities/at32f421_freertos_demo/
│   ├── src/
│   │   └── TaskLoop.c          # 主检测逻辑 (~868 行 V1.5)
│   ├── inc/
│   │   └── TaskLoop.h          # 全局变量和函数声明
│   └── ...                     # FreeRTOS + HAL 框架
├── docs/
│   ├── product-manual.md       # 产品手册
│   ├── technical-spec.md       # 本文档
│   ├── devlog.md               # 开发日志
│   └── reference_analysis.md   # M1H/TLD-110 参考分析
└── README.md

11.2 代码精简历程

版本	代码量	说明
原始	~1177 行	包含二阶滤波、FltHistoryManager 等死代码
V1.1	~706 行	精简重构，-40%
V1.5	~868 行	增加平坦性判定、污染保护

删除的死代码：

二阶差分滤波（计算但从未参与判决）
FltHistoryManager（20+ 未用字段）
StageRangeConfig（区间约束未引用）
动态窗口切换（LOOP_WINDOW_SIZE_LOW → FAST）
中间层时序状态（PLUSE_IN_F / PLUSE_IN）

12. 性能基准

12.1 检测性能

指标	值	说明
进入检测延迟	< 3 ms (测量) + 500 ms (防抖)	电信号延迟
离开检测延迟	< 3 ms (测量) + 平坦性确认 + 1.9 s (防抖)	含双重确认
误检率（单阈值）	—	基准参考
误检率（平坦性）	显著降低	大车多峰场景
频率分辨率	< 0.01%	取决于线圈 Q 值
温漂补偿	自动（100 窗口基线跟踪）	仅无车时

12.2 CPU 占用

任务	频率	CPU 占用 @120MHz	说明
TMR3 ISR (捕获)	50k/s @100kHz	~2.1%	每边沿约 50 周期
TMR15 ISR (tick)	200/s	< 1%	LED + 计数
vd1_task	20/s	< 1%	滤波 + 检测
FreeRTOS 开销	—	< 1%	任务调度
总计	—	< 5%	余量充足

12.3 RAM 占用

模块	大小	说明
全局检测变量	~100 B	状态、计数、滤波值
FreeRTOS 堆栈	~4 KB	任务栈 + 系统堆
剩余	~11 KB	可用于扩展功能

13. 编译选项

// TaskLoop.h

#define USE_FLATNESS_EXIT  1   // 1 = 平坦性离开判定 (CN200910309382)
                                // 0 = 简单 cnt_release 防抖

置 0 回退到传统 cnt_release >= 3，方便对比测试两种方案的差异。

14. 关键专利

专利号	名称	权利人	应用
CN200910309382	一种防误检环形线圈车辆检测器	中山大学张辉/黄永强/陈古典	平坦性三条件离开判定

DLD154V4B V1.4 起实现该专利的整数化版本，用于大车通行时的离开判定，有效抑制频率曲线多峰导致的多次误触发。

15. 修订记录

版本	日期	说明
V1.0	2026-06-24	技术规格书初版

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