vd_960/vd960Loop/docs/variation-analysis.md

variation 上报量分析报告

分析对象：uart_report_packet_loop_acs() 中上报的 变化量 variation 涉及文件：src/main.c（组包）、src/TaskLoop.c（基线/IIR 更新）、inc/TaskLoop.h（参数宏） 协议版本：与《DLD960Loop_串口通信协议.md》V1.07 同步（2026-07-14 V1.05：variation 无符号 2B → 有符号 3B，见 §5；2026-08-25 V1.07：值域表述勘误统一为 −8388608 ~ +8388607） 结论层次：物理层 → 信号层 → 数据层 → 上报调度层

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0. 一句话结论

variation = loop_Origin − loop_CAPVD（V1.05 起为 3 字节有符号补码：正 = 车辆/金属进入方向，负 = 反向漂移），是 "慢阶跃基线" 与 "快速跟踪当前值" 两个不同时间尺度量的瞬时差。 它在 每次组包时实时计算，本身无独立状态；真正决定其波形形态的是三个错位的时钟：

• loop_CAPVD 的 ≈10ms 采样
• loop_Origin 的 5s 阶跃 更新
• 上报的 150ms / 600ms 采样窗

三者不同步 → 无车时 variation 天然呈 锯齿波。

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1. 定义位置

src/main.c — uart_report_packet_loop_acs() 组包段（V1.05 现行实现）：

// 变化量 (3B, LE, 有符号补码) — V1.05
// 定义: variation = Origin - CAPVD
//   正值 = 当前值低于基线(车辆/金属进入, 检测裕量方向)
//   负值 = 当前值高于基线(反向漂移/异常抬升)
int32_t variation = (int32_t)unit->loop_Origin - (int32_t)unit->loop_CAPVD;
if (variation >  8388607) variation =  8388607;   // +2^23-1 饱和, 防回绕
if (variation < -8388608) variation = -8388608;   // -2^23   饱和
g_pkg_uart_report.pkg[i++] = (uint8_t)(variation & 0xFF);
g_pkg_uart_report.pkg[i++] = (uint8_t)((variation >> 8) & 0xFF);
g_pkg_uart_report.pkg[i++] = (uint8_t)((variation >> 16) & 0xFF);

• 带符号带方向：正 = 检测裕量方向（与旧版有车时的数值语义连续），负 = 反向漂移
• 3 字节小端补码，值域 −2²³ ~ +2²³−1，发送端 饱和限幅，不会回绕
• 旧版（≤V1.04）为 2B 无符号绝对值，缺陷与变更动机见 §5

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2. 三个操作数的更新节奏

量	物理含义	更新触发	真实周期	特性
loop_CAPVD	IIR 后当前线圈值	每次 loop_CAP_OK → vd1_task_per_channel()	≈10ms（固定测量窗 LPCNT×Xn≈131072 timer counts）	快，τ≈32ms，斜率限幅 5%
loop_Origin	基线	update_moving_average() 窗口满才写	阶跃式（见 §3）	慢，平台期恒定不动
variation	上报的变化量	每次组包现算	被 上报窗采样：事件 150ms / 空闲 600ms	瞬时差，3 字节有符号（V1.05）

关键点：variation 没有独立状态，它只是组包那一刻两值之差。 它的"更新周期"实际是 上报采样周期（150/600ms）；它的"波形形态"由 Origin 的阶跃周期决定。

上报间隔宏（inc/TaskLoop.h，50ms tick）：

#define REPORT_IDLE_TICKS   12   // 空闲稳定: 12×50ms = 600ms
#define REPORT_EVENT_TICKS  3    // 事件/变化: 3×50ms = 150ms

上报调度还叠加了 上电 3s 抑制（misc_counter < 60 跳过，等基线稳定）。

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3. loop_Origin 基线更新的状态机（核心）

update_moving_average() 是 累加到窗口满才写一次，中途 Origin 岿然不动：

*p_sum += new_value; (*p_cnt)++;
if (*p_cnt >= window) {          // 只有这里改写 Origin
    *p_origin = *p_sum / window;
    *p_cnt = 0; *p_sum = 0;
}

状态	判据	window	阶跃周期 @10ms	对 variation 的影响
稳定期	!loop_stable，stable_cnt < 128	100	~1s	上电快速收敛，CAPVD = Value 直通
正常跟踪	无车 & dev < dlt_ORG×4	500	~5s	Origin 每 5s 阶跃一次，锯齿主因
冻结	无车 & dev ≥ dlt_ORG×4	—	ORG_CNT/SUM 清零，不更新	Origin 锁死，variation 保持大值
冻结超时	冻结持续 & 漂移 <±2% 达 1000 次	—	~10s 一次性抓取	Origin 直接 = CAPVD，variation 突然归零
有车	loop_VD_FLAG == 1	—	不进基线分支	Origin 全程冻结，variation 忠实跟随 CAPVD

相关参数宏（inc/TaskLoop.h）：

#define STABLE_SAMPLES        128    // 稳定期样本数
#define WINDOW_ORIGIN         500    // 基线跟踪窗口 (500×10ms = 5s)
#define FREEZE_TIMEOUT        1000   // 冻结超时 ~10s @10ms
#define FREEZE_STABILITY_RATE 2      // 稳定性窗口 ±2%
#define MAX_SLOPE_RATE        5      // 斜率限幅 5%
#define ENTRY_CONFIRM         3      // 进入确认次数

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4. variation 波形特征

场景 1 — 无车缓慢漂移（温漂 / 湿漂），最典型

CAPVD ─╱╱╱╱╱   持续缓慢漂移(每10ms微动)
Origin ───┐        ┌───┐        ┌──   每5s阶跃追一次
          └────────┘   └────────┘
variation:  ╱|  ╱|  ╱|  ╱|             ← 锯齿波!
           峰=5s漂移量, 谷≈0(基线刚追上)

• 5s 窗口内 Origin 恒定，CAPVD 漂 → variation 线性爬升
• 窗口边界 Origin 阶跃到近 5s 均值 → variation 突然跌回 ~0
• 锯齿幅度 ≈ 漂移速率 × 5s；变频器干扰下漂移快，齿更高
• V1.05 起锯齿带方向：CAPVD 向下漂（裕量方向）锯齿为正，向上漂为负——漂移方向后台直接可见。旧版绝对值把负向锯齿翻成正向，与正向漂移完全不可区分

场景 2 — 车辆进入 / 驻留（设计正确 ✅）

• 车进入瞬间 ORG_CNT/SUM 清零 + VD_FLAG=1，Origin 完全冻结
• variation 快速跟随 CAPVD 拉大（恒为正值）→ 真实反映车辆信号强度，干净无锯齿

场景 3 — 大干扰但非车（半截车 / 邻道串扰 / 金属堆放）

• dev ≥ dlt_ORG×4 触发冻结，variation 维持大值不被基线"吃掉"
• 偏差稳住 ±2% 达 10s 后，Origin 一次性重锁，variation 突降 → 防污染 + 慢速重学基线
• V1.05 起，若干扰使 CAPVD 高于基线（如基线被污染后干扰源撤走），variation 呈 持续负值——这是旧版完全观测不到的形态，可作为"基线被污染"的诊断特征

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5. V1.05 变更分析：无符号 2B → 有符号 3B（2026-07-14）

5.1 改动对照

项目	旧（≤V1.04）	新（V1.05）
计算式	|Origin − CAPVD| 取绝对值	Origin − CAPVD 带符号
编码	2 字节无符号，小端	3 字节有符号补码，小端
值域	0~65535，溢出回绕	−8388608 ~ +8388607，发送端饱和限幅
方向信息	无	正 = 车/金属进入，负 = 反向漂移
每通道单元	11 字节	12 字节
帧 Len / 总长（4 路无分包）	0x2F=47 / 52B	0x33=51 / 56B（仍 < BUFF_STACK_SIZE=64，缓冲安全）

5.2 为什么必须改（旧版两个致命缺陷）

1. 回绕污染：variation 是 CAPVD 计数域的量（量级 ~131072 timer counts，不是 Hz）。大车 / 大金属全覆盖时偏差可超 65535，2B 无符号直接回绕成小值——单测实例：真实偏差 100000，旧版上报 34464。后台看到"大信号突然变小"的假象，判决裕量分析整段作废。
2. 方向丢失：绝对值抹掉符号，分不清"车辆/金属进入（CAPVD 掉到基线下）"与"反向漂移/异常抬升（CAPVD 升到基线上）"——两者的判决意义完全相反。雨天漂移方向、邻道串扰极性、基线污染诊断都依赖符号。

5.3 符号语义（方案 B）

variation = Origin − CAPVD

  > 0 : CAPVD 低于基线 → 金属进入 / 车辆压线（检测裕量方向）
        与旧版语义连续：旧版有车时的数值 ≈ 新版正值，后台阈值可平移沿用
  = 0 : 当前值与基线重合（基线刚追上 / 真空闲）
  < 0 : CAPVD 高于基线 → 反向漂移 / 基线污染残留 / 线圈异常抬升

新版正值方向与检测判决方向一致，有车时 variation 恒为正；负值只出现在无车漂移或异常场景——这本身就是一个免费的诊断维度。

5.4 接收端解析：必须做 bit23 符号扩展

int32_t v = b0 | (b1 << 8) | ((int32_t)b2 << 16);
if (v & 0x800000) v |= 0xFF000000;   // bit23 = 1 → 负数，符号扩展

• 典型陷阱：按无符号 3B 拼接不扩展，−10（F6 FF FF）会被读成 16777206，后台曲线直接飞天
• 存储 / 传输链路上该字段类型必须是 有符号整型（int32 及以上），数据库建 UNSIGNED 列会写入失败或截断

5.5 影响范围（联动清单）

端	变更	风险点
Loop 固件 main.c	uint32_t→int32_t，3B LE + 双向饱和	已完成，gcc 隔离单测通过
协议文档	V1.05：字段表、Len 47→51、示例报文重算	已发布
vd960DBN	解析步长 11→12、misc 偏移右移 1B、3B 解码 + bit23 符号扩展、fast_mode 改用 abs(variation)	步长死绑定（见 5.6）
后台 / 上位机	字段改有符号 int；阈值逻辑沿用正值方向；负值单独归类为漂移诊断量	无符号存储 / 不做符号扩展

5.6 兼容性风险（重点盯防）

1. Loop 与 DBN 固件必须同版本发布。单元步长 11↔12 死绑定，任一端用旧固件，4 通道数据整体错位。且帧级 XOR/SUM 校验依然通过（校验的是整帧，不感知单元边界）——这是静默数据损坏，不会报错，只会得到一堆"看起来合理"的错值。
2. 上位机若想兼容新旧固件，可用 Len 字节区分：4 路无分包时 Len=0x2F(47) 为旧格式（2B 无符号），Len=0x33(51) 为新格式（3B 有符号），按帧动态选解析器。
3. 口径说明（V1.07 已勘误）：协议文字与代码统一为 −8388608 ~ +8388607（0x800000 是合法负边界）。解析端符号扩展后无歧义；实际物理量远到不了该量级（CAPVD 全量程才 ~131072，3B 有 ~64 倍余量），边界仅作记录。

5.7 对分析工作的直接增益

• 冻结场景幅度可信：大偏差不再回绕，判决裕量、灵敏度档位标定可以直接拿 variation 定量
• 漂移方向可见：锯齿极性 = 漂移方向，雨天 / 温漂 / 变频器干扰的方向特征可离线统计
• 基线污染可诊断：持续负值 = 基线学高了，此前只能靠人工比对频率曲线猜

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6. 需警惕的问题（直击要害）

1. 采样混叠：用 600ms 上报窗去采一个 5s 阶跃量。后台若按单次 variation 做实时判断，会看到同一个齿被多次采到不同高度，叠加 600ms/5s 相位漂移 → 看似"忽大忽小"。 → 后台不能拿单次 variation 当绝对阈值，应看趋势或直接用 MCU 已判好的 car_state。

2. 2 字节截断 / 回绕 → 已在 V1.05 解决（3B 有符号 + 发送端饱和限幅，见 §5）。DBN 解析端已核实升级完成（2026-07-15 代码核对：loop_uart_proto.c 步长 12B + bit23 符号扩展、misc 偏移 c[8..11]、fast_mode 双向绝对值；详见 vd960DBN devlog 2026-07-14）。后台仅消费 JSON（带符号十进制），无二进制解析负担。

3. 锯齿谷值≈0 误导"无车确认"：若有逻辑用 |variation| < 小值 判"绝对空闲"，会在每个 5s 边界被误触发。 → 判空闲以 car_state / loop_VD_FLAG 为准，variation 仅作辅助幅度参考。

4. 稳定期 window=100 → 正常 500 的切换：上电 1s 尺度基线，128 样本后切 5s 尺度。过渡期 variation 锯齿周期从 1s 突变到 5s，后台做周期特征分析要注意此拐点。

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7. 待现场验证

• loop_CAP_OK 的 ~10ms 为 devlog 设计值。实际周期取决于 TMR3 时钟与线圈频率，建议现场用示波器量相邻两次 CAP_OK 间隔确认。
• 新旧固件混跑的错位形态（Loop 新 + DBN 旧）建议在工装上故意复现一次，留存错位数据样本，方便日后现场快速识别。

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8. 后续可选改进方向

• 将 variation 改为上报 斜率 / 趋势 而非瞬时差，削掉锯齿混叠
• 补 variation 饱和保护 → V1.05 已完成
• 随包上报当前基线状态（跟踪 / 冻结 / 有车），让后台区分锯齿谷与真空闲、冻结大值与真车

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9. variation ↔ ΔL / ΔL-L 物理对应（2026-08-25 补充）

配套工具：tools/variation_calc.py（正向/反推/3B 补码解析/灵敏度对照，纯 stdlib）

9.1 物理链路：CAPVD 正比于 √L，不是 L

由 main.c 频率转换公式反推：

freq = sclk_freq × input_div × LPCNT / CAPVD   →   CAPVD ∝ 1/freq = T（周期）

LC 振荡器周期 T = 2π√(LC)，因此：

CAPVD = A·√(LC)     （A = 系统归一化常数，含时钟/分频/MEASUREMENT_BASE=131072）

CAPVD 与周期成正比，与 √L 成正比——这是 variation 换算 ΔL 的关键前提（平方根关系，不是线性）。

9.2 换算公式

设基线电感 L₀，有车后电感 L₀+ΔL：

Origin = A·√(L₀·C)
CAPVD  = Origin·√(1 + ΔL/L₀)
variation = Origin − CAPVD = Origin·[1 − √(1 + ΔL/L₀)]

口径	公式	适用
精确	ΔL/L₀ = (1 − variation/Origin)² − 1 = (variation/Origin)² − 2(variation/Origin)	大信号（如大车全覆盖）
一阶近似	ΔL/L₀ ≈ −2 × variation/Origin	检测阈值区间，残差 <0.2%
频域对应	Δf/f ≈ variation/Origin（CAPVD ∝ 1/f）	与验收标准 §3 频偏口径衔接

符号语义：车辆进入 → 涡流 → ΔL<0 → CAPVD<Origin → variation 恒为正，与 V1.05 协议一致；负值 = 反向漂移 / 基线污染。

一阶近似的误差上界：二阶残差 ≈ (variation/Origin)²，最低灵敏度档 0.33% 时仅 0.0011%，相对误差 <0.2%——系数 2 直接可用。

9.3 灵敏度档位 → ΔL/L 触发阈值

进入条件 CAPVD < Origin − dlt_ORG，进入瞬间 variation ≈ dlt_ORG = Origin×SensTable/65536，逐档对应：

SENS	进入表	离开表	Δf/f 进入 (=vr)	ΔL/L 进入 ≈ −2×vr	ΔL/L 离开
0 低	216	108	0.3296%	−0.659%	−0.330%
1 中	108	72	0.1648%	−0.330%	−0.220%
2 高	36	18	0.0549%	−0.110%	−0.055%
3 最高	10	9	0.0153%	−0.031%	−0.027%

交叉验证：DLD154Pro 技术文档 sens_in {108,54,28,14} 标注 ΔL/L = 0.330%/0.165%/0.085%/0.043%，恰为 SensTable/65536 的 2 倍——产品线已统一使用 ΔL/L ≈ 2×SensTable/65536 口径。

9.3.1 9 级制灵敏度表（设计稿 2026-08-25）

行业典型范围：0.01% ~ 5.00% ΔL/L（跨度 546 倍，9 级等比公比 2.198）。方向：SENS 0=最低灵敏度、8=最高灵敏度（值越大越灵敏，与 4 级一致）。

sens_in（车来触发）：

SENS	sens_in	Δf/f	ΔL/L	典型用途
8（最高）	3	0.005%	0.01%	摩托车/低噪声极限档
7	7	0.011%	0.021%	摩托车
6	15	0.023%	0.046%	小型车/电动车
5	32	0.049%	0.098%	轿车
4	70	0.107%	0.214%	轿车/SUV
3	154	0.235%	0.470%	常规
2	339	0.517%	1.034%	大车优先
1	745	1.137%	2.273%	大车/货车
0（最低）	1638	2.500%	5.00%	只认重型车/强干扰环境

sens_out（车走释放，滞回渐变 50%→65%→90%/100%）：

SENS	sens_out	out/in	ΔL/L 离开
0	819	50%	2.50%
1	373	50%	1.14%
2	170	50%	0.52%
3	100	65%	0.31%
4	46	65%	0.14%
5	21	65%	0.064%
6	14	90%	0.043%
7	6	90%	0.018%
8	3	100%	0.01%

• 滞回渐变原因：高档 sens_in 很小，out 若按 50% 会低于噪声底 → 车走不释放。6/7/8 档收窄到 90%/100%（对齐 DLD154Pro 最高档 out/in=86% 经验）
• 4 级→9 级迁移（就近）：4级 SENS 0→9级3、1→4、2→5、3→7（4 级端点不再保留，迁移后阈值小幅变化，需现场复测）
• 工程警示：SENS=8（0.01%）dlt≈6 counts 贴着噪声底，仅限低噪声环境；SENS=0（5%）dlt≈3275，只认重型车
• 乘法溢出检查：Origin(131072)×1638 = 214M < 2³² ✓
• 代码落地：set_factory_param total=9 填上表；sens_level_from_config 改 sensitvity & 0x0F（08 直接索引）；协议 sensitvity 08

9.4 电容档位无关性（33/43/66/76nF）

四档电容只改绝对工作频率 f₀ = 1/(2π√(L₀C))：

C 档	频率 @ L₀≈59μH
33nF	~114 kHz
43nF	~100 kHz
66nF	~81 kHz
76nF	~75 kHz

但 Origin 与 CAPVD 均 ∝ √C，比值 variation/Origin 中 C 被消掉：

variation/Origin = 1 − √(1 + ΔL/L₀)     ← 与 C 无关

结论：四档电容共用同一套 ΔL/L 换算表，现场换档不换标定。 这是 LPCNT = MEASUREMENT_BASE/Xn 自适应归一化的直接收益。

9.5 绝对电感与 ΔL 完整换算

① 绝对电感:  L₀ = 1/(4π²·f₀²·C)     ← f₀ 用上报频率(3B)，C 用当前档位电容
② 相对变化:  ΔL/L₀ ≈ −2 × variation/Origin
③ 绝对变化:  ΔL = L₀ × ΔL/L₀

示例（C=43nF, f₀=100kHz → L₀≈58.9μH；SENS=1 触发，variation=216, Origin=131072）：

variation/Origin = 0.1648%
ΔL/L₀ ≈ −0.330%
ΔL ≈ −58.9μH × 0.330% ≈ −0.194 μH

9.6 使用注意事项（后台/上位机口径）

1. 必须归一化：variation 是 CAPVD 计数域（131072 量级），直接拿绝对值当 ΔL 会差 45 个数量级。所有换算先除 Origin。
2. 只有有车冻结期的 variation 干净：有车时 Origin 冻结，variation 忠实反映信号强度，此刻换算 ΔL/L 最可信；无车时 Origin 5s 阶跃 → variation 呈锯齿，锯齿峰 = 5s 漂移量，不能当车辆信号。
3. 基线重锁识别：冻结超时（10s 稳定）后 Origin 强制 = CAPVD，variation 突降归零——后台应识别为"基线重锁"事件，勿当车辆离开。
4. 文档口径 2 倍陷阱：SensTable/65536 直接读是 Δf/f（0.33%），标成 ΔL/L 是 0.66%。验收/规格文档必须注明口径（推荐统一用 ΔL/L）。
5. 绝对 ΔL 依赖 C 档信息：协议帧未带 C 档位，后台需按现场配置查表，或由 f₀ 与档位映射反推（f₀ 落在哪档频率区间即哪档）。

9.7 工具用法速查

cd tools
python3 variation_calc.py --freq 100 --cap 43 --variation 216 --origin 131072   # 正向
python3 variation_calc.py --freq 100 --cap 43 --dl-rel 0.33                      # 反推
python3 variation_calc.py --parse-var F6FFFF                                     # 3B LE 补码解析
python3 variation_calc.py --sens-table                                           # 四档对照
python3 variation_calc.py --interactive                                          # 交互

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10. 环境健康度算法：无车漂移监测（2026-08-25 补充）

配套工具：tools/drift_health.py。零成本方案——不改协议、不改固件，直接用现有 variation 锯齿。

10.1 思路

无车时 Origin 每 5s 阶跃更新（窗口均值），CAPVD 缓慢漂移 → variation 呈锯齿。锯齿就是漂移信号：峰谷差 = 窗口内漂移量，后台逐窗口统计即可画环境健康度曲线（湿度突变、变频器干扰加剧提前可见）。

10.2 正确口径（踩坑修正）

口径	关系	结论
绝对峰 |variation|	= 1.5× 窗口漂移量	❌ 高估 50%——Origin 更新到窗口均值（滞后半窗 2.5s），峰含半窗累积
峰谷差（窗口内 max−min）	≈ 窗口漂移量（误差 <1%）	✅ 正确
600ms 采样（8 点/窗）	峰谷差系统性低估 ~12%	⚠ 峰恒在窗口末（500 tick），末采样点 480 tick 永远错过它；实测 −11%~−14%

推荐公式：

漂移速率(%/s) = (窗口内 max − min) / Origin / 5s × 100

• 方向保留：V1.05 带符号，正向锯齿（CAPVD 下降/频率上升）= 正速率，反向为负
• 采样低估 ~12% 为单边已知偏差：趋势曲线看相对变化可直接接受；要绝对标定乘 1.14

10.3 失效场景：冻结态（必须双指标）

dev ≥ 4×dlt_ORG 基线冻结 → 锯齿消失，variation 跨窗口单调累积不归零，"每窗口取峰"变成取历史累积，速率口径失效：

灵敏度档	冻结门槛（窗口漂移）	对应速率
0 低	1.32% / 5s	0.26%/s
1 中	0.66% / 5s	0.13%/s
3 最高	0.06% / 5s	0.012%/s

变频器启动、湿度突变轻松超中档 0.13%/s → 冻结。冻结本身 + 累积 variation 就是更强的恶化信号，健康度曲线用双指标：

① 漂移速率 = 峰谷差 / Origin / 5s        ← 慢漂移场景（温/湿度），慢且稳
② 冻结占比 = 冻结 tick / 总 tick          ← 快干扰场景（变频器），触发即预警

冻结判定（后台可用跨窗回落检测）：正常锯齿窗口边界 variation 跳回谷值，跳变幅度 ≈ 峰谷差；冻结时 Origin 不动，窗口边界无跳变、variation 继续同向爬升。

jump = variation[下窗起点] − variation[本窗终点]
正常: |jump| ≈ 峰谷差（窗口边界跳回谷值）
冻结: |jump| ≈ 0（Origin 不动, 连续爬升）

10.4 工具用法

cd tools
python3 drift_health.py --selftest                                          # 模拟数据自测
python3 drift_health.py --csv drift.csv --window 500                        # CSV: tick,origin,variation
python3 drift_health.py --csv drift.csv --window 500 --json                 # JSON 输出

10.5 与 §8"改上报斜率"的关系

当前零成本方案精度受上报窗限制（600ms 采样 vs 固件 10ms tick，斜率分辨率差 60 倍）。§8 的固件侧斜率字段是远期升级：先跑通后台算法验证指标价值，确认值得后，再由固件直接上报 dCAPVD/dt 消除采样混叠与相位滞后。