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|
/**
* \file main.c
* \brief Morsedecoder
*
* \subsection Copyright
* Copyright (c) 2012 Michael Buesch <m@bues.ch>
*
* \subsection License
* Licensed under the terms of the GNU General Public License version 2.
*/
/** \mainpage
*
* \author Michael Buesch <m@bues.ch>
*
* \section a Aufgabenstellung
* Projektarbeit in M06 am BNT Trier:
* Es soll ein myAVR-basierter Morsedecoder erstellt werden.
* Morsecodes werden ueber einen digitalen Eingabetaster
* eingegeben und decodierte ASCII Zeichen werden am
* LCD ausgegeben. Wird ein Symbol nicht erkannt, wird
* ein Fehlerzeichen ":(" auf dem LCD ausgegeben.
* Die Morsegeschwindigkeit wird ueber das Poti zwischen 1 und
* 20 "Woertern pro Minute" (WpM) eingestellt.
*
* \section b Hardware
* myAVR Basisboard mit myAVR LCD Modul.
*
* \section c Elektrische Anschluesse
* \li Port B0 => Morsetaster.
* \li Port B1 => Cleartaster.
* \li Port B2 => Summer.
* \li Port C0 => Poti.
* \li \image latex pinout.jpg
* \image html pinout.jpg
*
* \section d Kurzbeschreibung der Funktion
* Die Morsesymbolerkennung geschieht asynchron ueber einen
* Timer, der regelmaessig den Morsetaster abtastet und
* einen Zustandsautomat beeinflusst.
* Erkannte Symbole werden in einem temporaeren Puffer
* zwischengespeichert. Die Decodierung und Ausgabe der Symbole wird
* im Hauptzyklus des Programms durchgefuehrt. Waehrenddessen
* koennen neue Symbole im Interrupt erkannt und
* zwischengespeichert werden.
*
* \section e Interruptsynchronisation
* Die Synchronisierung zwischen Hauptprogramm und Interrupt
* geschieht ueber Interrupt-sperren
* (irq_disable(), irq_enable()) und Memory-Barriers
* (mb(), http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier).
* Durch den Einsatz von Memory-Barriers wird bewusst auf
* die Deklaration der Speicherbereiche als "volatile" verzichtet.
* Damit hat der Compiler groessere Freiheiten bei der Optimierung
* und generiert bei korrektem Einsatz der mb()s trotzdem
* korrekten Maschinencode.
*
* \section f Compilieren unter Windows
* Die GNU AVR-GCC Toolchain fuer Windows muss installiert sein.
* Durch das Ausfuehren der 'compile.bat' Datei wird das Projekt
* neu uebersetzt und eine neue .hex Datei erstellt.
*/
#include "util.h"
#include "lcd.h"
#include "morse.h"
#include "buzzer.h"
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
/** Versionsnummer. */
enum version_number {
VERSION_MAJOR = 1,
VERSION_MINOR = 1,
};
/** Systemweite Parameter. */
enum global_parameters {
/** Anzahl der Mikrosekunden pro Tick. */
US_PER_TICK = 11111,
/** Minimale "Words per minute" Erkennungsrate. */
MIN_WPM = 1,
/** Maximale "Words per minute" Erkennungsrate. */
MAX_WPM = 20,
/** Groesse des capture-Puffers.
* In Anzahl von Morsesymbolen. */
CAPTURE_BUF_SIZE = 4,
/** Laenge des Textausgabepuffers am LCD. */
OUT_TEXT_LEN = 16,
/** Tastenentprellungszeit in Ticks. */
DEBOUNCE_TICKS = 4,
};
/** Rueckgabetyp fuer Flankenerkennung. */
enum edge_detect_result {
/** Keine Flanke erkannt. */
EDGE_NONE,
/** Positive Flanke erkannt. */
EDGE_POS,
/** Negative Flanke erkannt. */
EDGE_NEG,
};
/** Morse Symbolerkennung Context. */
struct symbol_capture_context {
/** Flankenmerker fuer Morsetaster. */
bool morse_button_prev;
/** Boolscher Morsetonzustand.
* 1 -> Wir befinden uns in einem Morseton ("dit" oder "dah").
* 0 -> Wir befinden uns nicht in einem Morseton (Pause).
*/
bool in_mark;
/** Anzahl erkannter Morsetoene ("dit"s und "dah"s). */
uint8_t cur_mark_nr;
/** Puffer fuer das aktuelle Morsesymbol.
* Das Symbol ist moeglicherweise unvollstaendig waehrend der Erkennung.
*/
morse_sym_t cur_symbol;
/** Puffer fuer vollstaendig empfangene Morsesymbole. */
morse_sym_t captured[CAPTURE_BUF_SIZE];
/** Anzahl der vollstaendig empfangenen Morsesymbole. */
uint8_t nr_captured;
/** Fehlermerker fuer Capture-Fehler. */
bool capture_error;
/** Zaehler fuer Morsetonerkennung und Unterscheidung. */
uint8_t ticks;
/** Eingestellte "Wort pro Minute" Erkennungsgeschwindigkeit. */
uint8_t wpm;
/** Eingestellte "dit" Erkennungsgeschwindigkeit in "ticks". */
uint8_t ticks_dit;
/** Eingestellte "dah" Erkennungsgeschwindigkeit in "ticks". */
uint8_t ticks_dah;
/** Eingestellte Symbolpause Erkennungsgeschwindigkeit in "ticks". */
uint8_t ticks_inter_char;
/** Eingestellte Wortpause Erkennungsgeschwindigkeit in "ticks". */
uint8_t ticks_inter_word;
};
/** Ausgabecontext. */
struct output_context {
/** ASCII Text zur LCD-Ausgabe. */
char text[OUT_TEXT_LEN + 1];
};
/** Generischer Maschinenstatus. */
struct machine_context {
/** Flankenmerker fuer Cleartaster. */
bool clear_button_prev;
/** Zaehler fuer Cleartaster Entprellung. */
uint8_t clear_button_pause;
/** Asynchrone LCD Updateaufforderung aus Interrupts. */
bool async_lcd_update;
};
/** Morse Symbolerkennung Context Instanz. */
static struct symbol_capture_context capture;
/** Ausgabecontext Instanz. */
static struct output_context out;
/** Maschinenstatus Instanz. */
static struct machine_context machine;
/** \brief Eingabetaster initialisieren.
*
* PB0 -> Morsetaster (mit internem Pullup).
* PB1 -> Cleartaster (mit internem Pullup).
*/
static void buttons_init(void)
{
DDRB &= ~((1 << DDB0) | (1 << DDB1));
PORTB |= (1 << PB0) | (1 << PB1);
}
/** \brief Generische Flankenerkennung.
*
* \param sig_status Aktueller Signalstatus.
*
* \param prev_status Zeiger auf Flankenmerker fuer dieses Signal.
*
* \return Gibt das Erkennungsergebnis als
* #edge_detect_result zurueck.
*/
static enum edge_detect_result generic_edge_detect(bool sig_status,
bool *prev_status)
{
bool pos_edge, neg_edge;
pos_edge = sig_status & ~(*prev_status);
neg_edge = ~sig_status & (*prev_status);
*prev_status = sig_status;
if (pos_edge)
return EDGE_POS;
if (neg_edge)
return EDGE_NEG;
return EDGE_NONE;
}
/** \brief Morsetaster Abfrage.
*
* \return Gibt 1 bei gedruecktem Taster und ansonsten 0 zurueck.
*/
static bool morse_button_pressed(void)
{
return !(PINB & (1 << PINB0));
}
/** \brief Morsetaster Flankenerkennung.
*
* \return Gibt das Ergebnis der Flankenerkennung am Morsetaster
* als #edge_detect_result zurueck.
*/
static enum edge_detect_result get_morse_button_edge(void)
{
return generic_edge_detect(morse_button_pressed(),
&capture.morse_button_prev);
}
/** \brief Cleartaster Abfrage.
*
* \return Gibt 1 bei gedruecktem Taster und ansonsten 0 zurueck.
*/
static bool clear_button_pressed(void)
{
return !(PINB & (1 << PINB1));
}
/** \brief Cleartaster Flankenerkennung.
*
* Gibt das Ergebnis der Flankenerkennung am Cleartaster zurueck.
*/
static enum edge_detect_result get_clear_button_edge(void)
{
return generic_edge_detect(clear_button_pressed(),
&machine.clear_button_prev);
}
/** \brief Fuegt ein Morsesymbol zum Symbolpuffer hinzu.
*
* \param sym Das Morsesymbol welches zum Symbolpuffer hinzugefuegt werden soll.
*
* \return Gibt 0 bei Erfolg oder einen negativen Fehlercode zurueck.
*/
static int8_t add_captured_symbol(morse_sym_t sym)
{
if (capture.nr_captured >= ARRAY_SIZE(capture.captured))
return -1; /* Pufferueberlauf */
capture.captured[capture.nr_captured] = sym;
capture.nr_captured++;
return 0;
}
/** \brief Erkennungstimings setzen.
*
* Hilfsfunktion.
*
* \param dit_base_ticks Anzahl Ticks in einem Morse-"dit".
*/
static void set_timings(uint8_t dit_base_ticks)
{
capture.ticks_dit = dit_base_ticks * FACTOR_DIT;
capture.ticks_dah = capture.ticks_dit * FACTOR_DAH;
capture.ticks_inter_char = capture.ticks_dit * FACTOR_INTER_CHAR;
capture.ticks_inter_word = capture.ticks_dit * FACTOR_INTER_WORD;
}
/** \brief Erkennungsgeschwindigkeit setzen.
*
* \param wpm Erkennungsgeschwindigkeit in "Words per minute".
* Ein Wort is definiert als 5 Morsezeichen.
*/
static void set_words_per_minute(uint8_t wpm)
{
uint32_t dit_len;
uint8_t dit_ticks, sreg;
/* WpM Bereich eingrenzen. */
wpm = clamp(wpm, MIN_WPM, MAX_WPM);
/* Laenge eines "dit" Tones in Mikrosekunden berechnen. */
dit_len = (uint32_t)DIT_LENGTH_1WPM_MS * 1000;
dit_len /= wpm;
/* Laenge eines "dit" Tones in "Ticks" umrechnen.
* Rundungsfehler werden ignoriert. */
dit_ticks = dit_len / US_PER_TICK;
/* Wenn der WpM Wert vom aktuellen abweicht,
* Symbolzeiten neu setzen. */
sreg = irq_disable_save();
if (wpm != capture.wpm) {
capture.wpm = wpm;
set_timings(dit_ticks);
machine.async_lcd_update = 1;
}
irq_restore(sreg);
}
/** \brief Summer einschalten. */
static void buzzer_turn_on(void)
{
buzzer_tune_note(note(A5, 1_1));
}
/** \brief Summer abschalten. */
static void buzzer_turn_off(void)
{
buzzer_tune_note(n_pause(1_1));
}
/** \brief Symbolerkennungstimer Interrupt Service Routine */
ISR(TIMER2_COMP_vect)
{
enum edge_detect_result button_edge;
morse_sym_t new_mark;
int8_t err;
mb();
/* Morsetaster Flankenerkennung durchfuehren. */
button_edge = get_morse_button_edge();
/* Tickzaehler hochzaehlen. */
if (capture.ticks < 0xFF)
capture.ticks++;
if (button_edge == EDGE_NEG) {
/* Negative Flanke am Morsetaster erkannt. */
/* Summer abschalten. */
buzzer_turn_off();
/* Anhand der Tonlaenge entscheiden ob es ein "dit" oder
* ein "dah" Ton war und den Ton zum aktuellen
* Symbol hinzufuegen. */
if (capture.cur_mark_nr < MORSE_MAX_NR_MARKS) {
if (capture.ticks <= capture.ticks_dit)
new_mark = MORSE_MARK(MORSE_DIT, capture.cur_mark_nr);
else
new_mark = MORSE_MARK(MORSE_DAH, capture.cur_mark_nr);
capture.cur_symbol |= new_mark;
capture.cur_mark_nr++;
} else
capture.capture_error = 1;
/* Tonzaehler und Tonzustand ruecksetzen. */
capture.in_mark = 0;
capture.ticks = 0;
}
if (button_edge == EDGE_POS) {
/* Positive Flanke am Morsetaster erkannt. */
/* Summer einschalten. */
buzzer_turn_on();
/* Tonzaehler ruecksetzen und Tonzustand setzen. */
capture.in_mark = 1;
capture.ticks = 0;
}
if (capture.in_mark) {
/* Wir befinden uns in einem "Morseton". */
/* Summer abschalten, wenn Signal laenger als ein "dah" ist. */
if (capture.ticks > capture.ticks_dah)
buzzer_turn_off();
} else {
/* Wir befinden uns in einer "Morsepause". */
if (capture.ticks == capture.ticks_inter_char) {
/* Pause hat eine inter-char Laenge.
* D.h. ein ganzes Symbol wurde empfangen. */
morse_sym_set_size(&capture.cur_symbol,
capture.cur_mark_nr);
err = add_captured_symbol(capture.cur_symbol);
if (err)
capture.capture_error = 1;
capture.cur_mark_nr = 0;
capture.cur_symbol = 0;
} else if (capture.ticks == capture.ticks_inter_word) {
/* Pause hat eine inter-Wort Laenge.
* D.h. ein ganzes Wort wurde empfangen.
* Wort mit einem Leerzeichen (MORSE_SPACE) abschliessen. */
err = add_captured_symbol(morse_encode_character(MORSE_SPACE));
if (err)
capture.capture_error = 1;
}
}
/* Entprellzaehler fuer Cleartaster runterzaehlen. */
if (machine.clear_button_pause)
machine.clear_button_pause--;
mb();
}
/** \brief Symbolerkennungstimer initialisieren. */
static void timer_init(void)
{
/* CTC Timer initialisieren auf:
* 3686400 Hz / 1024 / 40 = 90 Hz */
TCCR2 = (1 << CS20) | (1 << CS21) | (1 << CS22) |
(1 << WGM21);
OCR2 = 40;
/* OCR Interrupt aktivieren. */
TIMSK |= (1 << OCIE2);
}
/** \brief Analogwert von Poti mit virtueller Rastung erfassen.
*
* Die virtuelle Rastung verhindert ein Kippeln und Schwingen
* zwischen Zustaenden, wenn das Poti nahe eines
* Umschaltpunktes steht.
*/
ISR(ADC_vect)
{
uint16_t count_per_notch, adc, pos, frac, wpm;
static bool first_run = 1;
mb();
/* ADC counts pro "Raste" errechnen.
* Hier kommt es zu Rundungsfehlern. */
count_per_notch = (0x3FF + 1) / MAX_WPM;
/* ADC Wert auslesen und um eine halbe "Raste"
* nach unten verschieben. */
adc = ADCW;
if (adc >= count_per_notch / 2)
adc -= count_per_notch / 2;
/* "Rastenposition" errechnen.
* Das Ergebnis ist um 10 skaliert um
* Zwischenzustaende ohne Fliesspunktzahlen zu erkennen. */
pos = adc * 10 / count_per_notch;
/* WpM und Abweichung von der "Raste" errechnen. */
wpm = pos / 10 + 1;
frac = pos % 10;
/* Wenn wir uns nahe an der naechsten "Raste" befinden,
* WpM aufrunden. */
if (frac > 7)
wpm++;
/* Wert nur uebernehmen, wenn wir uns nahe einer "Raste" befinden.
* Zwischen den "Rasten" befindet ein toter Bereich (0.3 bis 0.7)
* in dem nicht auf Potiaenderungen reagiert wird.
* Dies verhindert ein Schwingen zwischen Zustaenden. */
if (frac > 7 || frac < 3 || first_run) {
first_run = 0;
set_words_per_minute(clamp(wpm, MIN_WPM, MAX_WPM));
}
mb();
}
/** \brief ADC initialisieren */
static void adc_init(void)
{
ADMUX = (1 << REFS0);
ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADPS0) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS2);
/* Eine ADC Konvertierung durchfuehren und Ergebnis verwerfen. */
ADCSRA |= (1 << ADSC);
while (ADCSRA & (1 << ADSC));
(void)ADCW;
/* ADC im free-running Modus mit Interrupts aktivieren. */
ADCSRA |= (1 << ADSC) | (1 << ADFR) | (1 << ADIF) | (1 << ADIE);
}
/** \brief Informationen auf LCD ausgeben. */
static void update_lcd(void)
{
uint8_t wpm;
irq_disable();
wpm = capture.wpm;
irq_enable();
lcd_cursor(0, 0);
lcd_printf("mdec-%d.%d", VERSION_MAJOR, VERSION_MINOR);
lcd_cursor(0, 10);
lcd_printf("%2d WpM", wpm);
lcd_cursor(1, 0);
lcd_put_mstr(out.text);
lcd_commit();
}
/** \brief Textausgabepuffer loeschen. */
static void clear_output_text(void)
{
memset(out.text, ' ', OUT_TEXT_LEN);
out.text[OUT_TEXT_LEN] = '\0';
}
/** \brief Symbolerkennungscontext ruecksetzen. */
static void reset_capture_context(void)
{
uint8_t sreg;
sreg = irq_disable_save();
capture.in_mark = 0;
capture.cur_mark_nr = 0;
capture.cur_symbol = 0;
capture.nr_captured = 0;
capture.capture_error = 0;
capture.ticks = 0;
irq_restore(sreg);
}
/** \brief Maschinenzustand initialisieren. */
static void machine_state_init(void)
{
clear_output_text();
set_words_per_minute(10);
reset_capture_context();
update_lcd();
}
/** \brief Char-array nach links verschieben.
*
* \param array Char-array welches geschoben werden soll.
*
* \param size Groesse des arrays.
*
* \param count Anzahl der Stellen um die nach links geschoben
* werden soll.
*/
static void left_shift_char_array(char *array, uint8_t size,
uint8_t count)
{
uint8_t i;
for (i = count; i < size; i++)
array[i - count] = array[i];
}
/** \brief Morse Symbole decodieren und in LCD Puffer uebertragen.
*
* \param syms Array von Morse Symbolen.
*
* \param count Anzahl der Morse Symbole.
*
* \param decode_error Fehlermerker fuer Decoderfehler.
*
* \return Gibt die Anzahl der generierten ASCII Zeichen zurueck.
*/
static uint8_t decode_symbols(const morse_sym_t *syms,
uint8_t count,
bool decode_error)
{
char ascii[OUT_TEXT_LEN];
uint8_t i, nr_decoded = 0;
enum morse_character mc;
bool prev_char_was_space, cur_is_space;
int8_t res;
/* Leerzeichenmerker initialisieren mit letztem LCD Zeichen. */
prev_char_was_space = isspace(out.text[OUT_TEXT_LEN - 1]);
/* Morse Symbole decodieren und in LCD-Puffer schreiben. */
for (i = 0; i < count; i++) {
/* Morsesymbol decodieren. */
mc = morse_decode_symbol(syms[i]);
res = morse_to_ascii(ascii, ARRAY_SIZE(ascii), mc);
if (res > 0 && !decode_error && mc != MORSE_SIG_ERROR) {
/* Erfolgreich decodiert. */
/* Keine doppelten Leerzeichen ausgeben. */
cur_is_space = (res == 1 && isspace(ascii[0]));
if (cur_is_space && prev_char_was_space)
continue;
prev_char_was_space = cur_is_space;
/* LCD-Puffer um die Anzahl der decodierten Zeichen
* nach links verschieben. */
left_shift_char_array(out.text, OUT_TEXT_LEN, res);
/* Decodierte ASCII Zeichen in LCD-Puffer schreiben. */
memcpy(&out.text[OUT_TEXT_LEN - res], ascii, res);
nr_decoded += res;
} else {
/* Decoderfehler */
/* LCD-Puffer um eins nach links verschieben. */
left_shift_char_array(out.text, OUT_TEXT_LEN, 1);
/* Fehlermarker ausgeben. */
out.text[OUT_TEXT_LEN - 1] = '\x01';
nr_decoded++;
decode_error = 0;
}
}
return nr_decoded;
}
/** \brief Cleartaster-Ereignisse abarbeiten. */
static void handle_clear_button(void)
{
enum edge_detect_result edge;
irq_disable();
if (machine.clear_button_pause) {
irq_enable();
/* Entprellpause ist aktiv.
* Keine Erkennung durchfuehren. */
return;
}
irq_enable();
/* Flankenerkennung des Cleartasters aufrufen. */
edge = get_clear_button_edge();
if (edge == EDGE_POS) {
/* Positive Flanke: Cleartaster wurde gedrueckt.
* Morsestring im LCD loeschen. */
if (memcmp(&out.text[OUT_TEXT_LEN - 5], " BNT ", 5) == 0) {
irq_disable();
buzzer_play(buzzer_elise);
irq_enable();
}
clear_output_text();
reset_capture_context();
update_lcd();
}
if (edge != EDGE_NONE) {
/* Es gab eine positive oder negative Flanke.
* Entprellzeit einstellen. */
irq_disable();
machine.clear_button_pause = DEBOUNCE_TICKS;
irq_enable();
}
}
/** \brief Ereignisse mit niedriger Prioritaet abarbeiten. */
static void handle_events(void)
{
morse_sym_t captured[CAPTURE_BUF_SIZE];
uint8_t nr_captured = 0, nr_decoded;
bool capture_error;
bool had_async_lcd_update;
/* Cleartaster abfragen. */
handle_clear_button();
/* Empfangene Symbole in temporaeren lokalen Puffer kopieren
* und Interrupts so schnell wie moeglich wieder freigeben. */
irq_disable();
if (capture.nr_captured) {
nr_captured = capture.nr_captured;
capture.nr_captured = 0;
memcpy(captured, capture.captured,
nr_captured * sizeof(captured[0]));
}
capture_error = capture.capture_error;
capture.capture_error = 0;
irq_enable();
/* Empfangene Symbole dekodieren und in LCD Puffer uebertragen. */
nr_decoded = decode_symbols(captured, nr_captured,
capture_error);
/* Asynchrones LCD-update Flag abfragen und ruecksetzen. */
irq_disable();
had_async_lcd_update = machine.async_lcd_update;
machine.async_lcd_update = 0;
irq_enable();
/* LCD auffrischen, wenn neue Symbole decodiert wurden,
* oder ein asynchrones LCD Update angefordert wurde. */
if (nr_decoded || had_async_lcd_update)
update_lcd();
}
/** \brief Einsprungspunkt */
int main(void)
{
buttons_init();
adc_init();
timer_init();
buzzer_init(4000);
lcd_init();
machine_state_init();
irq_enable();
while (1)
handle_events();
}
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