1a074ba516fed78c691d3fc01d629cc60e8cf754
[fw/altos] / src / drivers / ao_aprs.c
1 /** 
2  * http://ad7zj.net/kd7lmo/aprsbeacon_code.html
3  *
4  * @mainpage Pico Beacon
5  *
6  * @section overview_sec Overview
7  *
8  * The Pico Beacon is an APRS based tracking beacon that operates in the UHF 420-450MHz band.  The device utilizes a 
9  * Microchip PIC 18F2525 embedded controller, Motorola M12+ GPS engine, and Analog Devices AD9954 DDS.  The device is capable
10  * of generating a 1200bps A-FSK and 9600 bps FSK AX.25 compliant APRS (Automatic Position Reporting System) message.
11
12
13  *
14  * @section history_sec Revision History
15  *
16  * @subsection v305 V3.05
17  * 23 Dec 2006, Change include; (1) change printf format width to conform to ANSI standard when new CCS 4.xx compiler released.
18  *
19  *
20  * @subsection v304 V3.04
21  * 10 Jan 2006, Change include; (1) added amplitude control to engineering mode,
22  *                                     (2) corrected number of bytes reported in log,
23  *                                     (3) add engineering command to set high rate position reports (5 seconds), and
24  *                                     (4) corrected size of LOG_COORD block when searching for end of log.
25  *
26  * @subsection v303 V3.03
27  * 15 Sep 2005, Change include; (1) removed AD9954 setting SDIO as input pin, 
28  *                                     (2) additional comments and Doxygen tags,
29  *                                     (3) integration and test code calculates DDS FTW,
30  *                                     (4) swapped bus and reference analog input ports (hardware change),
31  *                                     (5) added message that indicates we are reading flash log and reports length,
32  *                                     (6) report bus voltage in 10mV steps, and
33  *                                     (7) change log type enumerated values to XORed nibbles for error detection.
34  *
35  *
36  * @subsection v302 V3.02
37  * 6 Apr 2005, Change include; (1) corrected tracked satellite count in NMEA-0183 $GPGGA message,
38  *                                    (2) Doxygen documentation clean up and additions, and
39  *                                    (3) added integration and test code to baseline.
40  *
41  * 
42  * @subsection v301 V3.01
43  * 13 Jan 2005, Renamed project and files to Pico Beacon.
44  *
45  *
46  * @subsection v300 V3.00
47  * 15 Nov 2004, Change include; (1) Micro Beacon extreme hardware changes including integral transmitter,
48  *                                     (2) PIC18F2525 processor,
49  *                                     (3) AD9954 DDS support functions,
50  *                                     (4) added comments and formatting for doxygen,
51  *                                     (5) process GPS data with native Motorola protocol,
52  *                                     (6) generate plain text $GPGGA and $GPRMC messages,
53  *                                     (7) power down GPS 5 hours after lock,
54  *                                     (8) added flight data recorder, and
55  *                                     (9) added diagnostics terminal mode.
56  *
57  * 
58  * @subsection v201 V2.01
59  * 30 Jan 2004, Change include; (1) General clean up of in-line documentation, and 
60  *                                     (2) changed temperature resolution to 0.1 degrees F.
61  *
62  * 
63  * @subsection v200 V2.00
64  * 26 Oct 2002, Change include; (1) Micro Beacon II hardware changes including PIC18F252 processor,
65  *                                     (2) serial EEPROM, 
66  *                                     (3) GPS power control, 
67  *                                     (4) additional ADC input, and 
68  *                                     (5) LM60 temperature sensor.                            
69  *
70  *
71  * @subsection v101 V1.01
72  * 5 Dec 2001, Change include; (1) Changed startup message, and 
73  *                                    (2) applied SEPARATE pragma to several methods for memory usage.
74  *
75  *
76  * @subsection v100 V1.00
77  * 25 Sep 2001, Initial release.  Flew ANSR-3 and ANSR-4.
78  * 
79
80
81  *
82  *
83  * @section copyright_sec Copyright
84  *
85  * Copyright (c) 2001-2009 Michael Gray, KD7LMO
86
87
88  *
89  *
90  * @section gpl_sec GNU General Public License
91  *
92  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
93  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
94  *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
95  *  (at your option) any later version.
96  *
97  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
98  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
99  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
100  *  GNU General Public License for more details.
101  *
102  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
103  *  along with this program; if not, write to the Free Software
104  *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
105  *  
106
107
108  * 
109  * 
110  * @section design Design Details
111  *
112  * Provides design details on a variety of the components that make up the Pico Beacon.
113  *
114  *  @subpage power
115  */
116
117 /**
118  *  @page power Power Consumption
119  *
120  *  Measured DC power consumption.
121  * 
122  *  3VDC prime power current 
123
124  *
125  *    7mA Held in reset 
126
127  *   18mA Processor running, all I/O off 
128
129  *  110mA GPS running 
130
131  *  120mA GPS running w/antenna 
132
133  *  250mA DDS running and GPS w/antenna 
134
135  *  420mA DDS running, GPS w/antenna, and PA chain on with no RF 
136
137  *  900mA Transmit 
138
139  *
140  */
141
142 #ifndef AO_APRS_TEST
143 #include <ao.h>
144 #endif
145
146 #include <ao_aprs.h>
147
148 typedef int bool_t;
149 typedef int32_t int32;
150 #define false 0
151 #define true 1
152
153 // Public methods, constants, and data structures for each class.
154
155 static void timeInit(void);
156
157 static void tncInit(void);
158 static void tnc1200TimerTick(void);
159
160 /** @} */
161
162 /**
163  *  @defgroup sys System Library Functions
164  *
165  *  Generic system functions similiar to the run-time C library.
166  *
167  *  @{
168  */
169
170 /**
171  *    Calculate the CRC-16 CCITT of buffer that is length bytes long.
172  *    The crc parameter allow the calculation on the CRC on multiple buffers.
173  *
174  *    @param buffer Pointer to data buffer.
175  *    @param length number of bytes in data buffer
176  *    @param crc starting value
177  *
178  *    @return CRC-16 of buffer[0 .. length]
179  */
180 static uint16_t sysCRC16(const uint8_t *buffer, uint8_t length, uint16_t crc)
181 {
182     uint8_t i, bit, value;
183
184     for (i = 0; i < length; ++i) 
185     {
186         value = buffer[i];
187
188         for (bit = 0; bit < 8; ++bit) 
189         {
190             crc ^= (value & 0x01);
191             crc = ( crc & 0x01 ) ? ( crc >> 1 ) ^ 0x8408 : ( crc >> 1 );
192             value = value >> 1;
193         } // END for
194     } // END for
195
196     return crc ^ 0xffff;
197 }
198
199 /** @} */
200
201 /**
202  *  @defgroup rtc Real Time Interrupt tick
203  *
204  *  Manage the built-in real time interrupt.  The interrupt clock PRI is 104uS (9600 bps).
205  *
206  *  @{
207  */
208
209 /// 16-bit NCO where the upper 8-bits are used to index into the frequency generation table.
210 static uint16_t timeNCO;
211
212 /// Audio tone NCO update step (phase).
213 static uint16_t timeNCOFreq;
214
215 /**
216  *   Initialize the real-time clock.
217  */
218 static void timeInit()
219 {
220     timeNCO = 0x00;
221     timeNCOFreq = 0x2000;
222 }
223
224 /** @} */
225
226 /**
227  *  @defgroup tnc TNC (Terminal Node Controller)
228  *
229  *  Functions that provide a subset of the TNC functions.
230  *
231  *  @{
232  */
233
234 /// The number of start flag bytes to send before the packet message.  (360bits * 1200bps = 300mS)
235 #define TNC_TX_DELAY 45
236
237 /// The size of the TNC output buffer.
238 #define TNC_BUFFER_SIZE 40
239
240 /// States that define the current mode of the 1200 bps (A-FSK) state machine.
241 typedef enum
242 {
243     /// Stand by state ready to accept new message.
244     TNC_TX_READY,
245
246     /// 0x7E bit stream pattern used to define start of APRS message.
247     TNC_TX_SYNC,
248
249     /// Transmit the AX.25 header that contains the source/destination call signs, APRS path, and flags.
250     TNC_TX_HEADER,
251
252     /// Transmit the message data.
253     TNC_TX_DATA,
254
255     /// Transmit the end flag sequence.
256     TNC_TX_END
257 } TNC_TX_1200BPS_STATE;
258
259 /// AX.25 compliant packet header that contains destination, station call sign, and path.
260 /// 0x76 for SSID-11, 0x78 for SSID-12
261 static const uint8_t TNC_AX25_HEADER[] = { 
262     'A' << 1, 'P' << 1, 'A' << 1, 'M' << 1, ' ' << 1, ' ' << 1, 0x60, \
263     'K' << 1, 'D' << 1, '7' << 1, 'S' << 1, 'Q' << 1, 'G' << 1, 0x78, \
264     'W' << 1, 'I' << 1, 'D' << 1, 'E' << 1, '2' << 1, ' ' << 1, 0x65, \
265     0x03, 0xf0 };
266
267 /// The next bit to transmit.
268 static uint8_t tncTxBit;
269
270 /// Current mode of the 1200 bps state machine.
271 static TNC_TX_1200BPS_STATE tncMode;
272
273 /// Counter for each bit (0 - 7) that we are going to transmit.
274 static uint8_t tncBitCount;
275
276 /// A shift register that holds the data byte as we bit shift it for transmit.
277 static uint8_t tncShift;
278
279 /// Index into the APRS header and data array for each byte as we transmit it.
280 static uint8_t tncIndex;
281
282 /// The number of bytes in the message portion of the AX.25 message.
283 static uint8_t tncLength;
284
285 /// A copy of the last 5 bits we've transmitted to determine if we need to bit stuff on the next bit.
286 static uint8_t tncBitStuff;
287
288 /// Pointer to TNC buffer as we save each byte during message preparation.
289 static uint8_t *tncBufferPnt;
290
291 /// Buffer to hold the message portion of the AX.25 packet as we prepare it.
292 static uint8_t tncBuffer[TNC_BUFFER_SIZE];
293
294 /** 
295  *   Initialize the TNC internal variables.
296  */
297 static void tncInit()
298 {
299     tncTxBit = 0;
300     tncMode = TNC_TX_READY;
301 }
302
303 /**
304  *   Method that is called every 833uS to transmit the 1200bps A-FSK data stream.
305  *   The provides the pre and postamble as well as the bit stuffed data stream.
306  */
307 static void tnc1200TimerTick()
308 {
309     // Set the A-FSK frequency.
310     if (tncTxBit == 0x00)
311         timeNCOFreq = 0x2000;
312     else
313         timeNCOFreq = 0x3aab;
314
315     switch (tncMode) 
316     {
317         case TNC_TX_READY:
318             // Generate a test signal alteranting between high and low tones.
319             tncTxBit = (tncTxBit == 0 ? 1 : 0);
320             break;
321
322         case TNC_TX_SYNC:
323             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
324             // NRZI enocde the data stream.
325             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
326                 if (tncTxBit == 0)
327                     tncTxBit = 1;
328                 else
329                     tncTxBit = 0;
330             }
331                     
332             // When the flag is done, determine if we need to send more or data.
333             if (++tncBitCount == 8) 
334             {
335                 tncBitCount = 0;
336                 tncShift = 0x7e;
337
338                 // Once we transmit x mS of flags, send the data.
339                 // txDelay bytes * 8 bits/byte * 833uS/bit = x mS
340                 if (++tncIndex == TNC_TX_DELAY) 
341                 {
342                     tncIndex = 0;
343                     tncShift = TNC_AX25_HEADER[0];
344                     tncBitStuff = 0;
345                     tncMode = TNC_TX_HEADER;
346                 } // END if
347             } else
348                 tncShift = tncShift >> 1;
349             break;
350
351         case TNC_TX_HEADER:
352             // Determine if we have sent 5 ones in a row, if we have send a zero.
353             if (tncBitStuff == 0x1f) 
354             {
355                 if (tncTxBit == 0)
356                     tncTxBit = 1;
357                 else
358                     tncTxBit = 0;
359
360                 tncBitStuff = 0x00;
361                 return;
362             }    // END if
363
364             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
365             // NRZI enocde the data stream.
366             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
367                 if (tncTxBit == 0)
368                     tncTxBit = 1;
369                 else
370                     tncTxBit = 0;
371             }
372
373             // Save the data stream so we can determine if bit stuffing is 
374             // required on the next bit time.
375             tncBitStuff = ((tncBitStuff << 1) | (tncShift & 0x01)) & 0x1f;
376
377             // If all the bits were shifted, get the next byte.
378             if (++tncBitCount == 8) 
379             {
380                 tncBitCount = 0;
381
382                 // After the header is sent, then send the data.
383                 if (++tncIndex == sizeof(TNC_AX25_HEADER)) 
384                 {
385                     tncIndex = 0;
386                     tncShift = tncBuffer[0];
387                     tncMode = TNC_TX_DATA;
388                 } else
389                     tncShift = TNC_AX25_HEADER[tncIndex];
390
391             } else
392                 tncShift = tncShift >> 1;
393
394             break;
395
396         case TNC_TX_DATA:
397             // Determine if we have sent 5 ones in a row, if we have send a zero.
398             if (tncBitStuff == 0x1f) 
399             {
400                 if (tncTxBit == 0)
401                     tncTxBit = 1;
402                 else
403                     tncTxBit = 0;
404
405                 tncBitStuff = 0x00;
406                 return;
407             }    // END if
408
409             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
410             // NRZI enocde the data stream.
411             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
412                 if (tncTxBit == 0)
413                     tncTxBit = 1;
414                 else
415                     tncTxBit = 0;
416             }
417
418             // Save the data stream so we can determine if bit stuffing is 
419             // required on the next bit time.
420             tncBitStuff = ((tncBitStuff << 1) | (tncShift & 0x01)) & 0x1f;
421
422             // If all the bits were shifted, get the next byte.
423             if (++tncBitCount == 8) 
424             {
425                 tncBitCount = 0;
426
427                 // If everything was sent, transmit closing flags.
428                 if (++tncIndex == tncLength) 
429                 {
430                     tncIndex = 0;
431                     tncShift = 0x7e;
432                     tncMode = TNC_TX_END;
433                 } else
434                     tncShift = tncBuffer[tncIndex];
435
436             } else
437                 tncShift = tncShift >> 1;
438
439             break;
440
441         case TNC_TX_END:
442             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
443             // NRZI enocde the data stream. 
444             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
445                 if (tncTxBit == 0)
446                     tncTxBit = 1;
447                 else
448                     tncTxBit = 0;
449             }
450
451             // If all the bits were shifted, get the next one.
452             if (++tncBitCount == 8) 
453             {
454                 tncBitCount = 0;
455                 tncShift = 0x7e;
456     
457                 // Transmit two closing flags.
458                 if (++tncIndex == 2) 
459                 {
460                     tncMode = TNC_TX_READY;
461
462                     return;
463                 } // END if
464             } else
465                 tncShift = tncShift >> 1;
466
467             break;
468     } // END switch
469 }
470
471 /**
472  *   Generate the plain text position packet.
473  */
474 static void tncPositionPacket(void)
475 {
476     int32_t     latitude = 45.4694766 * 10000000;
477     int32_t     longitude = -122.7376250 * 10000000;
478     uint32_t    altitude = 10000;
479     uint16_t    lat_deg;
480     uint16_t    lon_deg;
481     uint16_t    lat_min;
482     uint16_t    lat_frac;
483     uint16_t    lon_min;
484     uint16_t    lon_frac;
485     int         c;
486
487     char        lat_sign = 'N', lon_sign = 'E';
488
489     if (latitude < 0) {
490         lat_sign = 'S';
491         latitude = -latitude;
492     }
493
494     if (longitude < 0) {
495         lon_sign = 'W';
496         longitude = -longitude;
497     }
498
499     lat_deg = latitude / 10000000;
500     latitude -= lat_deg * 10000000;
501     latitude *= 60;
502     lat_min = latitude / 10000000;
503     latitude -= lat_min * 10000000;
504     lat_frac = (latitude + 50000) / 100000;
505
506     lon_deg = longitude / 10000000;
507     longitude -= lon_deg * 10000000;
508     longitude *= 60;
509     lon_min = longitude / 10000000;
510     longitude -= lon_min * 10000000;
511     lon_frac = (longitude + 50000) / 100000;
512
513     c = sprintf ((char *) tncBufferPnt, "=%02u%02u.%02u%c\\%03u%02u.%02u%cO /A=%06u\015",
514                 lat_deg, lat_min, lat_frac, lat_sign,
515                 lon_deg, lon_min, lon_frac, lon_sign,
516                 altitude * 100 / 3048);
517     tncBufferPnt += c;
518     tncLength += c;
519 }
520
521 static int16_t
522 tncFill(uint8_t *buf, int16_t len)
523 {
524     int16_t     l = 0;
525     uint8_t     b;
526     uint8_t     bit;
527
528     while (tncMode != TNC_TX_READY && l < len) {
529         b = 0;
530         for (bit = 0; bit < 8; bit++) {
531             b = b << 1 | (timeNCO >> 15);
532             timeNCO += timeNCOFreq;
533         }
534         *buf++ = b;
535         l++;
536         tnc1200TimerTick();
537     }
538     if (tncMode == TNC_TX_READY)
539         l = -l;
540     return l;
541 }
542
543 /** 
544  *    Prepare an AX.25 data packet.  Each time this method is called, it automatically
545  *    rotates through 1 of 3 messages.
546  *
547  *    @param dataMode enumerated type that specifies 1200bps A-FSK or 9600bps FSK
548  */
549 void ao_aprs_send(void)
550 {
551     uint16_t crc;
552
553     timeInit();
554     tncInit();
555
556     // Set a pointer to our TNC output buffer.
557     tncBufferPnt = tncBuffer;
558
559     // Set the message length counter.
560     tncLength = 0;
561
562     tncPositionPacket();
563
564     // Calculate the CRC for the header and message.
565     crc = sysCRC16(TNC_AX25_HEADER, sizeof(TNC_AX25_HEADER), 0xffff);
566     crc = sysCRC16(tncBuffer, tncLength, crc ^ 0xffff);
567
568     // Save the CRC in the message.
569     *tncBufferPnt++ = crc & 0xff;
570     *tncBufferPnt = (crc >> 8) & 0xff;
571
572     // Update the length to include the CRC bytes.
573     tncLength += 2;
574
575     // Prepare the variables that are used in the real-time clock interrupt.
576     tncBitCount = 0;
577     tncShift = 0x7e;
578     tncTxBit = 0;
579     tncIndex = 0;
580     tncMode = TNC_TX_SYNC;
581
582     ao_radio_send_lots(tncFill);
583 }
584
585 /** @} */