7e9013a0b932f4bdb6426db43816f1da1a69658d
[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 void ddsInit();
156 void ddsSetAmplitude (uint8_t amplitude);
157 void ddsSetOutputScale (uint16_t amplitude);
158 void ddsSetFSKFreq (uint32_t ftw0, uint32_t ftw1);
159 void ddsSetFreq (uint32_t freq);
160 void ddsSetFTW (uint32_t ftw);
161
162 uint16_t sysCRC16(uint8_t *buffer, uint8_t length, uint16_t crc);
163
164 void timeInit();
165 void timeSetDutyCycle (uint8_t dutyCycle);
166 void timeUpdate();
167
168 void tncInit();
169 void tnc1200TimerTick();
170 void tncTxByte (uint8_t value);
171 void tncTxPacket(void);
172
173 /** @} */
174
175 /**
176  *  @defgroup sys System Library Functions
177  *
178  *  Generic system functions similiar to the run-time C library.
179  *
180  *  @{
181  */
182
183 /**
184  *    Calculate the CRC-16 CCITT of buffer that is length bytes long.
185  *    The crc parameter allow the calculation on the CRC on multiple buffers.
186  *
187  *    @param buffer Pointer to data buffer.
188  *    @param length number of bytes in data buffer
189  *    @param crc starting value
190  *
191  *    @return CRC-16 of buffer[0 .. length]
192  */
193 uint16_t sysCRC16(uint8_t *buffer, uint8_t length, uint16_t crc)
194 {
195     uint8_t i, bit, value;
196
197     for (i = 0; i < length; ++i) 
198     {
199         value = buffer[i];
200
201         for (bit = 0; bit < 8; ++bit) 
202         {
203             crc ^= (value & 0x01);
204             crc = ( crc & 0x01 ) ? ( crc >> 1 ) ^ 0x8408 : ( crc >> 1 );
205             value = value >> 1;
206         } // END for
207     } // END for
208
209     return crc ^ 0xffff;
210 }
211
212 /** @} */
213
214 /**
215  *  @defgroup rtc Real Time Interrupt tick
216  *
217  *  Manage the built-in real time interrupt.  The interrupt clock PRI is 104uS (9600 bps).
218  *
219  *  @{
220  */
221
222 /// 16-bit NCO where the upper 8-bits are used to index into the frequency generation table.
223 uint16_t timeNCO;
224
225 /// Audio tone NCO update step (phase).
226 uint16_t timeNCOFreq;
227
228 /// Counter used to deciminate down from the 104uS to 833uS interrupt rate.  (9600 to 1200 baud) 
229 uint8_t timeLowRateCount;
230
231 /**
232  *   Initialize the real-time clock.
233  */
234 void timeInit()
235 {
236     timeNCO = 0x00;
237     timeLowRateCount = 0;
238     timeNCOFreq = 0x2000;
239 }
240
241 /**
242  *   Timer interrupt handler called every 104uS (9600 times/second).
243  */
244 void timeUpdate()
245 {
246     putchar ((timeNCO >> 8) < 0x80 ? 0xc0 : 0x40);
247
248     timeNCO += timeNCOFreq;
249
250     if (++timeLowRateCount == 8) 
251     {
252         timeLowRateCount = 0;
253         tnc1200TimerTick();
254     } // END if
255 }
256
257 /** @} */
258
259 /**
260  *  @defgroup tnc TNC (Terminal Node Controller)
261  *
262  *  Functions that provide a subset of the TNC functions.
263  *
264  *  @{
265  */
266
267 /// The number of start flag bytes to send before the packet message.  (360bits * 1200bps = 300mS)
268 #define TNC_TX_DELAY 45
269
270 /// The size of the TNC output buffer.
271 #define TNC_BUFFER_SIZE 80
272
273 /// States that define the current mode of the 1200 bps (A-FSK) state machine.
274 typedef enum
275 {
276     /// Stand by state ready to accept new message.
277     TNC_TX_READY,
278
279     /// 0x7E bit stream pattern used to define start of APRS message.
280     TNC_TX_SYNC,
281
282     /// Transmit the AX.25 header that contains the source/destination call signs, APRS path, and flags.
283     TNC_TX_HEADER,
284
285     /// Transmit the message data.
286     TNC_TX_DATA,
287
288     /// Transmit the end flag sequence.
289     TNC_TX_END
290 } TNC_TX_1200BPS_STATE;
291
292 /// AX.25 compliant packet header that contains destination, station call sign, and path.
293 /// 0x76 for SSID-11, 0x78 for SSID-12
294 uint8_t TNC_AX25_HEADER[30] = { 
295     'A' << 1, 'P' << 1, 'R' << 1, 'S' << 1, ' ' << 1, ' ' << 1, 0x60, \
296     'K' << 1, 'D' << 1, '7' << 1, 'S' << 1, 'Q' << 1, 'G' << 1, 0x76, \
297     'G' << 1, 'A' << 1, 'T' << 1, 'E' << 1, ' ' << 1, ' ' << 1, 0x60, \
298     'W' << 1, 'I' << 1, 'D' << 1, 'E' << 1, '3' << 1, ' ' << 1, 0x67, \
299     0x03, 0xf0 };
300
301 /// The next bit to transmit.
302 uint8_t tncTxBit;
303
304 /// Current mode of the 1200 bps state machine.
305 TNC_TX_1200BPS_STATE tncMode;
306
307 /// Counter for each bit (0 - 7) that we are going to transmit.
308 uint8_t tncBitCount;
309
310 /// A shift register that holds the data byte as we bit shift it for transmit.
311 uint8_t tncShift;
312
313 /// Index into the APRS header and data array for each byte as we transmit it.
314 uint8_t tncIndex;
315
316 /// The number of bytes in the message portion of the AX.25 message.
317 uint8_t tncLength;
318
319 /// A copy of the last 5 bits we've transmitted to determine if we need to bit stuff on the next bit.
320 uint8_t tncBitStuff;
321
322 /// Pointer to TNC buffer as we save each byte during message preparation.
323 uint8_t *tncBufferPnt;
324
325 /// Buffer to hold the message portion of the AX.25 packet as we prepare it.
326 uint8_t tncBuffer[TNC_BUFFER_SIZE];
327
328 /** 
329  *   Initialize the TNC internal variables.
330  */
331 void tncInit()
332 {
333     tncTxBit = 0;
334     tncMode = TNC_TX_READY;
335 }
336
337 /**
338  *   Method that is called every 833uS to transmit the 1200bps A-FSK data stream.
339  *   The provides the pre and postamble as well as the bit stuffed data stream.
340  */
341 void tnc1200TimerTick()
342 {
343     // Set the A-FSK frequency.
344     if (tncTxBit == 0x00)
345         timeNCOFreq = 0x2000;
346     else
347         timeNCOFreq = 0x3aab;
348
349     switch (tncMode) 
350     {
351         case TNC_TX_READY:
352             // Generate a test signal alteranting between high and low tones.
353             tncTxBit = (tncTxBit == 0 ? 1 : 0);
354             break;
355
356         case TNC_TX_SYNC:
357             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
358             // NRZI enocde the data stream.
359             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
360                 if (tncTxBit == 0)
361                     tncTxBit = 1;
362                 else
363                     tncTxBit = 0;
364             }
365                     
366             // When the flag is done, determine if we need to send more or data.
367             if (++tncBitCount == 8) 
368             {
369                 tncBitCount = 0;
370                 tncShift = 0x7e;
371
372                 // Once we transmit x mS of flags, send the data.
373                 // txDelay bytes * 8 bits/byte * 833uS/bit = x mS
374                 if (++tncIndex == TNC_TX_DELAY) 
375                 {
376                     tncIndex = 0;
377                     tncShift = TNC_AX25_HEADER[0];
378                     tncBitStuff = 0;
379                     tncMode = TNC_TX_HEADER;
380                 } // END if
381             } else
382                 tncShift = tncShift >> 1;
383             break;
384
385         case TNC_TX_HEADER:
386             // Determine if we have sent 5 ones in a row, if we have send a zero.
387             if (tncBitStuff == 0x1f) 
388             {
389                 if (tncTxBit == 0)
390                     tncTxBit = 1;
391                 else
392                     tncTxBit = 0;
393
394                 tncBitStuff = 0x00;
395                 return;
396             }    // END if
397
398             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
399             // NRZI enocde the data stream.
400             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
401                 if (tncTxBit == 0)
402                     tncTxBit = 1;
403                 else
404                     tncTxBit = 0;
405             }
406
407             // Save the data stream so we can determine if bit stuffing is 
408             // required on the next bit time.
409             tncBitStuff = ((tncBitStuff << 1) | (tncShift & 0x01)) & 0x1f;
410
411             // If all the bits were shifted, get the next byte.
412             if (++tncBitCount == 8) 
413             {
414                 tncBitCount = 0;
415
416                 // After the header is sent, then send the data.
417                 if (++tncIndex == sizeof(TNC_AX25_HEADER)) 
418                 {
419                     tncIndex = 0;
420                     tncShift = tncBuffer[0];
421                     tncMode = TNC_TX_DATA;
422                 } else
423                     tncShift = TNC_AX25_HEADER[tncIndex];
424
425             } else
426                 tncShift = tncShift >> 1;
427
428             break;
429
430         case TNC_TX_DATA:
431             // Determine if we have sent 5 ones in a row, if we have send a zero.
432             if (tncBitStuff == 0x1f) 
433             {
434                 if (tncTxBit == 0)
435                     tncTxBit = 1;
436                 else
437                     tncTxBit = 0;
438
439                 tncBitStuff = 0x00;
440                 return;
441             }    // END if
442
443             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
444             // NRZI enocde the data stream.
445             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
446                 if (tncTxBit == 0)
447                     tncTxBit = 1;
448                 else
449                     tncTxBit = 0;
450             }
451
452             // Save the data stream so we can determine if bit stuffing is 
453             // required on the next bit time.
454             tncBitStuff = ((tncBitStuff << 1) | (tncShift & 0x01)) & 0x1f;
455
456             // If all the bits were shifted, get the next byte.
457             if (++tncBitCount == 8) 
458             {
459                 tncBitCount = 0;
460
461                 // If everything was sent, transmit closing flags.
462                 if (++tncIndex == tncLength) 
463                 {
464                     tncIndex = 0;
465                     tncShift = 0x7e;
466                     tncMode = TNC_TX_END;
467                 } else
468                     tncShift = tncBuffer[tncIndex];
469
470             } else
471                 tncShift = tncShift >> 1;
472
473             break;
474
475         case TNC_TX_END:
476             // The variable tncShift contains the lastest data byte.
477             // NRZI enocde the data stream. 
478             if ((tncShift & 0x01) == 0x00) {
479                 if (tncTxBit == 0)
480                     tncTxBit = 1;
481                 else
482                     tncTxBit = 0;
483             }
484
485             // If all the bits were shifted, get the next one.
486             if (++tncBitCount == 8) 
487             {
488                 tncBitCount = 0;
489                 tncShift = 0x7e;
490     
491                 // Transmit two closing flags.
492                 if (++tncIndex == 2) 
493                 {
494                     tncMode = TNC_TX_READY;
495
496                     return;
497                 } // END if
498             } else
499                 tncShift = tncShift >> 1;
500
501             break;
502     } // END switch
503 }
504
505 /**
506  *   Generate the plain text position packet. Data is written through the tncTxByte
507  *   callback function
508  */
509 void tncPositionPacket(void)
510 {
511     int32_t     latitude = 45.4694766 * 10000000;
512     int32_t     longitude = -122.7376250 * 10000000;
513     uint32_t    altitude = 10000;
514     uint16_t    lat_deg;
515     uint16_t    lon_deg;
516     uint16_t    lat_min;
517     uint16_t    lat_frac;
518     uint16_t    lon_min;
519     uint16_t    lon_frac;
520     int         c;
521
522     char        lat_sign = 'N', lon_sign = 'E';
523
524     if (latitude < 0) {
525         lat_sign = 'S';
526         latitude = -latitude;
527     }
528
529     if (longitude < 0) {
530         lon_sign = 'W';
531         longitude = -longitude;
532     }
533
534     lat_deg = latitude / 10000000;
535     latitude -= lat_deg * 10000000;
536     latitude *= 60;
537     lat_min = latitude / 10000000;
538     latitude -= lat_min * 10000000;
539     lat_frac = (latitude + 50000) / 100000;
540
541     lon_deg = longitude / 10000000;
542     longitude -= lon_deg * 10000000;
543     longitude *= 60;
544     lon_min = longitude / 10000000;
545     longitude -= lon_min * 10000000;
546     lon_frac = (longitude + 50000) / 100000;
547
548     c = sprintf ((char *) tncBufferPnt, "=%02u%02u.%02u%c\\%03u%02u.%02u%cO /A=%06u\015",
549                 lat_deg, lat_min, lat_frac, lat_sign,
550                 lon_deg, lon_min, lon_frac, lon_sign,
551                 altitude * 100 / 3048);
552     tncBufferPnt += c;
553     tncLength += c;
554 }
555
556 /** 
557  *    Prepare an AX.25 data packet.  Each time this method is called, it automatically
558  *    rotates through 1 of 3 messages.
559  *
560  *    @param dataMode enumerated type that specifies 1200bps A-FSK or 9600bps FSK
561  */
562 void tncTxPacket(void)
563 {
564     uint16_t crc;
565
566     // Set a pointer to our TNC output buffer.
567     tncBufferPnt = tncBuffer;
568
569     // Set the message length counter.
570     tncLength = 0;
571
572     tncPositionPacket();
573
574     // Calculate the CRC for the header and message.
575     crc = sysCRC16(TNC_AX25_HEADER, sizeof(TNC_AX25_HEADER), 0xffff);
576     crc = sysCRC16(tncBuffer, tncLength, crc ^ 0xffff);
577
578     // Save the CRC in the message.
579     *tncBufferPnt++ = crc & 0xff;
580     *tncBufferPnt = (crc >> 8) & 0xff;
581
582     // Update the length to include the CRC bytes.
583     tncLength += 2;
584
585     // Prepare the variables that are used in the real-time clock interrupt.
586     tncBitCount = 0;
587     tncShift = 0x7e;
588     tncTxBit = 0;
589     tncIndex = 0;
590     tncMode = TNC_TX_SYNC;
591
592     // Turn on the PA chain.
593 //    output_high (IO_PTT);
594
595     // Wait for the PA chain to power up.
596 //    delay_ms (10);
597
598     // Key the DDS.
599 //    output_high (IO_OSK);
600
601     // Log the battery and reference voltage just after we key the transmitter.
602 //    sysLogVoltage();
603     while (tncMode != TNC_TX_READY)
604         timeUpdate();
605 }
606
607 /** @} */