altos: Switch APRS altitude encoding computation to fixed point
[fw/altos] / src / drivers / ao_aprs.c
index d472af4eb336fa7669d06cd58a1c252c775bf4ca..8a1b6a4df2763e1e74ec9f61a082dc012f0da082 100644 (file)
 #endif
 
 #include <ao_aprs.h>
-#include <math.h>
 
 // Public methods, constants, and data structures for each class.
 
@@ -500,32 +499,196 @@ static int ao_num_sats(void)
     return n;
 }
 
+static char ao_gps_locked(void)
+{
+    if (ao_gps_data.flags & AO_GPS_VALID)
+       return 'L';
+    else
+       return 'U';
+}
+
 static int tncComment(uint8_t *buf)
 {
 #if HAS_ADC
        struct ao_data packet;
-       
+
        ao_arch_critical(ao_data_get(&packet););
 
        int16_t battery = ao_battery_decivolt(packet.adc.v_batt);
+#ifdef AO_SENSE_DROGUE
        int16_t apogee = ao_ignite_decivolt(AO_SENSE_DROGUE(&packet));
+#endif
+#ifdef AO_SENSE_MAIN
        int16_t main = ao_ignite_decivolt(AO_SENSE_MAIN(&packet));
+#endif
 
        return sprintf((char *) buf,
-                      "S: %d B:%d.%d A:%d.%d M:%d.%d",
+                      "%c%d B%d.%d"
+#ifdef AO_SENSE_DROGUE
+                      " A%d.%d"
+#endif
+#ifdef AO_SENSE_MAIN
+                      " M%d.%d"
+#endif
+                      , ao_gps_locked(),
                       ao_num_sats(),
                       battery/10,
-                      battery % 10,
-                      apogee/10,
-                      apogee%10,
-                      main/10,
-                      main%10);
+                      battery % 10
+#ifdef AO_SENSE_DROGUE
+                      , apogee/10,
+                      apogee%10
+#endif
+#ifdef AO_SENSE_MAIN
+                      , main/10,
+                      main%10
+#endif
+               );
 #else
        return sprintf((char *) buf,
-                      "S: %d", ao_num_sats());
+                      "%c%d",
+                      ao_gps_locked(),
+                      ao_num_sats());
 #endif
 }
 
+/*
+ * APRS use a log encoding of altitude with a base of 1.002, such that
+ *
+ *     feet = 1.002 ** encoded_altitude
+ *
+ *     meters = (1.002 ** encoded_altitude) * 0.3048
+ *
+ *     log2(meters) = log2(1.002 ** encoded_altitude) + log2(0.3048)
+ *
+ *     log2(meters) = encoded_altitude * log2(1.002) + log2(0.3048)
+ *
+ *     encoded_altitude = (log2(meters) - log2(0.3048)) / log2(1.002)
+ *
+ *     encoded_altitude = (log2(meters) + log2(1/0.3048)) * (1/log2(1.002))
+ *
+ * We need 9 bits of mantissa to hold 1/log2(1.002) (~ 347), which leaves us
+ * 23 bits of fraction. That turns out to be *just* enough to avoid any
+ * errors in the result (cool, huh?).
+ */
+
+#define fixed23_int(x)         ((uint32_t) ((x) << 23))
+#define fixed23_one            fixed23_int(1)
+#define fixed23_two            fixed23_int(2)
+#define fixed23_half           (fixed23_one >> 1)
+#define fixed23_floor(x)       ((x) >> 23)
+#define fixed23_real(x)                ((uint32_t) ((x) * fixed23_one + 0.5))
+
+static inline uint64_t
+fixed23_mul(uint32_t x, uint32_t y)
+{
+       return ((uint64_t) x * y + fixed23_half) >> 23;
+}
+
+/*
+ * Use 30 fraction bits for the altitude. We need two bits at the
+ * top as we need to handle x, where 0 <= x < 4. We don't
+ * need 30 bits, but it's actually easier this way as we normalize
+ * the incoming value to 1 <= x < 2, and having the integer portion
+ * way up high means we don't have to deal with shifting in both
+ * directions to cover from 0 to 2**30-1.
+ */
+
+#define fixed30_int(x) ((uint32_t) ((x) << 30))
+#define fixed30_one    fixed30_int(1)
+#define fixed30_half   (fixed30_one >> 1)
+#define fixed30_two    fixed30_int(2)
+
+static inline uint32_t
+fixed30_mul(uint32_t x, uint32_t y)
+{
+       return ((uint64_t) x * y + fixed30_half) >> 30;
+}
+
+/*
+ * Fixed point log2. Takes integer argument, returns
+ * fixed point result with 23 bits of fraction
+ */
+
+static uint32_t
+ao_fixed_log2(uint32_t x)
+{
+       uint32_t        result;
+       uint32_t        frac = fixed23_one;
+
+       /* Bounds check for sanity */
+       if (x <= 0)
+               return 0;
+
+       if (x >= fixed30_one)
+               return 0xffffffff;
+
+       /*
+        * Normalize and compute integer log portion
+        *
+        * This makes 1 <= x < 2, and computes result to be
+        * the integer portion of the log2 of x
+        */
+
+       for (result = fixed23_int(30); x < fixed30_one; result -= fixed23_one, x <<= 1)
+               ;
+
+       /*
+        * Given x, find y and n such that:
+        *
+        *      x = y * 2**n            1 <= y < 2
+        *
+        * That means:
+        *
+        *      lb(x) = n + lb(y)
+        *
+        * Now, repeatedly square y to find find z and m such that:
+        *
+        *      z = y ** (2**m) 2 <= z < 4
+        *
+        * This is possible because 1 <= y < 2
+        *
+        *      lb(y) = lb(z) / 2**m
+        *
+        *              (1 + lb(z/2))
+        *            = -------------
+        *                  2**m
+        *
+        *            = 2**-m + 2**-m * lb(z/2)
+        *
+        * Note that if 2 <= z < 4, then 1 <= (z/2) < 2, so we can
+        * iterate to find lb(z/2)
+        *
+        * In this implementation, we don't care about the 'm' value,
+        * instead we only care about 2**-m, which we store in 'frac'
+        */
+
+       while (frac != 0 && x != fixed30_one) {
+               /* Repeatedly square x until 2 <= x < 4 */
+               while (x < fixed30_two) {
+                       x = fixed30_mul(x, x);
+
+                       /* Divide the fractional result bit by 2 */
+                       frac >>= 1;
+               }
+
+               /* Add in this result bit */
+               result |= frac;
+
+               /* Make 1 <= x < 2 again and iterate */
+               x >>= 1;
+       }
+       return result;
+}
+
+#define APRS_LOG_CONVERT       fixed23_real(1.714065192056127)
+#define APRS_LOG_BASE          fixed23_real(346.920048461100941)
+
+static int
+ao_aprs_encode_altitude(int meters)
+{
+       return fixed23_floor(fixed23_mul(ao_fixed_log2(meters) + APRS_LOG_CONVERT, APRS_LOG_BASE) + fixed23_half);
+}
+
 /**
  *   Generate the plain text position packet.
  */
@@ -554,10 +717,7 @@ static int tncPositionPacket(void)
     lat = ((uint64_t) 380926 * (900000000 - latitude)) / 10000000;
     lon = ((uint64_t) 190463 * (1800000000 + longitude)) / 10000000;
 
-#define ALTITUDE_LOG_BASE      0.001998002662673f      /* log(1.002) */
-
-    alt = (altitude * (int32_t) 10000 + (3048/2)) / (int32_t) 3048;
-    alt = logf((float) altitude) * (1/ALTITUDE_LOG_BASE);
+    alt = ao_aprs_encode_altitude(altitude);
 
     tncCompressInt(buf, lat, 4);
     buf += 4;