353 lines
21 KiB
Markdown
353 lines
21 KiB
Markdown
# Описание прошивки zh_avr_touch_pad
|
||
|
||
## Общие сведения
|
||
|
||
**zh_avr_touch_pad** — прошивка для AVR-микроконтроллеров ATMega168/328, реализующая беспроводную сенсорную кнопку на базе трансивера nRF24L01+.
|
||
|
||
Прошивка работает в режиме глубокого сна (Power-down), пробуждается по внешнему прерыванию от сенсорного датчика и передаёт на шлюз пакет с идентификатором устройства и уровнем заряда батареи. При первом запуске выполняется автоматическое сопряжение (pairing) со шлюзом для получения идентификатора устройства, который сохраняется в EEPROM.
|
||
|
||
### Основные возможности
|
||
|
||
1. **Сверхнизкое энергопотребление** — около 2 мкА в режиме сна.
|
||
2. **Передача уровня заряда батареи** — измерение напряжения через внутренний АЦП с опорным напряжением 1,1 В.
|
||
3. **Автоматическое сопряжение со шлюзом** — получение идентификатора устройства по радиоканалу с сохранением в EEPROM.
|
||
4. **Работа по протоколу nRF24L01+** — передача через SPI, адресная доставка на шлюз.
|
||
5. **Поддержка нескольких МК** — ATMega168/168P/168PB/328/328P/328PB.
|
||
6. **Пробуждение по внешнему прерыванию INT1** — rising edge на пине PD3.
|
||
7. **Генерация псевдослучайного токена** — на основе шума АЦП и состояния MCUSR для уникализации запроса сопряжения.
|
||
8. **Watchdog-таймер в режиме прерывания** — используется для таймаутов при сопряжении без сброса МК.
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Внутреннее устройство
|
||
|
||
### Структура передаваемых данных
|
||
|
||
Прошивка не использует динамическое выделение памяти. Все данные хранятся в статической области и регистрах микроконтроллера.
|
||
|
||
Пакет формируется в глобальной переменной `transmitted_data` типа `zh_rf_sensor_transmitted_data_t` из внешней библиотеки `zh_rf_config` и сериализуется функцией `zh_rf_sensor_build_payload()` перед передачей.
|
||
|
||
| Поле | Тип | Описание |
|
||
| ------ | ----- | ---------- |
|
||
| `id` | `int16_t` | Идентификатор устройства, присвоенный шлюзом при сопряжении |
|
||
| `type` | `int16_t` | Тип устройства (`ZH_RF_SENSOR_TOUCH_SWITCH`) |
|
||
| `battery` | `int16_t` | Напряжение батареи × 100 (например, 330 = 3.30 В) |
|
||
|
||
### Конфигурационные макросы
|
||
|
||
| Макрос | Значение | Описание |
|
||
| -------- | ---------- | ---------- |
|
||
| `GATEWAY_CHANNEL` | `120` | Радиоканал шлюза |
|
||
| `GATEWAY_ADDRESS` | `0xDDEEFF` | 3-байтовый адрес шлюза |
|
||
| `EEPROM_DEVICE_ID_ADDR` | `((uint8_t *)0x00)` | Адрес в EEPROM для хранения идентификатора устройства |
|
||
| `DEVICE_ID_UNASSIGNED` | `0xFF` | Значение, обозначающее отсутствие сохранённого идентификатора |
|
||
| `PAIRING_TIMEOUT_ATTEMPTS` | `7` | Максимальное число попыток сопряжения перед уходом в окончательный сон |
|
||
| `WDT_T_250MS` | `0x04` | Таймаут watchdog-таймера 250 мс |
|
||
| `WDT_T_4S` | `0x08` | Таймаут watchdog-таймера 4 с |
|
||
|
||
### Управление памятью
|
||
|
||
Прошивка не использует динамическую память. Глобальная переменная `transmitted_data` заполняется при старте (идентификатор и тип), в рабочем цикле обновляется только поле `battery`. Флаги `send_request`, `nrf_event`, `wdt_event` объявлены как `static volatile uint8_t` для корректного доступа из ISR и главного цикла.
|
||
|
||
### Флаги синхронизации
|
||
|
||
| Флаг | Устанавливается | Используется |
|
||
| ------ | ----------------- | -------------- |
|
||
| `send_request` | ISR `INT1_vect` (касание) | Главный цикл — запуск передачи |
|
||
| `nrf_event` | ISR `INT0_vect` (IRQ nRF24) | Конечный автомат сопряжения |
|
||
| `wdt_event` | ISR `WDT_vect` (watchdog) | Конечный автомат сопряжения |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## API (интерфейс)
|
||
|
||
Все функции являются `static` и доступны только внутри модуля `main.c`.
|
||
|
||
### Инициализация
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
| --------- | ---------- |
|
||
| `zh_pad_interrupt_init()` | Настройка внешнего прерывания INT1 (PD3, rising edge) для пробуждения по касанию |
|
||
| `zh_spi_init()` | Инициализация аппаратного SPI в режиме мастера (Fosc/16) |
|
||
| `zh_nrf24_init()` | Инициализация трансивера nRF24L01+ в режим передачи |
|
||
| `zh_nrf24_interrupt_init()` | Настройка внешнего прерывания INT0 (PD2, falling edge) для сигнала IRQ nRF24 |
|
||
|
||
### Работа с EEPROM
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_load_device_id()` | Чтение идентификатора устройства из EEPROM, возврат `DEVICE_ID_UNASSIGNED` если не сохранён |
|
||
| `zh_save_device_id()` | Сохранение идентификатора устройства в EEPROM |
|
||
|
||
### Измерение
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_get_battery_voltage()` | Измерение напряжения батареи через внутренний АЦП с опорой 1,1 В, возврат значения в вольтах |
|
||
| `zh_get_random_token()` | Генерация 16-битного псевдослучайного токена из шума АЦП и MCUSR для запроса сопряжения |
|
||
|
||
### Передача данных
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_nrf24_send()` | Блокирующая передача буфера через nRF24L01+ с ожиданием завершения по пину IRQ (таймаут 100 мс) |
|
||
| `zh_nrf24_send_no_wait()` | Неблокирующая передача — загружает буфер, импульс CE 15 мкс, завершение по прерыванию IRQ |
|
||
|
||
### Управление режимами nRF24L01+
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_nrf24_enter_rx()` | Переключение nRF24L01+ в режим приёма на трубе 0 |
|
||
| `zh_nrf24_enter_power_down()` | Перевод nRF24L01+ в режим Power Down |
|
||
|
||
### Низкоуровневые SPI-операции
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
| --------- | ---------- |
|
||
| `zh_spi_transfer()` | Обмен одного байта по SPI (полный дуплекс) |
|
||
| `zh_nrf24_send_command()` | Отправка однобайтовой команды и чтение регистра статуса |
|
||
| `zh_nrf24_write_register()` | Запись одного байта в регистр nRF24L01+ |
|
||
| `zh_nrf24_write_buff_register()` | Запись многобайтового буфера в регистр nRF24L01+ |
|
||
| `zh_nrf24_write_buffer()` | Запись буфера данных с указанной SPI-командой |
|
||
| `zh_nrf24_read_payload()` | Чтение принятого пакета из RX FIFO nRF24 в буфер |
|
||
| `zh_nrf24_read_payload_width()` | Чтение длины пакета в RX FIFO nRF24 |
|
||
|
||
### Watchdog-таймер
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_wdt_start()` | Запуск watchdog-таймера в режиме прерывания с указанным таймаутом |
|
||
| `zh_wdt_stop()` | Остановка watchdog-таймера |
|
||
|
||
### Сон и сопряжение
|
||
|
||
| Функция | Описание |
|
||
|---------|----------|
|
||
| `zh_do_pairing()` | Запуск конечного автомата сопряжения со шлюзом для получения идентификатора |
|
||
| `zh_enter_final_sleep()` | Переход в окончательный Power-down сон до сброса: отключение всех прерываний, watchdog, радиомодуля, АЦП, SPI и неиспользуемых периферийных блоков |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Потокобезопасность
|
||
|
||
Прошивка работает на bare-metal AVR без RTOS. Синхронизация между прерываниями и главным циклом реализуется следующим образом:
|
||
|
||
1. **Флаги `volatile`** — переменные `send_request`, `nrf_event`, `wdt_event` объявлены как `static volatile uint8_t`, что гарантирует чтение актуального значения из памяти при каждой проверке в главном цикле.
|
||
2. **Атомарная запись из ISR** — обработка прерывания устанавливает флаг в `true`. Запись одного байта на AVR является атомарной операцией.
|
||
3. **Отключение прерываний при проверке и сбросе флага** — `cli()` перед проверкой и сбросом `send_request` в главном цикле исключает гонку между ISR и главным циклом.
|
||
4. **Отключение прерываний при инициализации** — `cli()` перед настройкой периферии исключает гонки при старте.
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Алгоритмы
|
||
|
||
### Алгоритм сопряжения (pairing)
|
||
|
||
Конечный автомат `zh_do_pairing()` работает в четырёх состояниях:
|
||
|
||
1. **`ZH_RF_PAIR_SEND`** — генерируется псевдослучайный токен, формируется пакет запроса (`zh_rf_sensor_pairing_data_t` с `magic = ZH_RF_PAIRING_REQ_MAGIC`), выполняется неблокирующая передача через `zh_nrf24_send_no_wait()`.
|
||
2. **`ZH_RF_PAIR_TX_WAIT`** — ожидание прерывания IRQ (завершение передачи). Если пин IRQ уже низкий — событие считается наступившим. Иначе — переход в сон с watchdog-таймером 250 мс. При флаге `TX_DS` — переход в приём, при `MAX_RT` — в backoff.
|
||
3. **`ZH_RF_PAIR_RX_WAIT`** — ожидание ответа шлюза. При получении пакета проверяется: длина равна `ZH_RF_PAIRING_PACKET_SIZE`, `magic == ZH_RF_PAIRING_ACK_MAGIC`, тип совпадает, токен совпадает, `id != 0` и `id != DEVICE_ID_UNASSIGNED`. При успехе — сохранение `id` в EEPROM и возврат.
|
||
4. **`ZH_RF_PAIR_BACKOFF`** — переход в Power Down, ожидание 4 с через watchdog. После `PAIRING_TIMEOUT_ATTEMPTS` (7) неудачных попыток — переход в `zh_enter_final_sleep()`.
|
||
|
||
### Алгоритм измерения напряжения батареи
|
||
|
||
- АЦП конфигурируется с внутренним опорным напряжением 1,1 В на канале внутреннего источника 1,1 В (`REFS0=1`, `MUX[3:1]=111`), измеряется отношение AVcc к опоре 1,1 В.
|
||
- Предделитель частоты: 64 (`ADPS[2:0] = 111`), что даёт ~125 кГц при 8 МГц.
|
||
- Выполняются **две последовательные конверсии**: первая стабилизирует выборку, вторая даёт результат.
|
||
- Формула расчёта: `Vbat = (1024.0 × 1.1) / adc_value`.
|
||
- При нулевой выборке (`adc == 0`) возвращается `0.0`.
|
||
- После измерения АЦП отключается сбросом бита `ADEN`.
|
||
|
||
### Алгоритм генерации псевдослучайного токена
|
||
|
||
- Инициальное значение — регистр `MCUSR` (состояние сброса).
|
||
- АЦП запускается на 16 конверсий в канале с внутренним опорным напряжением.
|
||
- На каждой итерации: `token = (token << 1) ^ (token >> 15) ^ ADC` — сдвиг с переносом и XOR с шумом АЦП.
|
||
- Если результат равен 0, возвращается константа `0xACE1`.
|
||
|
||
### Алгоритм блокирующей передачи через nRF24L01+
|
||
|
||
- Переход в Power Up (бит `PWR_UP` в CONFIG).
|
||
- Ожидание 5 мс (время стартования осциллятора).
|
||
- Очистка TX FIFO командой `FLUSH_TX`.
|
||
- Загрузка полезной нагрузки командой `W_TX_PAYLOAD`.
|
||
- Установка CE в 1 для запуска передачи.
|
||
- Ожидание спада пина IRQ (PD2) с таймаутом 100 мс (проверка каждые 1 мс).
|
||
- Сброс CE, чтение статуса, сброс флагов, очистка FIFO, переход в Power Down.
|
||
|
||
### Алгоритм сна и пробуждения
|
||
|
||
- Главный цикл проверяет флаг `send_request`.
|
||
- Если флаг не установлен — вызывается `sleep_cpu()` (режим Power-down).
|
||
- Пробуждение происходит по аппаратному прерыванию INT1 (rising edge на PD3).
|
||
- ISR устанавливает `send_request = true`, цикл просыпается и выполняет передачу.
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Примеры использования
|
||
|
||
### Типовой цикл работы (main)
|
||
|
||
```c
|
||
#include "avr/io.h"
|
||
#include "avr/sleep.h"
|
||
#include "avr/interrupt.h"
|
||
#include "avr/wdt.h"
|
||
#include "math.h"
|
||
#include "stdbool.h"
|
||
#include "zh_rf_config.h"
|
||
|
||
static volatile uint8_t send_request = false;
|
||
zh_rf_sensor_transmitted_data_t transmitted_data = {0};
|
||
|
||
ISR(INT1_vect)
|
||
{
|
||
send_request = true;
|
||
}
|
||
|
||
int main(void)
|
||
{
|
||
transmitted_data.type = ZH_RF_SENSOR_TOUCH_SWITCH;
|
||
MCUSR &= ~(1 << WDRF);
|
||
wdt_disable();
|
||
cli();
|
||
zh_pad_interrupt_init();
|
||
zh_spi_init();
|
||
zh_nrf24_init();
|
||
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
|
||
sei();
|
||
// Загрузка или получение идентификатора устройства
|
||
uint8_t device_id = zh_load_device_id();
|
||
if (device_id == DEVICE_ID_UNASSIGNED)
|
||
{
|
||
device_id = zh_do_pairing();
|
||
}
|
||
transmitted_data.id = (int16_t)device_id;
|
||
for (;;)
|
||
{
|
||
if (send_request == true)
|
||
{
|
||
cli();
|
||
send_request = false;
|
||
sei();
|
||
transmitted_data.battery = (int16_t)lroundf(zh_get_battery_voltage() * 100.0);
|
||
uint8_t payload[ZH_RF_MAX_PAYLOAD_SIZE];
|
||
uint8_t size = zh_rf_sensor_build_payload(&transmitted_data, payload, sizeof(payload));
|
||
if (size > 0)
|
||
{
|
||
zh_nrf24_send(payload, size);
|
||
}
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
cli();
|
||
if (send_request == false)
|
||
{
|
||
sleep_enable();
|
||
sei();
|
||
sleep_cpu();
|
||
}
|
||
sei();
|
||
sleep_disable();
|
||
}
|
||
}
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### Назначение пинов AVR для nRF24L01+
|
||
|
||
```c
|
||
// PB2 (SS) -> CSN (выбор кристалла SPI, активный низкий)
|
||
// PB3 (MOSI) -> MOSI
|
||
// PB4 (MISO) -> MISO
|
||
// PB5 (SCK) -> SCK
|
||
// PB1 -> CE (запуск передачи/приёма)
|
||
// PD2 (INT0) -> IRQ (вход, активный низкий, с подтяжкой к VCC)
|
||
// PD3 (INT1) -> Выход сенсорного датчика (rising edge, без подтяжки)
|
||
```
|
||
|
||
### Изменение конфигурации шлюза
|
||
|
||
```c
|
||
// Измените адрес и канал под ваш шлюз
|
||
#define GATEWAY_CHANNEL 120
|
||
#define GATEWAY_ADDRESS 0xDDEEFF
|
||
// Тип устройства задаётся перечислением ZH_RF_SENSOR_TOUCH_SWITCH из zh_rf_config
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Ошибки
|
||
|
||
Прошивка не возвращает коды ошибок в стиле ESP-IDF. Все функции имеют тип `void` или возвращают однобайтовый статус SPI (`uint8_t`) для низкоуровневых операций.
|
||
|
||
| Условие | Поведение |
|
||
| --------- | ----------- |
|
||
| Нулевое показание АЦП | `zh_get_battery_voltage()` возвращает `0.0` |
|
||
| Превышение таймаута передачи (100 мс) | Передача прерывается, пакет теряется |
|
||
| Неверная длина принятого пакета при сопряжении | Пакет отбрасывается, переход в `ZH_RF_PAIR_BACKOFF` |
|
||
| Превышение числа попыток сопряжения (7) | `zh_enter_final_sleep()` — сон до сброса |
|
||
| `zh_rf_sensor_build_payload()` возвращает 0 | Передача пропускается, переход в `zh_enter_final_sleep()` |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Ограничения
|
||
|
||
1. **Только передача (TX-only) в рабочем цикле** — приём используется исключительно на этапе сопряжения, шлюз не может отправить данные устройству в штатном режиме.
|
||
2. **Отсутствие шифрования** — CRC включён, но AES-шифрование не используется. Пакеты могут быть перехвачены.
|
||
3. **Жёстко зашитый адрес и канал шлюза** — смена `GATEWAY_ADDRESS` или `GATEWAY_CHANNEL` требует перепрошивки.
|
||
4. **Таймаут блокирующей передачи 100 мс** — если шлюз недоступен, пакет теряется без повторной попытки на уровне приложения (аппаратные ретрансмиты настроены через `SETUP_RETR = 0xFF`: 15 попыток с максимальным интервалом).
|
||
5. **Одно сенсорное событие за цикл** — несколько касаний во время передачи будут потеряны (флаг `send_request` — один бит).
|
||
6. **Точность измерения батареи** — зависит от стабильности внутреннего опорного напряжения 1,1 В и может отличаться от реального напряжения на ±3%.
|
||
7. **SPI остаётся включённым в режиме сна** — перед окончательным сном SPI отключается в `zh_enter_final_sleep()`, но в штатном режиме ожидания SPI не отключается между передачами.
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Требования для сборки
|
||
|
||
- PlatformIO с плагином `platform-atmelavr`
|
||
- AVR-GCC (входит в состав PlatformIO)
|
||
- Библиотека `zh_rf_config` (подключается через `lib_deps` в `platformio.ini`)
|
||
- Программатор USBasp (или совместимый)
|
||
- Фьюзы: LFUSE=`0xE2`, HFUSE=`0xDF`, EFUSE=`0x07` (8 МГц, без делителя)
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## Установка
|
||
|
||
### Сборка и прошивка через PlatformIO
|
||
|
||
```bash
|
||
git clone https://github.com/aZholtikov/zh_avr_touch_pad
|
||
cd zh_avr_touch_pad
|
||
pio run -e ATmega328P -t upload
|
||
```
|
||
|
||
### Подключение в проекте
|
||
|
||
Компонент является самодостаточной прошивкой — не подключается как библиотека. Для интеграции в другой проект скопируйте `src/main.c`, добавьте зависимость `zh_rf_config` и адаптируйте макросы конфигурации.
|
||
|
||
```ini
|
||
; platformio.ini
|
||
lib_deps =
|
||
https://github.com/aZholtikov/zh_rf_config
|
||
```
|
||
|
||
### Подключение заголовков в коде
|
||
|
||
```c
|
||
// Зависимости: стандартные заголовки AVR-libc и конфигурация протокола
|
||
#include "avr/io.h"
|
||
#include "avr/sleep.h"
|
||
#include "avr/fuse.h"
|
||
#include "avr/interrupt.h"
|
||
#include "avr/eeprom.h"
|
||
#include "avr/wdt.h"
|
||
#include "util/delay.h"
|
||
#include "math.h"
|
||
#include "stdbool.h"
|
||
#include "zh_rf_config.h"
|
||
```
|