Projet Barbapapa - Carte électronique

Le Projet Barbapapa est un projet surprise qui réunit des anciens JINs.

L'une des parties de ce projet est un objet intéractif, ce dépôt en contient la partie firmware conçue pour aller de pair avec sa partie électronique.

Objectifs

Le firmware présent dans ce dépôt doit pouvoir contrôler les différents éléments de la carte électronique :

• Contrôle de puissance
  • Allumage et extinction du régulateur principal
  • Surveillance du niveau de la batterie (approximatif)
• Contrôle des modules périphériques
  • LCD
  • RFID
  • (LED potentiellement)
• Contrôle de l'amplificateur
  • Jouer des sons
  • Contrôle du gain

Les données utilisées pour l'affichage sur le LCD ou pour la sortie audio doivent être chargés depuis une carte SD insérée dans la carte microcontrôleur.

En plus de contrôler la carte, le firmware doit pouvoir intéragir avec une application développée sur Unity.
En premier lieu, il doit renvoyer des identifiants correspondants aux tags RFID détectés.

Sur le long terme, le logiciel doit pouvoir permettre de mettre à jour les tags, changer les associations, potentiellement modifier les fichiers directement, se synchroniser avec le firmware et potentiellement le mettre à jour.

Statut

• Contrôle de puissance
  • Allumage et extinction du régulateur
  • Contrôle minimal des modules
  • Gestion de la batterie
• Contrôle des modules
  • RFID (base)
  • RFID (avancé, écriture des tags)
  • RFID (deux lecteurs)
  • LCD (base)
  • LCD (animations)
  • LCD (UI)
  • Audio (sons de figurines)
  • Audio (sons d'UI)
  • Audio (gain ?)
• Communication avec logiciel
  • Retour basique des tags
  • Communication HID automatique
  • Écriture possible des tags
• Bonus - Aucun garantis
  • Synchronisation des listes
  • Mise à jour des fichiers
  • Mise à jour du firmware

Pré-requis

Le code est relativement spécifique à la carte électronique, peu d'effort sera réalisé pour le rendre flexible sur ce point.

Pour compiler et mettre à jour la carte

Ce projet utilise Platformio pour gérer la compilation, mise à jour et suivi des dépendances.

Pour mettre à jour la carte, une fois connectée, vous pouvez lancer la commande suivante :

platformio run -e prod -t upload

Pour utiliser l'environnement de développement et désactiver la communication HID, utilisez la commande suivante :

platformio run -e dev -t upload

Carte cible

La structure du code assume une carte Teensy. En particulier, il est conçu pour la Teensy 4.1.

Carte SD et données

La carte SD est utilisée pour lire les animations et les sons, lors de l'utilisation des figurines ou pour des cas génériques (démarrage, batterie faible…).
Le firmware attend les fichiers dans certains endroits et sous certaines formes, détaillés ici.

Structure de fichiers

Les fichiers sur la carte SD sont structurés comme suit (notez les majuscules) :

/
├── RANDONNEE/
│   ├── ANIM/
│   │   ├── 00
│   │   ├── 01
│   │   ├── 02
│   │   ├── ..
│   │   └── XX
│   └── ENTRY.WAV
├── RESTO/
│   ├── ANIM/
│   │   └── ..
│   └── ENTRY.WAV
├── .../
└── SYS/
    ├── ANIM*/
    ├── ../
    └── *.WAV

Tous les fichiers liés à une figurine en particulier doivent être placés dans un dossier associé au nom de la figurine.
Les noms attendus sont ceux des tableaux définis dans src/IDs.cpp.
Les différentes images d'une même animation doivent être dans un même dossier, numérotés dans l'ordre avec deux chiffres et sans extension, les fichiers audio doivent garder leur extension.

Le dossier SYS sera utilisé pour toute interaction qui n'est pas liée à une figurine.

Structure des données

Audio

Le format audio supporté est assez précis : les fichiers doivent être des WAV 16 bit PCM, 44100 Hz.
Mono ou stéréo n'est pas important : la carte ne supporte qu'un haut-parleur, les deux canaux stéréo seront moyennés (Gauche+Droit)/2.

Animations

Le format des animations est d'autant plus précis et particulier et demandera probablement du traitement pour qu'elles soient correctes.

Tout d'abord, chaque image de l'animation doit être dans son propre fichier, un seul fichier pour l'animation (comme un gif) n'est pas possible.

L'écran LCD choisi est un module pour écran Nokia 5110 de 84x48 pixels monochromes, les images de l'animation doivent donc être à ce format et monochromes.
L'image attendue est exclusivement une bitmap d'un bit par pixel, sans aucune autre information.
De plus, il est probable que les bits attendus soient inversés par rapport à ceux produits "logiquement" depuis un programme normal. Par exemple 0b11001100 devrait en réalité être 0b00110011.

Je n'ai pas connaissance d'un format connu qui peut être généré depuis un logiciel et répondre à ces conditions, cependant il est possible d'y arriver automatiquement avec quelques opérations de transformation.
Pour la facilité, il est donc possible d'arriver aux fichiers individuels requis à partir d'un simple gif aux proportions correctes.

À l'aide d'ImageMagick, on peut découper le gif en ses images individuelles, et les convertir en un format de bitmap presque correct (aux bits inversés) avec la commande suivante :

convert <animation>.gif -coalesce -resize 84x48 -threshold 50% %02d.mono

Il peut être nécessaire d'inverser les bits comme mentionné plus haut et je n'ai pas trouvé de façon existante de le faire. Vous trouverez donc dans Utils/bitmap_helper un projet Rust qui permet de réaliser cette opération sur les fichiers produits par la commande ci-dessus.
Une fois compilé, vous pouvez convertir les fichiers .mono dans le format adapté (avec une extension .bin en les passant à l'utilitaire :

bitmap_helper *.mono

N'oubliez pas de retirer l'extension et de les placer dans un dossier ANIM sur la carte SD, comme décrit ci-dessus.

Un script bash est aussi fourni pour automatiser tout ce processus : Utils/convertAnimGif.sh.

Interfaçage avec l'application Unity

Afin de permettre la détection automatique de l'objet, la communication se fait par Human Interface Device (HID).
La communication HID est possible grâce aux bibliothèques de Teensyduino qui fournissent des fonctionnalités de base.
Ces fonctionnalités ne sont pas idéales et gâchent pas mal de bande passante, en effet par défaut on ne peut qu'envoyer des rapports HIDs de 64 octets, malgré le besoin de n'en consommer que quelques-uns dans le cas général.
Faute de vouloir modifier les bibliothèques Teensyduino, nous nous contenterons de ce gâchis, la Teensy étant absurdement rapide de toute façon.

Protocole

Le protocole est constitué de messages avec un octet d'en-tête, puis d'un message de longueur définie par l'en-tête, potentiellement variable jusqu'au maximum de 64 octets (avec en-tête).

Changement de figurine

En-tête : @
Longueur : 1 octet
Description : Message envoyé lors de la dépose ou du retrait d'une figurine. Il contient l'ID de la figurine sur les bits 0-5 de l'octet, si la figurine est un personnage (1) ou une année (0) sur le bit 6 et si la figurine a été posée (0) ou retirée (1) sur le bit 7.
Ainsi, si on interprète l'octet comme un nombre signé, si le nombre est négatif on sait que la figurine a été retirée.
Dû à un détail d'implémentation, l'identifiant 127 est invalide et réservé.

Schéma

Octet 1
┌─┬─┬───────────┐  
│D│C│ Figure ID │  
└─┴─┴───────────┘  
  7             0 - Bits

D: bit 7, 1 si enlevé, 0 sinon
C: bit 6, 1 si personnage, 0 si année

Requête d'information pour la programmation de tag

En-tête : ?
Longueur : 0 octets
Description : Message vide envoyé du logiciel vers l'objet pour demander les informations complètes qui permettront de programmer les tags.
Il attend une réponse de l'objet, décrit dans la catégorie suivante.

Réponse d'information pour la programmation de tag

En-tête : !
Longueur : 1 + 5*n octets, n le nombre de figurines présentes (>=0)
Description : Message de réponse à la requête d'information pour la programmation des tags.
Le premier octet est fixé et indique le nombre de figurines présentes, et donc le nombre d'entrées dans le message. Ensuite, chaque entrée est constituée de l'ID actuel, sur un octet, puis de l'UID du tag, sur quatre octets.
C'est l'UID qui est utilisé dans la demande de programmation pour sélectionner le tag.

Schéma

   │Optional, N records
 ┌─┼────┬──┬────┬──┐
 │N│UID1│I1│UID2│I2│...
 └─┴────┴──┴────┴──┘
 0 1    5  6    10 11 - Octets

N : Nombre de tags présents, 1 octet
UIDn : UID du tag n, 4 octets
In : ID du tag n, 1 octet

Message de programmation de tag

En-tête : =
Longueur : 5 octets
Description : Message envoyé par le logiciel à l'objet, permet de changer (programmer) l'ID stocké dans un tag.
Le contenu est formaté de façon similaire à la réponse d'information : l'UID du tag à programmer, sur quatre octets, puis le nouvel identifiant du tag, sur un octet.
On ne programme qu'un tag à la fois.

Schéma

 ┌─────┬────┐
 │ UID │ ID │
 └─────┴────┘
 0     4    5 - Octets

UID : UID du tag à programmer, 4 octets
ID : Nouvel ID à programmer, 1 octet

Message informatif

En-tête : #
Longueur : 1+[1-62] octets
Description : Message générique à titre informatif, utile pour la communication d'informations lors du développement ou de débug.
Le premier octet est fixe et donne la longueur du reste du message, le message est du texte encodé en ASCII.

Schéma

 ┌───┬── ── ── ──┐
 │Len│  Message  │
 └───┴── ── ── ──┘
 0   1         Len - Octets

License

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