Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- pm:prj2026:atoader:bianca.gorgovan [2026/05/16 22:26]
bianca.gorgovan [Hardware Design]
+++ pm:prj2026:atoader:bianca.gorgovan [2026/05/22 00:16] (current)
bianca.gorgovan [Script demo video]
@@ Line 8: / Line 8: @@
   * detectează startul și sfârșitul unei lovituri din semnătura inerțială a swing-ului;
-  * estimează **tipul loviturii** — //forehand// vs //backhand// — pe baza sensului de rotație al brațului;
   * estimează **intensitatea loviturii** — //slab// / //mediu// / //puternic// — din vârful de accelerație;
   * estimează **viteza unghiulară maximă** a swing-ului prin integrarea giroscopului;
@@ Line 81: / Line 80: @@
 Microcontrolerul ATmega328P are un număr limitat de pini cu funcții speciale (I2C, SPI, PWM, întreruperi). Alegerea fiecărui pin nu este arbitrară, ci impusă de funcția hardware de care avem nevoie.
-^ Semnal ^ Pin AVR ^ Pin Arduino ^ Componentă ^ Justificarea alegerii ^
+^ Semnal ^ Pin AVR ^ Componentă ^ Justificarea alegerii ^
-| SDA | PC4 | A4 | MPU6050 | Pin hardware TWI al ATmega328P — singura opțiune pentru I2C hardware. |
+| SDA | PC4 | MPU6050 | Pin hardware TWI al ATmega328P — singura opțiune pentru I2C hardware. |
-| SCL | PC5 | A5 | MPU6050 | Pin hardware TWI — pereche cu SDA. |
+| SCL | PC5 | MPU6050 | Pin hardware TWI — pereche cu SDA. |
-| SCK | PB5 | D13 | Display | Pin hardware SPI SCK. |
+| SCK | PB5 | Display | Pin hardware SPI SCK. |
-| MOSI (SDA) | PB3 | D11 | Display | Pin hardware SPI MOSI. |
+| MOSI (SDA) | PB3 | Display | Pin hardware SPI MOSI. |
-| CS | PB2 | D10 | Display | Pinul hardware SS; trebuie configurat ca ieșire, altfel modulul SPI cade în mod slave. |
+| CS | PB2 | Display | Pinul hardware SS; trebuie configurat ca ieșire, altfel modulul SPI cade în mod slave. |
-| DC | PB1 | D9 | Display | GPIO liber, adiacent fizic pinilor SPI — cablaj scurt. |
+| DC | PB1 | Display | GPIO liber, adiacent fizic pinilor SPI — cablaj scurt. |
-| RST | PB0 | D8 | Display | GPIO liber, adiacent pinului DC. |
+| RST | PB0 | Display | GPIO liber, adiacent pinului DC. |
-| Roșu (R) | PD3 | D3 | LED RGB | Ieșire OC2B — PWM hardware generat de Timer 2. |
+| Rosu (R) | PD3 | LED RGB | Ieșire OC2B — PWM hardware generat de Timer 2. |
-| Verde (G) | PD5 | D5 | LED RGB | Ieșire OC0B — PWM hardware generat de Timer 0. |
+| Verde (G) | PD5 | LED RGB | Ieșire OC0B — PWM hardware generat de Timer 0. |
-| Buton | PD2 | D2 | Buton | Pin INT0 — întrerupere externă dedicată, cu pull-up intern activat în software. |
+| Buton | PD2 | Buton | Pin INT0 — întrerupere externă dedicată, cu pull-up intern activat în software. |
 **De ce I2C pe PC4/PC5:** magistrala I2C hardware (TWI) a ATmega328P este fixată pe acești doi pini. Nu există alternativă dacă vrem comunicare I2C hardware, fără emulare software.
@@ Line 104: / Line 103: @@
 ==== 3. Schema electrică ====
+{{ :pm:prj2026:atoader:circuit_image.png?400 |}}
@@ Line 113: / Line 112: @@
 Imaginea arată sistemul asamblat pe breadboard: placa ATmega328P Xplained Mini alimentată prin USB, senzorul MPU6050, display-ul ST7735, LED-ul RGB cu cei doi rezistori de limitare și butonul de reset. Alimentarea este distribuită prin șinele laterale ale breadboard-ului.
+{{ :pm:prj2026:atoader:ecran.png?300 |}}
@@ Line 136: / Line 135: @@
 ===== Software Design =====
+==== Mediu de dezvoltare ====
+Proiectul a fost dezvoltat folosind PlatformIO cu toolchain-ul avr-gcc, integrat în Visual Studio Code. Compilatorul țintă este ''avr-gcc'' cu flagul ''-mmcu=atmega328p'' și ''-DF_CPU=16000000UL''. Deoarece codul folosește ''sqrt()'' din ''<math.h>'', au fost adăugate flagurile de linker pentru floating point:
+<code ini>
+build_flags = -Wl,-u,vfprintf -lprintf_flt -lm
+</code>
+Depanarea s-a realizat prin interfața UART la 9600 baud, cu mesaje trimise către un terminal serial (Serial Monitor din PlatformIO sau PuTTY).
+==== Biblioteci și surse folosite ====
+^ Modul ^ Fișier sursă ^ Origine ^ Rol ^
+| Driver I2C/TWI | ''twi.c'' / ''twi.h'' | Preluat din Laboratorul 6, adaptat (F_CPU = 16 MHz, timeout adăugat) | Comunicare I²C cu MPU6050 |
+| Driver SPI | ''spi.c'' / ''spi.h'' | Preluat din Laboratorul 5 | Comunicare SPI cu display-ul ST7735 |
+| Driver TFT | ''st7735.c'' / ''st7735.h'' | Preluat din Laboratorul 5, adaptat pentru pinii ATmega328P Xplained Mini | Afișare text și grafice pe ecranul 1.8" |
+| Loop principal + logică | ''main.c'' | Scris integral în cadrul proiectului | Inițializare, FSM detecție swing, clasificare, UART, LED RGB, buton |
+| AVR LibC | ''<avr/io.h>'', ''<avr/interrupt.h>'', ''<util/delay.h>'', ''<math.h>'' | Standard AVR-LibC | Acces registre, întreruperi, delay, sqrt() |
+Nu au fost folosite biblioteci externe de tip Arduino sau framework-uri de nivel înalt — întreaga stivă este bare-metal C pe AVR.
+==== Algoritmi și structuri implementate ====
+=== 1. Citirea senzorului MPU6050 prin I²C (burst read) ===
+Funcția ''mpu_read_gyro()'' realizează o citire în rafală (burst read) a 6 octeți consecutivi începând de la registrul ''0x43'' (GYRO_XOUT_H). Secvența respectă protocolul I²C descris în Laboratorul 6:
+<code c>
+twi_start(SLA_W) → twi_write(REG_GYRO_X) →
+twi_start(SLA_R) → twi_read(ACK) x5 → twi_read(NACK) → twi_stop()
+</code>
+Cei 6 octeți sunt recombinați în trei valori ''int16_t'' (gx, gy, gz) prin shift și OR pe biți:
+<code c>
+*gx = (int16_t)((b[0] << 8) | b[1]);
+</code>
+=== 2. Calculul magnitudinii vectorului giroscopic ===
+Pentru a obține un scalar independent de orientarea rachetei, se calculează norma euclidiană a vectorului angular:
+<code>
+mag = sqrt(gx² + gy² + gz²)
+</code>
+Aceasta este implementată în ''gyro_magnitude()'' folosind ''sqrt()'' din ''<math.h>'' aplicat pe ''double''. Valorile intermediare sunt calculate pe ''int32_t'' pentru a evita overflow-ul pe 16 biți:
+<code c>
+int32_t sx = (int32_t)gx * gx;
+</code>
+Avantajul magnitudinii față de o singură axă este robustețea la montaj: indiferent cum este fixat senzorul pe rachetă, o mișcare rapidă va produce o valoare mare.
+=== 3. Mașina de stări pentru detecția swing-ului (histerezis) ===
+Detecția loviturii folosește un filtru cu histerezis pe două praguri, pentru a evita declanșările false datorită zgomotului sau vibrațiilor mici:
+Starea IDLE: dacă ''mag > GYRO_THR_START'' (5000), se intră în starea ''IN_HIT'' și se înregistrează primul vârf.
+Starea IN_HIT: se urmărește valoarea maximă (''peak_gyro''). Dacă ''mag < GYRO_THR_END'' (1500), lovitura s-a terminat → clasificare și reset.
+Cooldown: după fiecare lovitură detectată, un contor de 1500 ms blochează detecțiile noi, pentru a lăsa timp rachetei să revină la poziția inițială fără a genera lovituri fantomă.
+Separarea pragului de intrare (5000) față de cel de ieșire (1500) formează un gap de histerezis de ~3500 unități, eliminând oscilațiile în jurul pragului.
+=== 4. Clasificarea loviturii ===
+La finalul unui swing, valoarea ''peak_gyro'' este comparată cu pragul ''GYRO_GOOD_THR'' (20000):
+<code c>
+if (peak_gyro >= GYRO_GOOD_THR) → BUNA (strong_hits++)
+else                             → SLABA (weak_hits++)
+</code>
+=== 5. Feedback vizual prin LED RGB — degradeu roșu→verde ===
+Funcția ''led_from_peak()'' mapează ''peak_gyro'' din intervalul [GYRO_MIN, GYRO_MAX] = [5000, 30000] pe un factor ''f ∈ [0, 255]'':
+<code c>
+f = (peak - GYRO_MIN) * 255 / (GYRO_MAX - GYRO_MIN)
+green = f;   red = 255 - f;
+</code>
+Valorile sunt scalate la 80% din maxim (''* 4 / 5'') pentru a nu orbi utilizatorul. LED-ul are anod comun, deci duty cycle-ul este inversat: ''OCRxB = 255 - valoare'', conform macrourilor ''LED_SET_R()'' și ''LED_SET_G()''. Semnalele PWM hardware sunt generate de Timer 0 (OC0B → verde, PD5) și Timer 2 (OC2B → roșu, PD3), fără intervenție software în buclă — exact modul Fast PWM studiat în Laboratorul 3.
+=== 6. Debouncing software pentru buton (INT0) ===
+Butonul pe PD2 este tratat în întreruperea externă ''INT0_vect''. Debouncing-ul se realizează prin compararea unui contor global de tick-uri (''global_tick'', incrementat la fiecare 20 ms în bucla principală) cu momentul ultimei apăsări valide:
+<code c>
+if ((uint16_t)(global_tick - last_press_tick) > 3)  // > 3 × 20ms = 60ms
+</code>
+Această abordare non-blocantă este echivalentă cu fereastra de 30–50 ms recomandată în Laboratorul 2, fără a bloca execuția din ''main''.
+=== 7. Afișare pe TFT ST7735 prin SPI ===
+Driver-ul ''st7735.c'' folosește interfața SPI hardware (PB5=SCK, PB3=MOSI, PB2=CS) cu pini de control GPIO (PB0=DC, PB1=RST). Fontul 5×7 este stocat în memoria Flash (''PROGMEM'') și citit cu ''pgm_read_byte()'', economisind RAM-ul limitat al ATmega328P. Actualizarea ecranului se face selectiv — doar zona numerelor (coordonate fixe) — pentru a minimiza traficul SPI și latența vizibilă.
 ===== Rezultate Obținute =====
+==== Stadiul actual al implementării software ====
+Implementarea software este completă și funcțională. Toate modulele sunt integrate și validate pe hardware real:
+ Inițializare și citire continuă MPU6050 prin I²C la 100 kHz
+ Detecție automată lovituri cu histerezis și cooldown
+Clasificare binară slab/bun bazată pe peak-ul giroscopului
+Afișare live pe TFT ST7735 (total, slabe, bune)
+Feedback LED RGB cu degradeu roșu→verde proporțional cu intensitatea
+Reset prin buton fizic cu debouncing software
+Logging serial UART la 9600 baud pentru depanare și calibrare
+==== Motivația alegerii bibliotecilor ====
+S-a optat deliberat pentru o arhitectură bare-metal, fără Arduino sau alte framework-uri de nivel înalt, din următoarele motive:
+Control precis al resurselor hardware: ATmega328P are 2 KB RAM și 32 KB Flash. Un framework de tip Arduino adaugă sute de octeți overhead pentru funcționalități nefolosite.
+Familiaritate cu laboratoarele cursului: driver-ele ''twi.c'', ''spi.c'' și ''st7735.c'' sunt extensii directe ale scheletelor din Laboratoarele 5 și 6, asigurând o înțelegere profundă a protocolelor.
+Latență determinabilă: în sisteme de detecție în timp real, buclele de polling cu ''_delay_ms()'' și întreruperile hardware oferă timinguri predictibile, spre deosebire de un RTOS sau scheduler complex.
+Singura funcție din bibliotecă externă (AVR-LibC) cu potențial overhead este ''sqrt()'' pe ''double'' — acceptabil deoarece este apelată o singură dată per eșantion (la 20 ms), deci ~50 apeluri/secundă, neglijabil față de ciclurile CPU disponibile la 16 MHz.
+==== Elementul de noutate ====
+Față de implementările academice tipice care testează un singur senzor izolat, acest proiect integrează simultan patru periferice hardware diferite pe același microcontroller (I²C + SPI + PWM × 2 + UART + GPIO interrupt), cu o logică de procesare a semnalului în timp real care produce output multimodal (vizual + serial) în același ciclu de 20 ms. Degradeul de culoare continuu al LED-ului (nu simplu roșu/verde binar) și algoritmul de histerezis cu cooldown adaptiv sunt elemente care aduc valoare practică față de o implementare banală cu prag simplu.
+==== Justificarea utilizării funcționalităților din laborator ====
+^ Funcționalitate ^ Laborator sursă ^ Utilizare în proiect ^
+| UART / printf redirecționat | Laboratorul 1 | Logging serial: magnitudine giroscop, tip lovitură, contor — esențial pentru calibrarea pragurilor |
+| Întrerupere externă INT0 + debouncing | Laboratorul 2 | Reset contor prin buton fizic, non-blocant |
+| PWM hardware Fast PWM, Timer 0 + Timer 2 | Laboratorul 3 | Control intensitate LED RGB cu anod comun pe două canale independente |
+| SPI hardware + driver ST7735 | Laboratorul 5 | Afișare statistici live pe TFT 1.8" color |
+| I²C / TWI + citire registre senzor | Laboratorul 6 | Citire burst gyroscop MPU6050, același pattern ca MPL3115A2 din laborator |
+==== Scheletul proiectului și interacțiunea dintre funcționalități ====
+Bucla principală din ''main()'' rulează la o perioadă fixă de SAMPLE_MS = 20 ms și urmează un pipeline liniar:
+<code>
+[Buton ISR] ─────────────────────────────────► reset_flag
+                                                    │
+main loop (20ms tick):                              ▼
+. Verifică reset_flag → resetează contoare și ecran
+. mpu_read_gyro() ──I²C──► MPU6050 ──► gx, gy, gz
+. gyro_magnitude() ──────────────────► mag (int32_t)
+. FSM histerezis:
+       IDLE ──mag > 5000──► IN_HIT (track peak)
+       IN_HIT ──mag < 1500──► clasificare + LED + ecran update
+. led_from_peak() ──PWM──► Timer0/Timer2 ──► LED RGB
+. screen_update_counts() ──SPI──► ST7735
+. Debug UART la fiecare 25 iterații (~500 ms)
+. _delay_ms(20) + global_tick++
+</code>
+Validarea funcționării s-a realizat în două etape:
+Validare prin UART: cu senzorul în repaus, mesajele ''gyro_mag=XXX'' confirmau valori < 500. Scuturând senzorul brusc, valorile depășeau 10000–30000, confirmând că pragurile GYRO_THR_START = 5000 separă corect zgomotul de fundal de un swing real.
+Validare vizuală: LED-ul schimba culoarea consistent cu intensitatea mișcării (roșu pentru mișcări ușoare, verde/galben pentru swing-uri puternice), iar ecranul TFT incrementa contorul corect la fiecare lovitură detectată.
+==== Calibrarea senzorului ====
+MPU6050 a fost folosit în configurația implicită (fără calibrare offset a giroscopului), deoarece:
+Detecția se bazează pe magnitudini relative (este swing vs. nu este swing), nu pe valori absolute. Driftul de offset al giroscopului (tipic 1–3 LSB/°C) este neglijabil față de valorile de 5000–30000 atinse în swing.
+Pragurile au fost determinate empiric prin UART logging: sistemul a fost conectat la un terminal serial și senzorul a fost mișcat cu intensități variate. S-au observat valorile tipice:
+Repaus / vibrații mici: mag ≈ 100–400
+Mișcare lentă a mâinii: mag ≈ 800–2000
+Swing moderat: mag ≈ 5000–12000
+Swing puternic: mag ≈ 15000–28000
+Pe baza acestor observații s-au stabilit: GYRO_THR_START = 5000, GYRO_THR_END = 1500, GYRO_GOOD_THR = 20000.
+==== Optimizări realizate ====
+^ Optimizare ^ Unde ^ Motivație ^
+| Font stocat în Flash (''PROGMEM'') | ''st7735.c'' | Fontul 5×7 ASCII ocupă 475 octeți; dacă ar fi în RAM, ar consuma ~23% din cei 2KB disponibili |
+| Actualizare selectivă a ecranului | ''screen_update_counts()'' | Se rescrie doar zona cu numere (3 stringuri de 5 caractere), nu întregul ecran; reduce traficul SPI cu ~95% față de ''st7735_fill()'' complet |
+| Padding cu spații în ''sprintf'' | ''main.c'' | ''sprintf(buf, "%-5u", val)'' suprascrie cifrele vechi fără a șterge și redesena fundalul — evită flickering |
+| Histerezis cu cooldown | ''main.c'' | Fără cooldown, un singur swing ar genera 5–10 detecții false; cooldown-ul de 1500 ms garantează maximum 1 lovitură per swing |
+| Calcul magnitudine pe ''int32_t'' | ''gyro_magnitude()'' | Produsele ''gx*gx'' pe ''int16_t'' ar produce overflow (max 32767² = 1.07×10⁹ > 32767); cast la ''int32_t'' înainte de înmulțire previne silently wrong results |
+| Debouncing non-blocant | ''ISR(INT0_vect)'' | Compararea tick-urilor nu blochează ISR-ul și nici bucla principală, față de un ''_delay_ms()'' în ISR care ar dezactiva alte întreruperi |
+==== Script demo video ====
+{{:pm:prj2026:atoader:demo_racheta.mp4.zip|}}
@@ Line 146: / Line 283: @@
 ===== Download =====
+{{:pm:prj2026:atoader:smart_tennis_racket.zip|}}
@@ Line 171: / Line 309: @@
   * jrowberg / i2cdevlib — bibliotecă C++ MPU6050 (referință pentru registre): [[https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050]]
-  * "Tennis Stroke Recognition Using Inertial Data" — articole academice pe IEEE Xplore (de citat ulterior, în etapa de etapa 3 documentație).
+  * "Tennis Stroke Recognition Using Inertial Data" — articole academice pe IEEE Xplore.
 <html><a class="media mediafile mf_pdf" href="?do=export_pdf">Export to PDF</a></html>