Манчестерский код для чайников

Манчестерский Код - это самосинхронизирующийся двоичный код без постоянной составляющей, в котором значение каждого передаваемого бита определяется направлением смены логического уровня в середине обусловленного заранее временного интервала. Поскольку логических уровней у самой маленькой единицы информации (бит) на данный момент известно всего два (1 и 0), вариантов тут немного: либо смена 1 => 0 либо 0 => 1. Согласно общепринятым стандартам для Манчестерского кода переход от нуля к единице считается 1, а если наоборот, то 0. На самом деле последнее утверждение - это просто формальность - вопрос в том, с какой стороны посмотреть ;-) Главное, чтобы и приёмник и передатчик смотрели на жизнь одинаково.

Код Манчестер

Введите число и нажмите "Encode Manchester!":

Теперь давайте внимательно посмотрим на картинку и попробуем проанализировать и перечислить основные преимущества и недостатки преобразования данных в Манчестерский Код:

Pазмер данных увеличивается вдвое - это негативно сказывается на скорости передачи
Kоличество логических нулей всегда равно количеству логических единиц, соответственно у такого сигнала не будет постоянной составляющей - это крайне важно для электрических цепей и радиоволн
Комбинация логических уровней 11 однозначно говорит о последнем принятом 0, а комбинация 00, соответственно, говорит о 1. Таким образом после одной из них приёмник синхронизируется
Не может идти последовательно более двух одинаковых логических уровней, т.е. комбинация типа 111 или 000 невозможна
В начале данных и в конце не может быть двух одинаковых логических уровней - только 10 или 01

Сначала пишем тест

О пользе тестов можно почитать тут. В контексте решения текущей задачи будет использоваться техника Mock-объектов, поэтому для тестирования используется связка gtest (Google Test) + gmock (Google Mocking Framework). Всё это добро поставляются в исходниках, поэтому единственное требование к системе - совместимый C / C++ компилятор, например gcc g++ для Linux или Visual Studio C++ для Windows. Так выглядит простое консольное приложение, которое будет собираться вместе с тестами и запускать их:

/manchester/tests/gtest/main.cpp

#include "gtest/gtest.h"

int main(int argc, char* argv[]) {
    testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
    return RUN_ALL_TESTS();
}

Теперь сами тесты. Более простой задачей является преобразование данных в Манчестерский Код (encode), поэтому с неё, пожалуй, и начнём:

/manchester/tests/gtest/src/manchester/Man_Encode.cpp

#include <gtest/gtest.h>
#include <gmock/gmock.h>

extern "C"
{
    #include "../../../../manchester/src/tx/Man_Encode.c"
}

class IManEncode {
    public:
        virtual void Man_Encode_One() = 0;
        virtual void Man_Encode_Zero() = 0;
};

/* Mock implementation */

ACTION_P2(Act_Inc_1, T, V) {
    ON_CALL(*T, Man_Encode_One())
        .WillByDefault(Act_Inc_1(T, testing::ByRef(++V)));
}

ACTION_P2(Act_Inc_0, T, V) {
    ON_CALL(*T, Man_Encode_Zero())
        .WillByDefault(Act_Inc_0(T, testing::ByRef(++V)));
}

class ManEncodeMock : public IManEncode {
    public:
        MOCK_METHOD0(Man_Encode_One,void());
        MOCK_METHOD0(Man_Encode_Zero,void());

        ManEncodeMock() {
            _total_1 = _total_0 = 0;
            ON_CALL(*this, Man_Encode_One())
                .WillByDefault(Act_Inc_1(this, testing::ByRef(_total_1)));
            ON_CALL(*this, Man_Encode_Zero())
                .WillByDefault(Act_Inc_0(this, testing::ByRef(_total_0)));
        }

        void Expect_Total_1_And_0_Eq(int total) {
            EXPECT_EQ(_total_1, total);
            EXPECT_EQ(_total_0, total);
        }

    private:
        int _total_1, _total_0;
};

/* Fixture class for each test */

class ManEncodeTest_F : public testing::Test {
    public:
        static ManEncodeMock* getMock() {
            return _ManEncodePtr;
        }

    protected:
        virtual void SetUp() {
            _ManEncodePtr = &_ManEncode;
        }

    private:
        ManEncodeMock _ManEncode;
        static ManEncodeMock* _ManEncodePtr;    
};

ManEncodeMock* ManEncodeTest_F::_ManEncodePtr;

/* Man_Encode externs (events) */

void On_Man_Encode_One() {
    ManEncodeTest_F::getMock()->Man_Encode_One();
}

void On_Man_Encode_Zero() {
    ManEncodeTest_F::getMock()->Man_Encode_Zero();
}

/* 0 => 1010101010101010(manchester) */

TEST_F(ManEncodeTest_F, Send_0) {
    testing::InSequence s;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()); // MSB
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero());
    }

    Man_Encode(0);

    getMock()->Expect_Total_1_And_0_Eq(8);
}

/* 255(dec) => 11111111(bin) => 0101010101010101(manchester) */

TEST_F(ManEncodeTest_F, Send_255) {
    testing::InSequence s;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()); // MSB
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One());
    }

    Man_Encode(255);

    getMock()->Expect_Total_1_And_0_Eq(8);
}

/* 170(dec) => 10101010(bin) => 0110011001100110(manchester) */

TEST_F(ManEncodeTest_F, Send_170) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()); // MSB
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()).Times(2);
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()).Times(2);
    }
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()).Times(2);
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero());

    Man_Encode(170);

    getMock()->Expect_Total_1_And_0_Eq(8);
}

/* 85(dec) => 01010101(bin) => 1001100110011001(manchester) */

TEST_F(ManEncodeTest_F, Send_85) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()); // MSB
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()).Times(2);
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()).Times(2);
    }
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()).Times(2);
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One());

    Man_Encode(85);

    getMock()->Expect_Total_1_And_0_Eq(8);
}

/* 84(dec) => 01010100(bin) => 1001100110011010(manchester) */

TEST_F(ManEncodeTest_F, Send_84) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()); // MSB
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero()).Times(2);
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One()).Times(2);
    }
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero());
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_One());
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Encode_Zero());

    Man_Encode(84);

    getMock()->Expect_Total_1_And_0_Eq(8);
}

Все тесты помещены в макрос TEST_F(). В начале теста с помощью EXPECT_CALL() необходимо установить ожидаемое поведение. В процессе преобразования 0 => 1010101010101010 и при условии, что старший бит идёт первым (MSB), ожидается последовательный вызов методов On_Man_Encode_One() и On_Man_Encode_Zero() и так восемь раз. После того, как ожидаемое поведение описано, необходимо вызвать проверяемый метод Man_Encode(). Если реальное поведение отличается от ожидаемого, в процессе выполнения тестов будет сообщено об ошибке. В конце каждого теста также выполняется проверка условия, что количество нулей равно количеству единиц.

Преобразовать данные в Манчестерский Код очень легко:

/manchester/src/tx/Man_Encode.c

#include "Man_Encode.h"

/********************************************************************
 *      Function Name:  Man_Encode                                  *
 *      Return Value:   no                                          *
 *      Parameters:     character to transmit                       *
 *      Description:    Convert char to Manchester Code (2 chars)   *
 *                      MSB is first to convert                     *
 ********************************************************************/

void Man_Encode(register char character) {
    register unsigned char bitcount = 8;

    while (bitcount--) {
        if (character & 0x80) {
            On_Man_Encode_Zero();
            On_Man_Encode_One();

        } else {
            On_Man_Encode_One();
            On_Man_Encode_Zero();
        }
        character <<= 1;
    }
}

Реализация обратной задачи - декодирования данных из Манчестерского Кода в оригинальный несколько сложнее. Перед началом передачи данных необходимо синхронизироваться с приёмником сиигнала. В реализации тестов нас особо не интересует как именно приёмник синхронизируется и в какой последовательности будут вызваны(если вообще будут) On_Man_Decode_Add_1() и On_Man_Decode_Add_0() - для этой цели обозначим предварительные ожидания как testing::AtMost(1). После синхронизации процесс декодирования можно точно спрогнозировать и описать соответствующие ожидания с помощью EXPECT_CALL(). Также как и в предыдущем случае в конце каждого теста проверяется отсутствие постоянной составляющей (количество нулей и единиц должно совпадать).

/manchester/tests/gtest/src/manchester/Man_Decode.cpp

#include <gtest/gtest.h>
#include <gmock/gmock.h>

extern "C"
{
    #include "../../../../manchester/src/rx/Man_Decode.c"
}

class IManDecode {
    public:
        virtual void Man_Dec_Add_1() = 0;
        virtual void Man_Dec_Add_0() = 0;
};

/* Mock implementation */

class ManDecodeMock : public IManDecode {
    public:
        MOCK_METHOD0(Man_Dec_Add_1,void());
        MOCK_METHOD0(Man_Dec_Add_0,void());
};

/* Fixture class for each test */

class ManDecodeTest_F : public testing::Test {
    public:
        static ManDecodeMock* getMock() {
            return _ManDecodePtr;
        }

    protected:
        virtual void SetUp() {
            _total_1 = _total_0 = 0;
            _ManDecodePtr = &_ManDecode;
        }

        void Expect_Total_1_And_0_Eq(int total) {
            EXPECT_EQ(_total_1, total);
            EXPECT_EQ(_total_0, total);
        }

        void Perform_Stable_Zero(unsigned char periods) {
            _total_0 += periods;
            Man_Decode_Stable_Zero(periods);
        }

        void Perform_Stable_One(unsigned char periods) {
            _total_1 += periods;
            Man_Decode_Stable_One(periods);
        }

    private:
        ManDecodeMock _ManDecode;
        static ManDecodeMock* _ManDecodePtr;
        int _total_1, _total_0;
};

ManDecodeMock* ManDecodeTest_F::_ManDecodePtr;

/* Man_Decode externs (events) */

void On_Man_Decode_Add_1() {
    ManDecodeTest_F::getMock()->Man_Dec_Add_1();
}

void On_Man_Decode_Add_0() {
    ManDecodeTest_F::getMock()->Man_Dec_Add_0();
}

/* Helpers for TEST_F */

#define EXPECT_MAN_SYNCH(x,y)                               \
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_##x())              \
        .Times(testing::AtMost(1)); /* Clay? */             \
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_##y())              \
        .Times(testing::AtMost(1)); /* Clay? */             \
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_##x()); /* Sync  */ \
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_##y())  /* Sync  */ \

#define PERFORM_MAN_SYNCH(x,y)                               \
    Perform_Stable_##x(1);  /* Clay balance (1 - 1 = 0) */   \
    Perform_Stable_##y(2);  /* Sync balance (2 - 2 = 0) */   \
    Perform_Stable_##x(2);  /* Sync */                       \
    Perform_Stable_##y(1)   /* Clay */                       \

/* 1010101010101010(manchester) => 0 */

TEST_F(ManDecodeTest_F, Decode_0) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_MAN_SYNCH(1,0);
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_0()).Times(8);

    PERFORM_MAN_SYNCH(One, Zero);
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        Perform_Stable_One(1);
        Perform_Stable_Zero(1);
    }

    Expect_Total_1_And_0_Eq(11); // Sync(3) + Byte(8)
}

/* 0101010101010101(manchester) => 11111111(bin) => 255(dec) */

TEST_F(ManDecodeTest_F, Decode_255) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_MAN_SYNCH(0,1);
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_1()).Times(8);

    PERFORM_MAN_SYNCH(Zero, One);
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        Perform_Stable_Zero(1);
        Perform_Stable_One(1);
    }

    Expect_Total_1_And_0_Eq(11); // Sync(3) + Byte(8)
}

/* 0110011001100110(manchester) => 10101010(bin) => 170(dec) */

TEST_F(ManDecodeTest_F, Decode_170) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_MAN_SYNCH(0,1);
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_1());
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_0());
    }

    PERFORM_MAN_SYNCH(Zero, One);
    Perform_Stable_Zero(1);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Perform_Stable_One(2);
        Perform_Stable_Zero(2);
    }
    Perform_Stable_One(2);
    Perform_Stable_Zero(1);

    Expect_Total_1_And_0_Eq(11); // Sync(3) + Byte(8)
}

/* 1001100110011001(manchester) => 01010101(bin) => 85(dec) */

TEST_F(ManDecodeTest_F, Decode_85) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_MAN_SYNCH(1,0);
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_0());
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_1());
    }

    PERFORM_MAN_SYNCH(One, Zero);
    Perform_Stable_One(1);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Perform_Stable_Zero(2);
        Perform_Stable_One(2);
    }
    Perform_Stable_Zero(2);
    Perform_Stable_One(1);

    Expect_Total_1_And_0_Eq(11); // Sync(3) + Byte(8)
}

/* 1001100110011010(manchester) => 84(dec) => 01010100(bin) */

TEST_F(ManDecodeTest_F, Decode_84) {
    testing::InSequence s;
    EXPECT_MAN_SYNCH(1,0);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_0());
        EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_1());
    }
    EXPECT_CALL(*getMock(), Man_Dec_Add_0()).Times(2);

    PERFORM_MAN_SYNCH(One, Zero);
    Perform_Stable_One(1);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Perform_Stable_Zero(2);
        Perform_Stable_One(2);
    }
    Perform_Stable_Zero(1);
    Perform_Stable_One(1);
    Perform_Stable_Zero(1);

    Expect_Total_1_And_0_Eq(11); // Sync(3) + Byte(8)
}

Предположительная реализация процесса декодирования Манчестерского кода:

/manchester/src/rx/Man_Decode.c

#include "Man_Decode.h"

static bool ds_LB;

/********************************************************************
 *      Function Name:  Man_Decode_Stable_Zero                      *
 *      Return Value:   no                                          *
 *      Parameters:     Stable digital input periods. Ideal 1 or 2  *
 *      Description:    Convert signal from Manchester Code.        *
 *                      Fire according On_Man_Decode_Add_1()        *
 *                      callback event.                             *
 ********************************************************************/

void Man_Decode_Stable_Zero(register unsigned char periods) {
    if ( periods ) {
        if ( !--periods ) {
            if ( ds_LB ) {
                On_Man_Decode_Add_1();
                ds_LB = 1;
            }
        } else if ( !--periods ) {
            On_Man_Decode_Add_1();
            ds_LB = 1;
        }
    }
}

/********************************************************************
 *      Function Name:  Man_Decode_Stable_One                       *
 *      Return Value:   no                                          *
 *      Parameters:     Stable digital input periods. Ideal 1 or 2  *
 *      Description:    Convert signal from Manchester Code.        *
 *                      Fire according On_Man_Decode_Add_0()        *
 *                      callback event.                             *
 ********************************************************************/

void Man_Decode_Stable_One(register unsigned char periods) {
    if ( periods ) {
        if ( !--periods ) {
            if ( !ds_LB ) {
                On_Man_Decode_Add_0();
                ds_LB = 0;
            }
        } else if ( !--periods ) {
            On_Man_Decode_Add_0();
            ds_LB = 0;
        }
    }
}

Сборка и запуск тестов

Если Вы работаете в связке Windows + Visual Studio, необходимо выполнить следующее:

@set GTEST_HOME=gtest-1.6.0 
@set GMOCK_HOME=gmock-1.6.0

cl /EHsc /I%GTEST_HOME% /I%GTEST_HOME%/include -I%GMOCK_HOME% ^
-I%GMOCK_HOME%/include main.cpp src/manchester/Man_Encode.cpp ^
src/manchester/Man_Decode.cpp %GTEST_HOME%/src/gtest-all.cc ^
%GMOCK_HOME%/src/gmock-all.cc

main.exe

Windows Скриншот

При использовании Linux + gcc g++:

GTEST_HOME=gtest-1.6.0
GMOCK_HOME=gmock-1.6.0

g++ -g -I$GTEST_HOME -I$GTEST_HOME/include -I$GMOCK_HOME \
-I$GMOCK_HOME/include -pthread main.cpp src/manchester/Man_Encode.cpp \
src/manchester/Man_Decode.cpp $GTEST_HOME/src/gtest-all.cc \
$GMOCK_HOME/src/gmock-all.cc

./a.out

Linux Скриншот

Тестов много не бывает. Например, было бы неплохо добавить проверку для последовательности из двух байт и более, или проверку условия отсутствия невозможных для Манчестерского Кода комбинаций - например 111 или 000. Чем больше терпения и выдержки на этом этапе разработки - тем крепче будет сон после её сдачи в эксплуатацию.

Практика

Тесты это хорошо, но пока что всё это больше похоже на теорию - а теория без практики, как известно, скучна. Поэтому, если Вы дочитали до этого момента, милости прошу посетить следующий пост, в котором в качестве приёмника и передатчика используются два микроконтроллера, а сам процесс эмулируется в виртуальной среде, которая умеет моделировать поведение электрических цепей.

Исходники к текущему посту на GitHub.

Сначала пишем тест

Сборка и запуск тестов

Практика

links

social