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#include "mbed.h"
#include "QEI.h"
#include "USBSerial.h"
#include "PTC3471.h"                                         //V. 2022 REV Sentido

#define Ts 0.01                                             //periodo de amostragem
#define pi 3.141592653589793

/******************************************************************************/
/****************  Definição de Variaveis, Objetos e Funções ******************/
/******************************************************************************/
USBSerial  pc;                                              // Objeto de comunicação serial com o TeraTerm

Ticker Control_Interrupt;                                   // Interrupção de Tempo para acionamento do algoritmo de controle

QEI Encoder_Motor (PTB17,PTD0,NC, 300, QEI::X4_ENCODING);   // Objeto de leitura do encoder do motor
QEI Encoder_Pendulo (PTA13,PTA12,NC, 600, QEI::X4_ENCODING);// Objeto de leitura do encoder do pêndulo

DigitalOut Horario(PTC1);                                   // DigitalOut que sinaliza se deve virar o motor no sentido horário
DigitalOut AntiHorario(PTD5);                               // DigitalOut que sinaliza se deve virar o motor no sentido anti-horário
PwmOut Motor(PTD6);                                         // D.C. do PWM [0, 1]: porcentagem de tensão sobre o motor

bool Flag_Controle = false;
int PlotCount = 0;

double phi0 = 0;                                           // phi0 -> Angulo lido pelo Encoder_Braco
double phi1 = 0;                                           // phi1 -> Angulo lido pelo Encoder_Pendulo
double dphi1 = 0;

double th0 = 0;                                            // th0 -> Angulo do braço
double th1 = 0;                                            // th1 -> Angulo do pêndulo
double dth0 = 0;                                           // dth0 -> Velocidade do braço
double dth1 = 0;                                           // dth1 -> Velocidade do pêndulo

double th0_f = 0;                                          // th0 -> Angulo do braço filtrado
double th1_f = 0;                                          // th1 -> Angulo do pêndulo filtrado
double dth0_f = 0;                                         // dth0 -> Velocidade do braço
double dth1_f = 0;                                         // dth1 -> Velocidade do pêndulo

int16_t phi0_int = 0, phi1_int = 0;                        // Variáveis convertidas para inteiro para serem
int16_t th0_f_int = 0, th1_f_int = 0;                      // transmitidas via serial 
int16_t dth0_f_int = 0, dth1_f_int = 0, u_int = 0;         // (economia de memória e de banda)

double tau = 7e-2;                                         // Cte de tempo do FPB dos estados

double th0_a = 0;                                          // Valor de th0 um período de amostragem anterior
double th1_a = 0;                                          // Valor de th1 um período de amostragem anterior
double phi1_a = 0;                                         // Valor de phi1 um período de amostragem anterior


float K[4] = {0.0, 0.0, 0.0, 0.0};                         // Ganhos do controlador
float  u=0.0;                                              // Inicialização da lei de controle

float t_end = 30.0;                                        // Duração do Experimento
float tempo = 0;                                           // Acumula o tempo de execução do experimento
                                                           // Esta variável pode ser usada para temporização da referência

int N_plot =  (int) t_end/(Ts*10);                         // Numero de amostras armazenadas para plot


void Init(void);                                           // Função de Inicialização
void Control_Function(void);                               // Função de flag do controle, a ser chamada pela interrupção
void Sensor_Read(void);                                    // Função de leitura dos sensores
void Controle_Algoritmo(void);                             // Função que implementa o algoritmo de controle escolhido

/******************************************************************************/
/*************************** Corpo de Funções *********************************/
/******************************************************************************/

/*************************** Função Principal *********************************/
// A main chama todas as inicializações e então aguarda o sinal de que deve
// realizar controle. Esse sinal é dado pela flag "Controle" e é setada por uma
// interrupção de tempo.
//
// Para garantir a execução imediata do algoritmo de controle nenhum wait deve
// ser chamado durante a execução do controle e o uso de printfs deve ser
// esporádico.
int main()
{
    int ap = 0;                                                   // Indice dos vetores de amostras
    int ii = 0;                                                   // Indice para plot das amostras
    int16_t th0_f_int[N_plot], th1_f_int[N_plot];                 // Vetores para armazenar dados e
    int16_t dth0_f_int[N_plot], dth1_f_int[N_plot], u_int[N_plot];// serem transmitidos via serial
    
    /*********************************************************************************/
    /** Inicialização do algoritmo de proteção. NUNCA DEVE SER RETIRADO DO PROGRAMA **/
    /**/                                wait(5);                                   /**/
    /**/                                                                           /**/
    /**/          Protecao_Init(&Encoder_Motor, &Control_Interrupt, pi);           /**/
    /** Inicialização do algoritmo de proteção. NUNCA DEVE SER RETIRADO DO PROGRAMA **/
    /*********************************************************************************/

    Init();
   
    while(1) {

        if(Flag_Controle) {

            Sensor_Read();                                    // Executa a leitura dos sensores
            Controle_Algoritmo();                             // Executa a lei de controle

            PlotCount++;
            if(PlotCount>=10) {                               // Controla para que o printf ocorra a cada 10 iterações

                // As variáveis serão multiplicadas por 1000 e convertidas para inteiro
                // antes de serem trasmitidas. Ao receber, deve-se dividir por 1000 antes
                // de fazer o plot. OBS: a precisão no gráfico será de 3 casas decimais
                th0_f_int[ap] = th0_f*1000;
                th1_f_int[ap] = th1_f*1000;
                dth0_f_int[ap] = dth0_f*1000;
                dth1_f_int[ap] = dth1_f*1000;
                u_int[ap] = u*1000;

                ap = ap + 1;                                 // Prepara para a próxima amostra
                PlotCount = 0;
            }
            // Após t_end segundos, o experimento é interrompido e os dados são transmitidos via serial
            if (tempo >= t_end) {
                Control_Interrupt.detach();
                Motor = 0;
                Horario = 0;
                AntiHorario = 0;
                for (ii=0; ii<N_plot; ii++)
                    pc.printf("%d \t %d \t %d \t %d \t %d\n\r", th0_f_int[ii], th1_f_int[ii], 
                    dth0_f_int[ii], dth1_f_int[ii], u_int[ii]);

            }

            Flag_Controle = false;                       // Sinaliza que deve-se esperar o próximo sinal da interrupção
                                                        // de tempo para executar o próximo passo de controle
        }
    }
}



/************** Função de implementação do algoritmo de controle **************/
// Nesta função você deve escrever a implementação do algoritmo de controle es-
// colhido e do algoritmo de estimação das velocidades.
// Caso necessite acesso a alguma variavel não medida ou alguma cons-
// tante não definida sinta-se livre para passa-las como argumento, definir
// como variavel global ou com um #define
void Controle_Algoritmo(void)
{

    dth0 = (th0-th0_a)/Ts;                                   // Calculo das velocidades por backward
    dth1 = (th1-th1_a)/Ts;                                   // É interessante propor outro método

    // Filtro (1/tau*s +1) nos derivadas
    dth0_f = (tau/(Ts+tau))*dth0_f + (Ts/(Ts+tau))*dth0;
    dth1_f = (tau/(Ts+tau))*dth1_f + (Ts/(Ts+tau))*dth1;

    u=-((K[0]*th0_f)+(K[1]*th1_f)+(K[2]*dth0_f)+(K[3]*dth1_f));

    if(u>0.5)
        u=0.5;
    if(u<-0.5)
        u=-0.5;

    if(u<0) {
        Motor = -u;
        Horario = 1;
        AntiHorario = 0;
    } else if(u>0) {
        Motor = u;
        Horario = 0;
        AntiHorario = 1;
    } else {
        Motor = 0;
        Horario = 0;
        AntiHorario = 0;
    }
}

/************************* Função de Inicialização *****************************/
// Esta função concentra todas as inicializações do sistema
void Init(void)
{
    Motor.period(0.0001);
    Horario = 0;
    AntiHorario = 0;
    Motor = 0.0;
    Control_Interrupt.attach(&Control_Function, Ts);
}

/********************** Função de leitura dos sensores *************************/
// Cada vez que esta função é chamada deve-se calcular os ângulos e velocidades
// angulares por algum método conhecido
void Sensor_Read(void)
{
    th0_a=th0;
    th1_a=th1;
    phi1_a=phi1;

    /** Leituras cruas dos ângulos do encoder **/
    phi0 = pi*Encoder_Motor.getPulses()/600.0;             
    phi1 = pi*Encoder_Pendulo.getPulses()/1200.0;         

    th0 = phi0;
    /** Tratamento do ângulo lido para ser zero na vertical para cima **/  
                              // Como o encoder é incremental quando inicializamos o programa com o pêndulo na posição
    if(phi1>0)                // vertical para baixo esta passa a ser lida como 0º. Porém, para o algoritmo de controle
        th1 = phi1-pi;        // funcionar corretamente 0º deve ser o pêndulo na posição vertical para cima. Para
                              // garantir que isso aconteça subido o pêndulo no sentido horário ou anti-horário fazemos
    else if(phi1<=0)          // th1 = th1-sgn(th1)*pi, onde sgn(x) é o sinal de x.
        th1 = phi1+pi;                         

    // Filtro (1/tau*s +1) nos angulos
    th0_f = (tau/(Ts+tau))*th0_f + (Ts/(Ts+tau))*th0;
    th1_f = (tau/(Ts+tau))*th1_f + (Ts/(Ts+tau))*th1;

}

/**************** Função de flag do algoritmo de controle ******************/
// Esta função avisa a main quando executar o próximo passo do algoritmo de
// controle. O uso de uma interrupção para o acionamento da flag garante que
// haja exatamente Ts segundos entre execuções.
void Control_Function(void)
{

    Flag_Controle = true;
    tempo = tempo+Ts;
}