Играем в морской бой через телеграфный ключ, дверной звонок и Arduino

В начале февраля в Steam был фестиваль печатания. Среди множества игр, проверяющих умение работы с клавиатурой, нашлась одна, которая предлагает уникальный опыт морского боя по телеграфу: индексы клеток вводятся азбукой Морзе.

Игра совместима с мышкой, клавиатурой и джойстиком. Я посчитал, что это не достаточно аутентично, и собрал свой контроллер с телеграфным ключом и дверным звонком. Получившееся устройство подходит не только для одной игры, но и для обучения азбуке Морзе и для набора сообщений в любые поля ввода в ОС.

MORSE

MORSE ^[1] — это стратегия, которая предлагает морские сражения в реальном времени с использованием азбуки Морзе. Игровое поле разделено на клетки, а переход к строке и столбцу происходит телеграфированием соответствующей цифры или буквы. Выстрел по клетке производится отдельной кнопкой, а с недавнего обновления — еще и последовательностью -...-, что позволяет играть полностью на телеграфном ключе.

Игра не требует особых навыков или оборудования. Шпаргалка с алфавитом по умолчанию включена, в настройках можно назначить любую клавишу в качестве телеграфного ключа. 

У игры есть бесплатная демо-версия ^[2], в которой можно ознакомиться с первыми уровнями и составить собственные впечатления.

Эта игра — один из нескольких тестов, которые придется пройти контроллеру. Но сначала его нужно собрать.

Телеграфный ключ

Классический телеграфный ключ — это переключатель в виде подпружиненного коромысла с двумя контактами. Дальний контакт (6’) в нормальном состоянии замкнут, что эквивалентно режиму приема на аппаратуре. При нажатии на рукоятку ближайший контакт (6) замыкается и в эфир отправляется сигнал, продолжительность которого регулируется продолжительностью нажатия на ключ. При отпускании ключ возвращается в нормальное состояние.

Классический механический вертикальный ключ — это не единственное устройство для передачи «морзянки». Существуют горизонтальные полуавтоматические и автоматические ключи.

В полуавтоматических смещение коромысла влево отправляет тире, а при смещении вправо запускается маятниковый механизм, который генерирует последовательность точек, пока контакт замкнут. Автоматические ключи используют аналогичный механизм не только для точек, но и для тире. 

Классический телеграфный ключ можно получить несколькими способами. 

• Купить. На маркетплейсах есть современные и самодельные ключи. На «барахолке» можно найти более классические варианты.

• Напечатать на 3D-принтере. Есть несколько моделей от ключа ^[4] до телеграфной системы ^[5]. Есть вариант на основе столовой ложки ^[6].

• Сделать из подручных материалов. У пользователя с ником OH6DC есть подборка телеграфных ключей ^[7]: на бананах ^[8], плойке ^[9] и даже на телепузике ^[10].

Я выбрал самый простой вариант: купил на барахолке за 1 200 рублей ключ Пг2.175.000. Похоже, что этот ключ не вынимали из коробки со времен производства — в 1991 году. На нижней стороне устройства видны три контакта, к которым можно подключиться. Ключ требует небольшого, но ощутимого усилия для нажатия, а при замыкании слышится приятный металлический стук. 

Берем эту прекрасную коробочку и добавляем обвязку для работы с компьютером.

Играйте в Minecraft и получайте бонусы в панели управления

Потратить бонусы можно, например, на развертывание облачного сервера для хостинга ^[11] своего сайта, приложения или Telegram-бота.

Подключиться к игре → ^[12]

Arduino, дверной звонок и разделочная доска

У ключа есть очевидное требование: он должен быть прикручен к какой-нибудь устойчивой поверхности. Для этого в корпусе есть четыре отверстия. Нажатие на рукоятку незакрепленного ключа приводит к отрыву ключа от стола. 

Подписывайтесь на мой Telegram‑канал ^[13] — там можно увидеть заметки по статьям, над которыми работаю, публикую небольшие познавательные посты, а по пятницам традиционно выкладываю мемы.

Так как я планирую портативный контроллер для компьютера, то расширяю свои ресурсы подручными средствами.

• Деревянная разделочная доска 22x16 см. Материал: бамбук. В моем случае она бесплатна, потому что она служила на кухне, но уже была существенно повреждена (но не сломлена) перепадами температуры в посудомойке. Примерная текущая стоимость — 500 рублей за одну новую доску.

• Простой дверной звонок. 200 рублей.

• Arduino Leonardo. Из моих старых запасов. Текущая цена — от 500 до 4 000 рублей в зависимости от магазина и оригинальности платы. В целом подходит любая плата на базе ATmega32u4.

• Несколько перемычек вида «папа-папа». Перемычки разрезаются, зачищаются и прикручиваются к контактам звонка и ключа.

Подключение Arduino к дверному звонку и ключу элементарно. Подключаем цифровые выходы, в моем случае 2 и 4, и землю к кнопкам. Механизм внутренней подтяжки (INPUT_PULLUP) ^[14] позволяет не использовать внешние резисторы, чем максимально упрощает схему. А простую схему можно собрать навесным монтажом.

Суммарная стоимость всех компонентов будущего контроллера — около трех тысяч рублей. Хотя цена максимально зависит от телеграфного ключа и микроконтроллера. 

Надежно прикручиваем элементы на бывшую разделочную доску и можем переходить к программированию.

Программирование

Наивный алгоритм

Ранее я отмечал, что нужен микроконтроллер на базе ATmega32u4. Дело в том, что эти микроконтроллеры умеют в эмуляцию USB HID, то есть могут «прикидываться» настоящей клавиатурой. 

Реализуем наивный алгоритм, который при замыкании ключа нажимает клавишу, а при размыкании — отпускает.

#include <Keyboard.h>
const int keyPin = 2;
const char keyButton = ' ';
bool lastState = HIGH;
void setup() {
  pinMode(keyPin , INPUT_PULLUP);
  Keyboard.begin();
}
void loop() {
  bool now = digitalRead(keyPin);
  if (keyPin == HIGH && now == LOW) {     // нажали
    Keyboard.press(keyButton);
  }
  if (keyPin == LOW && now == HIGH) {     // отпустили
    Keyboard.release(keyButton);
  }
  lastState = now;
}

В общем случае программа работает и может быть легко расширена для поддержки второй кнопки — дверного звонка. Однако программа не идеальна: при телеграфировании иногда возникает дребезг контактов, из-за чего игра распознает «лишнюю» точку. А кнопки «Backspace»,  как известно, в телеграфных системах нет.

Улучшенный алгоритм

После модификации программа стала более объемной, но и вместе с тем более функциональной.

• Поддерживается как телеграфный ключ, так и кнопка.

• Предусмотрен антидребезг: сигнал считается стабильным, если сохраняется как минимум 10 мс. Это значение вынесено в константы и может быть изменено перед прошивкой.

• Добавлен «сырой» режим, в котором микроконтроллер отправляет изменение состояния переключателей по COM-порту. Это опциональный режим.

Исходный код прошивки слишком большой, чтобы выносить его в статью, поэтому его можно посмотреть на GitHub ^[15].

Я, конечно, новичок и «печатаю» медленно, но играть на телеграфном ключе интереснее, чем на клавиатуре. А опыт — дело наживное.

Телеграфирование в операционную систему

А если вы хотите с помощью азбуки Морзе не только играть в игры, но и вводить текст в программы, будь то Telegram, Google Docs и прочее, то давайте продолжим.

Алфавит в коде Морзе и правила кодирования помещаются на лист А5. Должно быть просто декодировать сигнал, поступающий с контроллера, и программно нажимать кнопки клавиатуры, соответствующие коду, верно? 

Для декодирования Морзе нужно следовать пяти правилам.

1. Длина точки берется за единицу времени.

2. Тире занимает три точки.

3. Длина тишины между сигналами одной буквы — одна точка.

4. Длина тишины между буквами — три точки.

5. Длина тишины между словами — семь точек.

Длина точки не регламентирована, новички могут передавать сообщение медленно, профессионалы — быстро. До тех пор, пока выполняются перечисленные пять правил — сообщение будет декодировано. Более того, в передачах есть специальные сокращения, Q-коды, обозначающие «Передавайте медленнее» (QRS) и «Передавайте быстрее» (QRQ).

Так как я хочу написать декодер, который будет понимать меня только на заданной скорости, а не в «любом случае», то необходимо, собственно, определить скорость телеграфирования — Words Per Minute (WPM). 

Стандартными словами для измерения скорости считаются слова PARIS (длина передачи — 50 точек) и CODEX (60 точек). Несложно подсчитать, что при скорости 1 слово в минуту на передачу одной точки уходит от 1 000 до 1 200 миллисекунд. Эти константы позволяют высчитывать длину точки при разных скоростях передачи. Например, при WPM 20 длина точки 60 мс, а при WPM 35 — 35 мс.

За пару вечеров я набросал программу на .NET, которая распознает коды, показывает распознанные точки и тире в окне, а также позволяет видеть длительность сигнала и паузы между сигналами. 

Программа считывает команды из COM-порта, которые отправляет контроллер. Формат сообщения текстовый, сообщения разделяются переносом строки, данные в сообщении — пробелом.

1. EVT — «заголовок» сообщения нажатия кнопки.

2. BTN или KEY — указывает к кнопке или к ключу относится сообщение.

3. 0 или 1 — обозначает новое состояние переключателя. 0 — разомкнутно.

4. Временная метка в миллисекундах. Внутреннее время контроллера позволяет более точно вычислить длительность передаваемого сигнала. 

Превращение данных в точки и тире происходит с небольшой погрешностью. Длина точки может колебаться от 0.5 до 2.0 точек, а длина тире — от 2.1 и больше. Аналогично производится расчет для принадлежности символа к текущей букве или к следующей.

Для эмуляции нажатия клавиш используется .NET класс SendKeys и метод SendWait в частности. Особенность этого подхода в том, что это именно «нажатие» клавиш. Если набрать код латинского символа «Q», а в операционной системе будет выбрана русская раскладка, то в поле ввода появится символ «Й». Более того, пользователи QWERTZ-раскладок тоже увидят нестыковку: символ «Y» будет напечатан как «Z».

Приложение на уровне ОС может корректно обрабатывать эти ситуации, переключать раскладки и, при необходимости, отправлять текст в приложения без перехвата фокуса.

Полезные источники

Если вы впечатлились и хотите изучить код Морзе, то для этого есть несколько разных решений.

Игра MORSE ^[1], с которой началась эта статья. Возможно, игра — не лучшее решение именно для изучения, но определенно хорошее место для закрепления полученных навыков в стрессовой среде. Поддерживает мышь, клавиатуру, джойстик. Только английский алфавит. В сообществе Steam есть тема, посвященная DIY-контроллерам для игры ^[17].

Сервис MorseMaster ^[18]. Онлайн-сервис, предлагающий уроки с прогрессирующей сложностью. Поддерживает мышь и клавиатуру. Только английский алфавит.

Если вам кажется, что я уделил мало текста истории и устройству телеграфных линий, то можете обратиться к статье ^[3] моего коллеги по блогу.

Полный исходный код проекта из статьи доступен на GitHub ^[19].