| １． |
はじめに |
ライトプレーンはやったことはないのですが、赤外線での制御については興味があります。
最初はラジコンのプロポ準拠のＰＰＭ方式にしようかとも思ったのですが複数人で同時に使えないことや外来ノイズでの信号誤りの検出ができないことから、ＰＣＭ方式を検討しました。
方針としては、応答性の向上と複数同時使用が可能なようにデータ送信ビットレートをなるべく高速にすることです。
因みに、家電等で使用される一般的なフォーマット（NECフォーマット）では
リーダ部 ： 16T(ON) + 8T(OFF) = 24T
カスタムコード(8bit) : 3T/bit x 8bit x 2 = 48T (0:2T,1:4T -> average:3T/bit)
データコード(8bit)：3T/bit x 8bit x 2 = 48T
ストップ信号：1T(ON) + 41T(OFF) = 42T
で合計 162T で１T＝約0.57ms なので全体で平均 92ms の時間をかけて16bitのデータを送信していることになり、実質的なビットレートとしては約 174bps となります（実際にはデータの反転データ送信等もあり一般的にいうbpsとは違います）。
また、今回と同様な用途と思われるエアロソアラの赤外線コントロールでは 6bit の制御信号を約18msで送信するので通信速度は約 333bps です。
今回考案したフォーマットでは約 8.3ms で 4bit(ID) + 6bit/ch x 4ch = 28bit
を送信しているので 実質的な通信速度は約 3400bps（チェックビット等も加えた一般的なｂｐｓ表現では 5060 bps ）で、家電方式の約２０倍の速度ということになります。
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| ２． |
制御信号フォーマット |
赤外線受信ユニット（PL-IRM0208-A538：秋月さんで購入）の特性を調べてみたところ
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| ａ） |
変調信号38KHz(PICが4MHz動作時26ステップ周期)出力（オン信号）では４サイクル以上出力しないと受信機からのディコード信号が安定してでない（潰されて無視される）
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| ｂ） |
オフ信号に至っては１０サイクル以上でないとつぶれる（前後のオン信号がくっ付く）
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| ｃ） |
受信ユニットでディコードされたオン信号出力は実際のＬＥＤ出力の幅より 100us 程度長くなる。
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| ｄ） |
逆にディコードされるオフ信号幅は実際のＬＥＤ出力よりも 100us 程度短くなる。
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等の特性があり、単純にＰＣＭ通信しようとすると１ビット当りの信号幅を上記のブレが無視出来るくらい大きくする必要があり、かなり低速通信になってしまうことがわかりました。
そこで次のようなフォーマットにしました。
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| １） |
ＰＣＭ信号はＬＳＢ側から出力する。
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| ２） |
ビット１は変調信号送信（オン）、ビット０は変調信号オフとする。
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| ３） |
１ビット分の送信で
| ・ |
ビット１：３８ＫＨｚの変調波を６サイクル（156us）送信（特性ａからマージン込みでの最小の値）
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| ・ |
ビット０：６サイクルの時間３８ＫＨｚ信号をオフ。但し直前の送信ビットが１の場合、１２サイクルの時間オフにする。（特性ｂ対策）
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| ４） |
制御信号のフォーマット
[1+ID(4)+01] + [0ff-ffff] + [1ss-ssss] + [0tt-tttt] + [1oo-oooo] + [0cc-cccc]
f,s,t,oはそれぞれ１〜４ｃｈの値で６ビット長なので64段階の制御
cは制御信号のチェックサム値で誤り検出用
構成としては 7bit ｘ ６ でエッジ同期でディコードするのでエッジなし最長時間を保証するため、各データの先頭に同期用のビットを付加し、この同期用ビットは交互に反転しています。
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１→０のパターンのみ１２サイクル（確率１／４）なのでビット当りの平均送信時間は
６ｘ３／４＋１２ｘ１／４＝７．５サイクル
制御信号は４２ビットなので送信に要する時間は
42*7.5/38KHz = 8.3ms
になります。
上記の a), b) の赤外線受信ユニットの特性からこの方式の速度は限界に近い速度と思います。
低速な家電コントロール用の赤外線受信ユニット(PL-IRM0208-A538)を使って今回の速度を達成するには送信側はまぁいいとして受信側は調歩同期方式や家電のＰＰＭもどきのようにサンプリングポイント時点の信号の状態をチェックするだけでは受信できず、エッジ割り込みとタイマー割込みを使って、エッジ毎に同期を取るようにしています（調歩同期のバイト毎同期ではなくエッジ同期）。
更に受信側では100us周期の割込みで３２段階のＰＷＭ制御を２ｃｈ（左右分）と正転／反転制御を行いました。
下図が制御信号例で紫線が赤外線ＬＥＤの駆動波形で黄色線が赤外線受信ユニットの出力です。
左図の駆動波形は電流制限抵抗部で測定したもので、ＬＯＷレベルが赤外線発光状態でグランドレベルまで落ちず１．８Ｖとなっていますが、電流制限抵抗値が１５Ωなので赤外線ＬＥＤには約 120mA の電流が流れていることになります。制御可能距離の評価はしていませんが、室内（５ｍ程度）では問題なくコントロールできました。
ＬＥＤ駆動波形と赤外線受信ユニット出力を比較するとＯＮとＯＦＦとで対応する信号幅が違う（ＯＮの幅が長くなる）ことがわかります（この違いがなければ受信側のディコード処理が楽なのですが・・・）
右が信号全体のサンプル波形で、この例では最初のＯＮの開始から最後のＯＮの終了までの間隔が 7.8ms です。
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| ３． |
回路 |
| ａ） |
送信機
送信機の回路図がこれです。
赤外線ＬＥＤは、秋月さんで購入した OSIR5113A を使用しました。
駆動効率を高めるため、ニッカド８セルの ９．６Ｖ 電源を使用し、赤外線ＬＥＤを直列接続しています（Ｒ９の抵抗を小さくし、６セルの電源を使用することも可能）。
ＬＣＤは秋月さんで購入した SD1602HUOB(-XA-G-R)で ５Ｖ 動作のため、ＰＩＣとＬＣＤの電源を３端子レギュレータでつくり、電源電圧測定の基準値にも使うことで 電源電圧を ０．０１Ｖ の精度で測定しています（ソフトウェアによるキャリブレーション機能も付けています）。
また、ＬＣＤのバックライトをＰＩＣのＩ／Ｏで駆動し、スイッチ操作でバックライトを ＯＮ／ＯＦＦ できるようにしました。
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| ｂ） |
受信機
受信機の回路図がこれで特徴としては
| ・ |
赤外線受信ユニットが ５Ｖ 動作のため、モーター駆動用の乾電池２本の電源を昇圧することでＰＩＣと赤外線受信ユニット用の ５Ｖ 電源を作っています。
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| ・ |
昇圧用のクロックは回路簡略化のためにＰＩＣで作成しています（昇圧前の電圧での動作はＰＩＣの規格外ですが特に問題なく動いています＾＾；）。トランジスタのＶｂｅ電圧を基準にしてフィードバックすることで約５Ｖの電圧にしています。
精度はそれほど高くなく、電源電圧の下降と共に昇圧電圧もなだらかに下降します。
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| ・ |
BootloaderでＰＩＣに書込む時はアプリケーションの初期化処理前のためＰＩＣからの昇圧用クロックが出力されない状態であり、かつショットキーダイオードでの電圧降下もあり流石にＰＩＣの規格外なので電源として乾電池を３本か４本つないだ状態にして書き込みます。
|
| ・ |
モーターを正転／反転制御するために、ＦＥＴでブリッジを組んでいますが、モーター用電源電圧よりもＰＩＣ側の電源電圧の方が高いため、ＦＥＴは全てＮチャンネルにできます。（Ｐｃｈも使えるようにプラス側ＦＥＴとマイナス側ＦＥＴそれぞれ別々のＩ／Ｏで制御しています（ＰｃｈのＦＥＴを使う場合は制御信号を反転する必要がある））。
ＦＥＴは秋月さんで購入したフラットパッケージのMOS FET（uPA2753GR）を使うため、基板はハーフピッチのスルホール汎用基板を使いました（慣れるまで半田付けがちょっと大変＾＾；）。
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| ・ |
ＳＷ２は受信機のＩＤ変更操作用のもので、頻繁にＩＤ変更しないのであれば、実装しなくても問題ありません（ＩＤ変更する時はＰＩＣのＲＢ１を手でＧＮＤへ落とします）。
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斜めから見るとこんな感じです。
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| ４． | 処理概要 |
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ａ）
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送信機
内部クロック４ＭＨｚ動作で、赤外線ＬＥＤ駆動信号は実行ステップ数調整でタイマ割込みを使用しないで生成しました。50msのタイマインターバルの割込みでスティック状態をチェックし、変化があった場合のみ制御信号を送信します。但し、複数同時使用を考慮して制御信号の送信間隔は最短で 100ms にしています（処理に余裕があるのでこの辺の間隔はソース変更で自由に変更可能）
この場合、制御信号送信時間を 8ms と仮定し、２人で同時に使用した場合、常にスティック操作している時に制御信号がぶつかる確率を単純計算すると、
８ｍｓ ｘ ２ ／ １００ｍｓ ＝ ０．１６
なので、８４％の確率で信号が衝突しないことになります（この数値を見るとチャンネル数が１６というのは多すぎたか・・・）。
また、スティック位置に変化がない場合にも １．５ｓ 間隔で制御信号を送信するようにしています。
スティック位置はＸ−Ｙの２軸の状態で読み取れるので、今回のような左右のモーター制御のためにミキシングモードを設けました。
ミキシング方式としてはＸ−Ｙ座標系を４５°回転させる方式やＸ−Ｙの各代表ポイントでの制御値をテーブルで持ち、内分計算する方法等も考えたのですが、旋回半径を最小にするため最大旋回時には左右の回転方向を逆にしたかったことと処理の簡略化のため次のようにしました。
| ・ |
Ｙ座標値を左右モータの基本スロットル量とする。
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| ・ |
旋回情報としてＸ座標値の１／２の値を左右のスロットルにそれぞれ符号を逆にして加算する。
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| ・ |
制御信号のＭＳＢ（回転方向情報）を除いた５ｂｉｔに上記処理を行い、上下限の桁溢れが発生した場合はクリップ処理で範囲内の値にする。
|
これらの処理によって最大旋回時には左右のモーターが逆方向に回転し、くるりと自転するような操作が可能になります。
チャンネル(ID）番号、ＭＩＸモード／ノーマルモード及び電源電圧アジャスト値をスイッチ操作で設定できるようにし、設定値はＰＩＣ内EEPROMに記憶します。
これらの設定処理等を入れたこともあり、プログラムサイズがフリー版ＣＣ５Ｘコンパイラの上限１Kを超えたため、分割コンパイル方式でリンクしています。
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ｂ）
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受信機
内部クロック８ＭＨｚ動作で、制御信号ディコード用にエッジ割り込みとタイマ割込みを使用しています。
２項で書いた赤外線受信ユニット出力のＯＮ／ＯＦＦ信号の非対称性のため、エッジ毎にタイミング調整するようにすることでなんとかディコードできるようにしました（今回一番苦労したところ）＾＾；
また、左右のモーター制御のために 100us 間隔のタイマ割込みで３２段階のＰＷＭ制御と正転／反転制御を２ｃｈ分行いました（制御信号が６bitなので）。
ノーコン対策として３．２秒以上制御信号を受信できなかった場合はモーターを強制的にｏｆｆにするようにしています。（赤ＬＥＤは制御信号受信時に一瞬点灯、ノーコン状態で点灯しっぱなしになります）
起動時に設定チャンネル数分、LEDが点滅しますが、この間に設定スイッチをＯＮすることでチャンネル数をインクリメントできるようにしました（設定したチャンネル番号はＰＩＣ内EEPROMに保存されます）。
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コントロール対象はタミヤ製の「壁づたいねずみ工作基本セット」を使用しました（基板ができるとすぐ試したかったので基板取付はとりあえずテープで仮付です）＾＾；
少し試すつもりが、結構面白い（特に水平／垂直のＡ／Ｄ変換値をソフトウェアでミキシングし左右のモータ制御としている部分）のでついつい夢中になってしまう。（＾＾）
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★2017/11/19 追記
受信処理について「PIC24FJで４足ロボットの製作（その８）」のブログの記事に詳細説明を書いています。
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| ５． | 使用方法 |
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ａ）
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送信機
同種のＬＣＤ表示を付けた電源電流モニタではスイッチ操作がメインなので操作スイッチを３個つけましたが、今回はスティック操作がメインとなることから操作スイッチは２個にしました。スイッチの同時押し操作も可能にすることでそれなりの操作性にできました。＾＾
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１）
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電源を入れるとバージョン情報等を表示する初期画面を１秒間表示後、制御信号送信状態（２）になります。
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IR control V0.11
Init:Push L&R SW
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この時、ＬスイッチとＲスイッチが同時に押されていると初期化処理（EEPROM内のチャンネル番号、モード等を初期化する）が行われます。初めて電源をオンした場合（EEPROM内のデータが0xffの場合）も初期化処理が行われます。チャンネルの初期値は３です。
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２）
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この状態が制御信号送信できる通常の状態です。
この状態ではＬＣＤ画面に
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mmm:ss ch:nn ddd
vv.vvV L:zz R:rr
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と表示されます。
ｍｍｍ：ｓｓ 経過時間（mmm：分、ss：秒）
ｎn：チャンネル番号（１〜１６）
ｄｄｄ：モード（mix：Ｍｉｘモード、nor：ノーマルモード）
ｖｖ．ｖｖ：電源電圧
ｚｚ：送信する制御値１ｃｈ目の値（２桁ｈｅｘ表現）
ｒｒ：送信する制御値２ｃｈ目の値（２桁ｈｅｘ表現）
Ｌスイッチを押すことで経過時間がリセットされます。Lスイッチを押した状態でＲスイッチを押すとＬＣＤのバックライトがＯＮ／ＯＦＦ（トグル動作）します。
Ｒスイッチを押すことで「Ｃｈａｎｇｅ ｃｈ」と表示され状態（３）に移行します。
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３）
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Ｌスイッチを押すことでチャンネル設定状態（４）になります。Ｌスイッチではなく、Ｒスイッチを押すと「Ｃｈａｎｇｅ ｍｏｄｅ」と表示され状態（７）に移行します。
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４）
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Ｌスイッチを押すことで表示されているチャンネル番号がインクリメントされます。Ｌスイッチを押しながらＲスイッチを押すとチャンネル番号がディクリメントされます。
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５）
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表示されているチャンネル番号を設定値にしてからＲスイッチを押すと「ｓｕｒｅ？ Ｌ：ｙｅｓ Ｒ：ｎｏ］と表示され状態（６）に移行します。
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６）
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Ｌスイッチを押すとＬＣＤ２行目に表示されている設定値がEEPROMに保存され、状態（２）に戻ります。Ｒスイッチを押すと設定がキャンセルされ状態（２）に戻ります。
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７）
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Ｌスイッチを押すことでモード設定状態（８）になります。Ｒスイッチを押すと「ａｄｊｕｓｔ Ｐｏｗｅｒ」と表示され状態（９）に移行します。
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Ｌスイッチを押すごとにＬＣＤの２行目に表示されているモードがｍｉｘ（ミキシングモード）とｎｏｒ（ノーマルモード）に変わります。設定したいモードが表示された状態でＲスイッチを押すことで確認状態（５）に移行します。
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|
９）
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Ｌスイッチを押すことで電源電圧アジャストモード（10）に移行します。Ｒスイッチを押すと「ａｄｊｕｓｔ Ｔｉｍｅｒ」と表示され状態（１１）に移行します。
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10）
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ＬＣＤに表示される電源電圧を見ながらＬスイッチ（補正値＋）、Ｌスイッチを押しながらＲスイッチ（補正値−）の操作で電源電圧をテスタ等で確認した値になるように調整します。調整後Ｒスイッチを押すことで確認画面（５）に移行します。
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11）
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Ｌスイッチを押すことでタイマーアジャストモード（12）に移行します。Ｒスイッチを押すと状態（２）に戻ります。
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12）
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ＬＣＤにタイマー補正値が表示されます。Ｌスイッチ（補正値＋）、Ｌスイッチを押しながらＲスイッチ（補正値−）の操作でタイマー補正値を調整します（単位はμＳで大きくなると遅くなる）。調整後Ｒスイッチを押すことで確認画面（５）に移行します。
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ｂ）
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受信機
電源投入時に設定されているチャンネル数（１〜１６）の回数分、表示用ＬＥＤが点滅します。
この点滅中に操作スイッチを押すとチャンネル番号が一つインクリメントされます（誤操作防止のため、電源投入直後はスイッチｏｆｆでＬＥＤがチャンネル表示中にｏｎになった場合のみこの動作をします）
チャンネル表示終了から１秒後に制御信号を受信するモードになります（電源を切るまでずっとこのモード）。
制御信号を受信すると一瞬ＬＥＤが点灯します。また、一定時間制御信号を受信できなかった場合には、ＬＥＤが常時点灯となり、モーターの電源が強制的にオフ状態になります。
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| ６． | ダウンロード |
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