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名張市つつじが丘おもちゃ病院

三重県名張市つつじが丘でおもちゃの病院を開院しています。年中無休で修理は無料、部品代のみ実費です。おもちゃの修理依頼は tutuji@cb4.so-net.ne.jp へメールにてご連絡下さい。なお、宅配便での受け付けは行っておりません。このブログにはおもちゃ等の修理事例やツール製作などを載せていきます。故障診断や修理方法の改善等、ご意見をお寄せ下さい。

赤外線リモコンモニタの製作

家電品の赤外線リモコンの信号をモニタするツール

【経緯】
赤外線リモコンのおもちゃで送信機が壊れたり紛失したりしたときに、家電品の赤外線リモコンで代用することがある。
その場合、送信側の信号フォーマットに受信側のデコーダを合せる必要があり、送信機の赤外線信号を調べなければならない。
その都度波形を観測して調べるのは手間がかかるので、自動的に分析して信号の内容を表示してくれるツールを作った。

【特徴】
①信号フォーマット(NEC、家電協、SONYなど)を自動判別する。
②信号コードをキャプチャして、リアルタイムでPCへシリアル送信する。
③PC側ではTeraTermなどの通信ソフトでモニタからのキャプチャデータを表示する。

【全体像】
赤外線モニタ全体像
上記の画像中のボードは、赤外線関係の開発用ボードで、下記の回路図に記載された以外の部品も搭載されている。

【回路図】
赤外線モニタ回路図

【ファームウェア】
本モニタのファームウェアの機能は以下のとおり。
①リーダー部を検出し、その長さで信号フォーマットを判別する。

②信号フォーマットに応じて、データ部の信号コードを4ビット単位にキャプチャする。

③トレイラを検出する。

④信号ブランクの時間を計測する。

⑤モニタした結果はリアルタイムにPCへシリアル送信する。

【モニタ結果の見方】
赤外線モニタ見方

【ダウンロード】
設計資料とファームウェアの開発プロジェクトは ここから ダウンロードできる。
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  1. 2015/05/23(土) 23:39:13|
  2. 赤外線リモコン
  3. | コメント:0

簡易赤外線モニターの製作

【前振り】
当ブログの別記事「超簡易版ラジコンモニターの製作」を作ったついでに、今度は赤外線の簡易モニターを作る。
これは赤外線リモコン送信機からの赤外線信号をモニターするツールで、赤外線リモコンのおもちゃを診察するのに必要不可欠なものだ。これもラジコンモニターと同様に、所持していないおもちゃドクターが多い。
百円以内で作れるので、持っていないドクターは是非作って、赤外線リモコンのおもちゃの修理に活用して欲しい。

【目標】
電子系のおもちゃの診察にはカウンタやオシロスコープなどの電子系の測定器が必要だ。しかし、それらでも赤外線信号を直接測定することはできない。赤外線は光の信号であり、それを電気信号に変換してはじめて電子系の測定器で観測することができるようになる。
一般のおもちゃドクターは電子工作が趣味ではないだろうし、測定器の開発に労力を費やすよりおもちゃの修理に励んだ方が良いだろう。だから、信号の観測そのものは市販の測定器に依存することにして、光から電気への変換器を簡易に作ることを目標とする。記事のタイトルとは若干乖離があるがご容赦。

赤外線モニターの製作記事はおもちゃ病院関係でよく目にする。この記事で紹介する赤外線モニターも、回路としてはそれらと似たり寄ったりだが、ここでは「設計」と「評価」をきちんとやるということを、もう1つの目標としたい。

【設計】
①感度は
送信機の赤外線を真近で受けるので高い感度は不要。むしろ邪魔になる。送信機の不具合で赤外線の発光が弱まっている場合には、赤外線モニターは信号を検知しない方が良い。

②応答特性(周波数特性)は
赤外線リモコンでは、制御情報を特定の周波数のキャリアに乗せて伝送している。そのため、赤外線信号を正確に診断するには、そのキャリアを観測する必要がある。
殆どのおもちゃの赤外線リモコンでは38KHzのキャリアが使用されている。また、キャリアのデューティサイクルは30%~50%程度である。
そのため、応答時間は最小オン時間の9usに対して十分に小さいことを目標とする。
応答特性はフォトダイオードの性能に依存し、高性能を望むと著しく高価になってしまう。設計目標を満たす最小限の性能で、安価に入手できるデバイスとして「VBPW34FAS」(2014年秋月価格@25円)を選定した。

【製作例】

回路図
簡易赤外線モニターの製作回路図

基板部品面
簡易赤外線モニターの製作基板1

基板半田面
簡易赤外線モニターの製作基板2

センサー出力を一般のオーディオアンプに繋いで、変調信号を耳で聞く。変調信号を正確に診るためにはオシロスコープに繋いで信号波形を観測する。観測例を下図に示す。
簡易赤外線モニターの製作波形1
これくらい綺麗に表示されると、プロトコルの分析も楽だ。

時間軸を拡大してキャリアを観測したのが下図。
簡易赤外線モニターの製作波形2
キャリアのデューティサイクルが観測できている。
  1. 2014/11/22(土) 16:48:20|
  2. 赤外線リモコン
  3. | コメント:2

Toy赤外線リモコンの信号フォーマット

おもちゃの赤外線リモコンの信号フォーマットについてだが、おもちゃ毎にいろんなタイプのものがあり統一性が無い。そのため、おもちゃの病院での調査事例を羅列する。

収録内容

(1)タカラトミー社Q-STEER

(2)CCP社REAL DRIVE nano

(3)Silverlit社赤外線リモコンカー

(4)Protocol社TurboHawk3チャンネルIRCヘリ



(1)タカラトミー社Q-STEER
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER外観

【実測波形】
送信機からの赤外線を赤外線受信モジュールで受信し、その出力信号を観察しているので、信号波形は負論理で表示されている。

フレーム(バンドA)
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形1

フレーム(バンドB)
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形1-2

その他のバンドについても実測した結果は以下の通り。

バンド フレーム長 第1データから第2データまでの間隔
A   122ms   18ms
B   128ms   32ms
C   128ms   48ms
D   136ms   68ms

複数台の送信機が同じタイミングで送信すると赤外線信号がぶつかりあって伝送化けしてしまうが、各バンドでデータの送信タイミングをずらせることで、ぶつかりあっても次の伝送タイミングではぶつからないようにしている。

バンドA・前進の信号
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形2
第1データと第2データは同じデータを送信している。
送信機の同じボタンを押したままにすると、同じフレームが繰り返し送信される。

上記の拡大
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形3
送信機を操作してみて信号波形の変化を観察した結果、先頭のバルスから順に、リーダー、バンド、ファンクションを表していることが判った。Hの期間は0.45msで一定。Lの期間が変化し、以下の値である。
リーダー部は 1.7ms
ビット値0は 0.45ms
ビット値1は 0.9ms

【コード値の分析】
送信機を操作してみてビット値の変化を観察して、コード値を割り出した。最左パルスがMSBに対応する。
バンドのコード値は
バンドA 00
バンドB 01
バンドC 10
バンドD 11

ファンクションのコード値は
↑   0001
↓   0010
←   0011
→   0100
↑T  0101
↑←  0110
↑→  0111
↑←T 1000
↑→T 1001
↓←  1010
↓→  1011
↓T  1100
↓←T 1101
↓→T 1110
T   1111

0000のコードは未割り当てである。

【フレーム(ストップ)】
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形4
通常コードのフレームから約40ms後にストップコードのフレームが出る。ストップコードはターボのコードと同じだが、何故そのような設計なのかは判らない。
ストップコードのフレーム周期は約140msで、2個のフレーム(4個のデータ)が出る。

赤外線リモコンでは、他のバンドとぶつかったり、物陰に入ったりして、データ受信が途切れることがある。その都度、停止していると動きがギクシャクしてしまう。そのため、データ受信が途切れても、ある程度の時間(数100ms)は前の動作を継続させるようにしている。しかし、送信機のボタンを離して明示的に停止させる場合は速やかに停止しなければならない。そこで、送信機のボタンを離したときはストップコードを送信するようになっている。

【フレーム(ストップ)の拡大】
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形5

Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形6

Toy赤外線リモコンの信号フォーマットQ-STEER波形7

【製作例】
Q-STERRと信号フォーマットの互換性のあるエンコーダ/デコーダを作って、赤外線リモコン送信機/受信機のセットを製作した。詳細は「 赤外線リモコン送信機・受信機の製作 」を参照。



(2)CCP社REAL DRIVE nano
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットCCPnano外観

REAL DRIVE nanoの信号フォーマットは、操縦の方向が逆になっている以外は、Q-STEERと同じである。
操縦の方向とは、前後左右の方向のことで、例えば、REAL DRIVE nanoの送信機で前進の操作をすると、Q-STEERの後退に該当するコードが送信される。左右も逆になっている。バンドのコードとターボ・ストップコード、フレーム(ストップ)は同じである。つまり、プロトコルはマイコンのファームに依存するので、同じチップを使っている限り同じになるが、デコード出力(Hブリッジへの信号線)の配線が入れ違っているということだろう。送信機側のボタンの配線が入れ違っているのかも知れない。

【実測波形】
ここでは赤外線受信モジュールは使わず、フォトダイオードで赤外線信号を受信している。信号波形は正論理で表示されている。

キャリア
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットCCPnano波形1
赤外線モニターの周波数特性が悪く、波形がかなり鈍っているが、キャリア周波数は38KHzであることが確認できる。

フレーム(バンドA)
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットCCPnano波形2

バンドA・前進の信号
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットCCPnano波形3
000010が出力されており、Q-STERRのバンドA・後退に該当する。

バンドA・後退・ターボ・左ステアの信号
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットCCPnano波形4
001001が出力されており、Q-STEERのバンドA・前進・ターボ・右ステアに該当する。



(3)Silverlit社赤外線リモコンカー
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットSilverlit外観

【実測波形】
送信機からの赤外線を赤外線受信モジュールで受信し、その出力信号を観察しているので、信号波形は負論理で表示されている。

フレーム
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットSilverlit波形1
フレーム周期は約140ms

停止時の信号
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットSilverlit波形2
フレーム長は22ビット(リーダー含む)

停止時の信号の先頭部分
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットSilverlit波形3
各ビットはデューティはほぼ50%の矩形波

停止時の信号の後尾部分
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットSilverlit波形4
ビット値0は周期約1.2ms
ビット値1は周期約2.5ms

【エンコードルールの分析】
フレーム長が長いので手作業で分析するのは困難なため、マイコンに分析をさせることにする。フレーム終了後のHの継続を検出をトリガとして、遡ってフレーム開始からのビット数とビット値を評価する。得られたデータを16進表示でPCのシリアルポートへ送る。これをPC側のTeraTermで受けて画面に表示する。データの羅列からエンコードルールを見出すのは人がやる。

[chを変化させたときのデータの変化]
(サンプル)
chA : 0x300000
chB : 0x340004
chC : 0x380008

(ルール)
          A  B  C
b19-18 : 00-01-10

[ドライブを変化させたときのデータの変化]
(サンプル)
前進 : 0x3B800C
     0x3B4000
停止 : 0x39C000
     0x38400C
後退 : 0x380008

(ルール)
          後退               停止                前進
b17-14 : 0000-0010-0100-0110-1000-1010-1100-1110
[ステアを変化させたときのデータの変化]
(サンプル)
右 : 0x380C04
    0x380800
中 : 0x380008
    0x380200
左 : 0x380604

(ルール)
         左           中           右
b11-9 : 011-010-001-000-100-101-110

【デコーダの製作例】
このプロトコルに準拠したデコーダを製作して、故障したデコーダに換装した事例がある。詳細は「 ラジコンの修理(送信機受信機ミスマッチの改造1) 」を参照。



(4)Protocol社TurboHawk3チャンネルIRCヘリ
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ外観

【実測波形】
送信機からの赤外線を赤外線受信モジュールで受信し、その出力信号を観察しているので、信号波形は負論理で表示されている。

フレーム
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ波形1
フレーム周期は150ms

データ
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ波形2
リーダーは1.6msのL
ビット値0は周期が0.8ms
ビット値1は周期が1.6ms

【プロトコルの分析】
フレーム長が長いので手作業で分析するのは困難なため、マイコンに分析をさせることにする。データ終了直後のHの継続を検出すると、遡ってフレーム開始からのビット数とビット値を評価する。得られたデータを16進表示でPCのシリアルポートへ送る。これをPC側のTeraTermで受けて画面に表示する。データの羅列からエンコードルールを見出すのは人がやる。

送信機の操作による赤外線信号の変化をMSBファーストで表示
[スロットルを変化]
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ分析1

[ラダーを変化]
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ分析2

[エレベータを変化]
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ分析3

[バンドを変化]
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ分析4

[分析結果]
Toy赤外線リモコンの信号フォーマットProtocol社IRCヘリ分析5

上記の(*3)については未解明である。デコーダの製作では無視すればよいが、エンコーダの場合は確たる値を設定しないとニセモノだと見抜かれてしまった。
  1. 2014/08/21(木) 20:30:49|
  2. 赤外線リモコン
  3. | コメント:0

赤外線リモコン送信機・受信機の製作

ドクター研修会の製作実習ネタの一つとして実施している「赤外線リモコン送信機・受信機の製作」を紹介する。

赤外線リモコン送信機・受信機外観

【概要】
赤外線リモコンの電子回路部分を送信機と受信機として具現化したもので、メカ部分は含まない。また、Hブリッジも含まない。つまり、リモコンの信号処理を学ぶための教材としての位置付けである。
送信機は、前進・後退・右折・左折・ターボの操作ボタンを設けて、所謂「フルアクション」とする。
受信機は、デコードの結果を、送信機のボタンに対応する5個のLEDに表示する。
ここで作った送信機と受信機は、別記事の「ラジコン送信機・受信機の製作」のエンコーダとデコーダとしても流用できるように配慮している。

【プロトコル】
Q-STEER(タカラトミー)、REALDRIVEnano(CCP)と同じプロトコルとする。そのため相互間での動作、例えば、ここで製作した送信機でQ-STEERの車体をコントロールすることなど、が可能である。
Q-STEER(タカラトミー)、REALDRIVEnano(CCP)のプロトコルの詳細は【ダウンロード】の資料を参照のこと。
エンコーダとデコーダはPICマイコンに実装して受講者に提供する。従って、受講者にはマイコン開発のスキルは必要ない。

バンド番号の設定は、製品ではハードウェアSWに寄るが、このファームウェアではターボボタンの長押し(2.5秒以上)でバンド番号を設定する仕組みにしている。送信機側でバンド番号が設定されると、バンド番号設定プロトコルを送信し、受信側にバンド番号を設定させる。詳細はダウンロード資料を参照。

【回路図】
送信機
赤外線リモコン送信機回路図

受信機
赤外線リモコン受信機回路図

【使い方】
組み立て後に調整すべきところは無い。配線不良が無い限り、すぐに動作するはずである。
飛距離は5m程度である。
各部の信号を観測して、信号が処理されていく過程を観察する。
送信機と受信機間の赤外線伝送をわざと妨害(赤外線を遮断するとか送信機を断するとか)して、通信異常時の対応機能を確認する。
①無通信の検出と自動停止(安全な状態へ遷移する設計)
②瞬断時の制御自動補完(動作がギクシャクしない設計)
複数バンドでの同時使用を確認する。

【ダウンロード】
詳細な製作資料とファームの開発プロジェクトは ここから ダウンロードできる。
  1. 2014/05/24(土) 15:34:04|
  2. 赤外線リモコン
  3. | コメント:4

プロフィール

大泉茂幸

Author:大泉茂幸
名張市つつじが丘おもちゃ病院
名張市つつじが丘南3番町129
tutuji@cb4.so-net.ne.jp
090-5534-6494
連絡は上記のメール、またはSMSでお願いします。

子どもの頃から趣味は電子工作一筋でやってきました。理科離れが進む中で科学技術に興味を持つ子どもが少しでも増えて行くことを願って、子ども達に電子工作の活動の場を提供しています。

1981年からおもちゃ病院の活動を始め、2014年に三重県名張市への移住を機に「つつじが丘おもちゃ病院」を開院しました。自分でおもちゃを設計し製作する【おもちゃ工房】と、マイコンを応用した電子工作を楽しむ【マイコンクラブ】も併設しています。新規参加メンバーを募集しています。

当ブログで公開している技術情報や成果物の複製、改変および再配布はフリーです。読者様のおもちゃ病院活動のお役に立てば幸いです。ご利用いただいた結果や感想等を記事へのコメントやメールでフィードバックしていただけると有難いです。なお、公開ファイルは最新版を載せているので、古い記事の内容から変わっている場合があります。

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