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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。

CoCoPadの修理(タッチペン製作)

1.患者
CoCoPad(SEGA)
CoCoPadタッチペン修理外観

2.症状
①オープニングのメッセージは流れるが、タッチペンが反応しない。

3.診察
①テスト用タッチペンでは正常に動作する。タッチペンの故障と判断した。

 注)テスト用タッチペンとはメーカー提供部品ではなく、ここで作ったような構造のものを予め製作しているものである。

②タッチペンを分解して導通をチェックしたが、コードの両端間の導通はOK、内部導体と外部導体間の絶縁もOKだった。

【ペンの内部】
CoCoPadタッチペン修理故障ペン
ハトメ様の部品は内部導体と外部導体のどちらにも絶縁している。

4.治療
①タッチペンを製作する。以下にタッチペンの製作状況を報告する。

②材料は同軸コード(1.5C-2VS)、RCAピンプラグ、ハトメである。ペンの握り部分は元々のものを使う。

 注)1.5C-2VSは内部導体が撚り線になっているため曲げに強く、タッチペンに適している。

③同軸コードの内部絶縁体にハトメを被せて、滑り止めに潰して、先端は半田で嵩上げしておく。
ハトメは内部導体と外部導体から絶縁している。外部導体は握り部分内部の導電ラバーに接触させる。
CoCoPadタッチペン修理ペン製作1

CoCoPadタッチペン修理ペン製作2

CoCoPadタッチペン修理ペン製作3

④もう一方の先端にはRCAピンプラグを付けて本体に接続する。内部導体が露出しないようにシールドに留意する。
CoCoPadタッチペン修理ペン製作4

⑤動作確認の結果は、認識する位置のズレも無く良好であった。

【センス信号の観察】
タッチペンで拾っているセンス信号を観察した結果は「CoCoPadセンス信号波形.pdf」を参照。
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  1. 2012/04/28(土) 18:37:10|
  2. 電子・電気修理
  3. | コメント:0

ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)

1.患者
ラジコン自動車(CCP社)
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)外観

2.症状
動いたり、動かなかったりする。
完全に動くか、全く動かないかの極端な症状である。

3.診察
①検波器出力(=デコーダ入力)信号を観察した。問題なさそうである。
【波形1】検波器出力(=でコーダ入力)信号
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)波形1

②動いているときと、動かなくなったときと、両者は全く同じ波形が観測される。従ってデコーダ故障と判断した。

③デコーダをPICマイコンで換装する。そのため、エンコード方式を分析して、PICのファーム(デコードプログラム)を作る必要がある。

【波形2】検波器出力信号(先頭部分の拡大)
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)波形2

【波形3】検波器出力信号(交尾部分の拡大)
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)波形3

④波形観測(【波形1】【波形2】、【波形3】)の結果、ビット値はHパルス巾で判別でき、エンコード信号の終了はLパルス巾で判別できる。
デコードのロジックは以下のようになる。
ⅰ.Hパルス巾が108us以下のとき、ビット値は0
ⅱ.Hパルス巾が208us以下のとき、ビット値は1
ⅲ.Lパルス巾が400us以上のときデコード終了
ⅳ.デコードしたビット数が23に満たない場合はエラー

⑤上記のロジックで検波器出力信号をデコードしてみた結果は以下のとおり。
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)分析1

【分析結果】
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)分析2

スティックの操作を戻したときにニュートラルの信号(ID=Aでは00003C)が出るが、このコードではIDの値が、上記のルールに当てはまらない。

⑥電源電圧が変化しても安定してデコードできるか確認してみようと、電源を6Vから4.5Vに落としてみた。すると、動かなかった元々のデコーダが正常に動くようになった。

⑦電源電圧の変化で動いたり動かなかったりするようなので、電源電圧の変更(6V~4.5V)と電源のオン/オフをいろんなパターンでやってみたところ、以下の現象が見えてきた。

ⅰ.6Vで電源をオンすると動かない症状が頻発する。その後電圧を4.5Vに落としても復旧しない。
ⅱ.4.5Vで電源をオンすると症状は全くでない。
ⅲ.4.5Vで電源をオンしてから6Vに上げても症状は全くでない。

いきなり6Vが印加されると動かなくなるようだ。ここで6Vと言っているのは基板への供給電源電圧のことであるが、デコーダへの供給電源は3Vのツェナーダイオードで安定化されていて、基板の電圧変動の影響はあまり受けないはず。

⑧デコーダへの供給電圧を測ってみると、基板の電源電圧が6Vのとき3.6Vであるが、基板の電源電圧を4.5Vに落とすと3.1Vに下がっていた。

⑨デコーダの仕様が不明なので適正な電源電圧が判らないが、デコーダの電源電圧が許容値を越えたためラッチアップしたのではないか、と考えられる。

⑩試しに、手持ちの3.3Vのツェナーダイオードを付けてみたところ、電源電圧6Vで電源オン/オフを繰り返しても症状が出なくなった。そのため、デコーダ故障との断定は取り消し、ツェナーダイオード故障に替える。

故障したツェナーダイオード
ラジコン自動車の修理(ツェナーダイオード交換)故障ダイオード

⑪取り外したツェナーダイオードの型番は3V0で、データシート(メーカが特定できないので複数社のデータシートを参照した結果)ではVz=3.2V@Iz=10mA程度のはずだが、実測するとVz=3.5V@Iz=10mAである。低電圧のツェナーダイオードは一般に定電圧特性がよくないので、バラつきの範囲かも知れないが、デコーダの許容電圧とのマージンが少なかったのであろう。

⑫開発したファームウェアは「Me20120408」(MPLABプロジェクト)を参照。但し、エンコード方式分析の途中までの成果となっている。

4.治療
①診察の過程でツェナーダイオードを交換したことで、機能が回復した。

②電源電圧6Vのときデコーダの電源電圧は3.1Vになった。4.5Vでは2.9Vになる。4.5Vの電源電圧のときでも駆動力は落ちるもののラジコンの制御は正常に行われることを確認した。
  1. 2012/04/08(日) 12:53:07|
  2. 電子・電気修理
  3. | コメント:0

ラジコンの修理(デコーダ換装)

1.患者
ラジコンカー REAL DRIVE(CCP)
ラジコン(デコーダ)外観

2.症状
全く動かない。

3.診察
(1)先ずは送信機の診察

①送信電波をモニタするとデジタル式ラジコン特有のパルス音がして、スティックを操作すると微妙にパルス音が変化する。

②送信機回路は動作しているようなので、ラジコンモニタで波形を観察してみる。

【波形1】スティックを操作しないときの波形
ラジコン(デコーダ)信号波形1

【波形2】前進を操作したときの波形
ラジコン(デコーダ)信号波形2

③スティックの操作でパルス巾が変化するのが判る。スティックの操作に関わらず、パルスの個数は25個固定である。変調方式はパルス巾変調で、パルスの1個はスタートパルスとすれば指令データは3バイトということになる。

④信号の開始部分でパルスが弱まっていて、均一な高さではないのが気にはなる。

⑤高周波出力は適切な強さで出ていて、送信機は正常と判断する。

(2)受信機の診察

①受信機基板への電源供給を確認する。結果、モータドライバ(Hブリッジ)には電池から6V、検波器とデコーダには内部のレギュレータで3.5Vが供給されていた。

ラジコン(デコーダ)分解1

②送信機を操作しても、ドライブ用モータ、ステアリング用モータともに回らない。デコーダからHブリッジへの信号が常にLであることを確認した。

③デコーダの入力信号を観察する。表面実装部品ばかりなので、配線コードを検波器からデコーダへの信号ラインに半田付けして信号を引き出しておく。
ラジコン(デコーダ)分解2

【波形3】検波器出力波形(デコーダの入力信号と同値)
ラジコン(デコーダ)信号波形3

④検波器出力信号は殆どの時間がクエンチングノイズで埋まっていて、時々エンコード信号が現れるような感じである。間欠的に送信される方式ではこのような状況になる。

⑤検波器のバッファアンプはオーソドックスなエミッタ接地の増幅回路となっていた。動作点は若干のバイアスが掛かっていて、変調信号の波形整形と同時にクエンチングノイズが大きく増幅されている。

⑥検波器が送信機の変調信号を忠実に復調しているのか調べる。送信機も表面実装なので、ここでも配線コードを半田付けして変調信号を引き出しておく。

ラジコン(デコーダ)分解3

【波形4】上段:送信機の変調信号、下段:ラジコンモニタの受信波形
ラジコン(デコーダ)信号波形4

⑦エンコーダのマイコンから、それらしきパルスが出力されているポートが複数本あったが、波形を見てRF信号と一致しているものを変調信号(エンコード信号)と特定した。

【波形5】送信機の変調信号(時間軸を長くして観測)
ラジコン(デコーダ)信号波形5

⑧変調信号の全体幅は約5ms、繰返し周期は約58msである。

【波形6】上段:送信機変調信号、下段:検波器出力波形
ラジコン(デコーダ)信号波形6

⑨送信機の変調信号に同期すると検波器の出力波形が明瞭に観測できた。変調信号波形と検波器出力波形は一致しており、検波器は正常である。【波形1】【波形2】に見られたエンコード信号の開始部分でパルスが弱まっている傾向は、バッファアンプで整形されてうまく隠されている。

⑩デコーダの入力としては、エンコード信号の他にID設定SWから2ビットの信号が来ている。この信号は、SWの操作によってH/Lが確実にデコーダのポートに入力されていたので問題なし。

⑪デコーダには外部のクロック回路は無く、リセット回路も見当たらない。また、デコーダサブボードとメインボード間の断線および短絡を確認したが異常はなかった。従って、デコーダそのものの故障であると断定した。

4.治療
(1)デコーダの製作

故障したデコーダは入手できない(とは断言できないが、品番の表示も無く同等品を探すことが困難)ので、代替部品を作ることとする。コスト的にも汎用の低価格マイコンの方が専用ICよりも格段に安い。

このようなデジタル信号の分析の用途にはPICマイコンが好適である。
①デジタル信号を対象とする用途である。
②安価であり、PICマイコン1個で事足りる。
③(当然)プログラマブルなので、分析をしながら開発していく(所謂試行錯誤する)作業形態に対応しやすい。

代替部品の製作手順は以下のようになる。
①送信機の変調信号を分析してエンコード方式を割り出す。
②PICでデコード機能を実現する。
③実機上で動作させてデコード結果を評価しブラシアップしていく。

上記①から③を繰返し実施し、デコードの精度を上げていく。最初は波形の観測から信号の規則性を見出して方式を推理するが、深堀りして行くには分析用のツールを組んでマイコンに処理させるのが効率的である。この分析用のツールが最終的なデコーダとして育って行くことになる。分析が完了した、ということはデコーダが完成したことになる訳だ。

④デコード以外の必要な制御機能を盛り込む。

デコード以外の機能としては、自IDの設定や無制御時の安全機能(送信機からの指令が止ったときに動作を停止させる)などがある。

(2)PICマイコンの選定

分析用のPICと実装用のPICを同じにすると、分析作業完了後にファームを移植する手間が省ける。

PIC選定の条件は以下のとおり。
①入力ポートは、エンコード信号1本とID設定信号2本の合計3本。
②出力ポートは、Hブリッジ用信号がドライブ用とステアリング用のそれぞれ2本の合計4本。
③扱うパルス信号が数10usのスピードなので、クロックは4MHzあれば十分。
④Vddは3.5V(MAX5Vまで許容できればよい)

安価な8ピンのPICで済ませたいが、8ピンのPICはポートが6本しかないので足りない。そこでID設定信号の入力をアナログ入力にして、1本のポートで複数の設定値を読み取るように工夫した。ID設定SWの回路は2本のデジタル信号を出力しているが、下記のように細工をすれば1本のアナログ信号にできる。

ラジコン(デコーダ)回路図

ポートを1本節約できたので、8ピンPICを採用することとし、秋月価格で最安のものを探したところ、12F615、@60円(2012年現在)があり、これに決定した。12F509、@50円もあるが、ADCが無いのと、スタックが2レベルしかなく使い辛いので敬遠した。

(3)PC側モニタ

分析用のPICから分析の結果をPCのシリアルポートへ送り、PC側で画面表示して分析結果を評価する。そのためのPC側の画面表示ツールを作った。バイナリコードを受信して16進表示する機能を持っている。このツールは送受信の機能を持っているが、今回は受信機能のみを使っている。
ラジコン(デコーダ)モニタ画面

(4)エンコード方式の分析

【波形7】送信機変調信号
ラジコン(デコーダ)信号波形7

①パルス巾変調のようなので、パルスの周期を評価して短周期パルスを0、長周期パルスを1と解釈する。短周期と長周期の閾値を200usとして24ビット分をデコードしてみた。検波器出力信号はかなり波形が乱れているので、先ずはきれいな送信機の変調信号を入力して分析を進める。

②周期の下限値を50us、上限値を600usとして、それに外れる場合はデコード結果を破棄して、初めからやり直すロジックとした。
結果として以下のコード値が得られた。

ラジコン(デコーダ)分析表1

エンコード方式は下記のように推測できる。
ラジコン(デコーダ)エンコード1

③送信機の変調信号ではうまく行ったので、次に検波器出力信号でやってみた。ところが、デコード結果が安定せず、全くでたらめなデコード結果となり、上記のロジックではデコードできないことが判った。

【波形6(再掲)】上段:送信機変調信号、下段:検波器出力波形
ラジコン(デコーダ)信号波形8

パルス周期の上限値と下限値でクエンチングノイズを除外する考えでいたが、エンコード信号の手前のクエンチングノイズ部分は除外されずエンコード信号として評価してしまって、ビットずれを起こしているようである。

④エンコード信号部分を特定する条件を他に見出す必要がある。発想を変えて信号を時系列の逆方向に見ると、エンコード信号の後には安定なHが800us程度存在していて、他の期間には無い特徴である。これを条件にすることを考える。パルス巾の評価でビット値を判別するのは変わらないが、判別した結果をメモリに溜めておき、800us以上のHを検出したときに、遡って24ビット分のデータをエンコード信号とする。

⑤パルス巾ではなくパルス周期でビット値を判定していたのは、他のラジコンへの流用を考えて信号の極性が正論理であっても負論理であってもファームを共用できることを意図していたからだ。しかしエンコード信号の部分を特定するのに信号の極性を意識せざるを得なくなった。パルス巾の変調はL期間で行っているようなので、ビット値の評価はLのパルス幅で評価することにする。

⑥エンコード信号は24ビットあるが、送信機の変調信号の分析結果から下位8ビットは無くてもコード値の意味は判別できることが判ったので、上位16ビットのみをデコードすることにする。

⑦新しいデコードのロジックは以下のとおり。
ⅰ.Lパルス巾26~100usはビット値0とする。
ⅱ.Lパルス巾101us以上はビット値1とする。
ⅲ.Lパルス巾400us以上は異常データと看做して、それまでのデコード結果を破棄する。
ⅳ.Hパルス巾800us以上を検出したら、過去分24ビットのうち下位16ビットをデコード結果とする。
ⅴ.過去分が24ビットに満たない場合はノイズと見做し、デコード結果を破棄する。

結果として下記のコード値が得られた。クエンチングノイズの嵐の中にも拘らず、安定した結果が得られている。

ラジコン(デコーダ)分析表2

⑧エンコード方式は下記のように確定した。
ラジコン(デコーダ)エンコード2

(5)デコード以外の制御機能の実装

以下の機能を盛り込む。

①ID設定SWを読込み、自分のIDを確定させる。
②伝送のエラーによる誤動作を防止するため、同じデータを2回続けて受信したときに受信データを有効とする。但し、このラジコンでは停止の信号は1回しか送られて来ないため、例外とする。
③無制御検出時(エンコード信号が130ms以上途絶えたとき)に動作を停止させる。

ポートの割り当ては下記のとおりである。
GP0:ドライブ(前進)出力
GP1:ID番号入力(ADC入力)
GP2:ドライブ(後退)出力
GP3:エンコード信号入力
GP4:ステアリング(左)出力
GP5:ステアリング(右)出力

(6)受信基板への実装
①故障したデコーダを受信機基板から取り外す。
ラジコン(デコーダ)故障マイコン

②PICマイコンをホットボンドで受信機基板に貼り付ける。電源ラインと信号ラインを受信機基板に配線する。

ラジコン(デコーダ)組み付け

(7)動作確認

下記の機能の正常動作を確認した。

①フルアクションの制御(停止・前進・後退×直進・右折・左折)
②伝送エラー時の誤動作防止(送信機の電源電圧を低下)
③無制御時の停止(操作中に送信機電源断)
④電源電圧低下時の動作(4.5V)

5.ダウンロード

開発したファームは ここから ダウンロードできる。
ディレクトリ 「Me20120401」 にMPLABプロジェクトが格納されている。

  1. 2012/04/01(日) 19:49:53|
  2. マイコン換装
  3. | コメント:0

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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