アストロボーイへの道　      　astro1

８.  IRリモコン

　アストロ１号を外部から操作すべく、簡単に手に入る赤外線（IR）リモコンを使うことにした。家のテレビ・リモコンや、エアコンのリモコンは常に使っているので、秋葉原の千石電商で見つけたノーブランドのIRリモコンを使う。

（１）リモコン外観


　図１．リモコン外観


（２）受光モジュール

　当初、リモコンと一緒に添付されていた 中国製のInfrared Receiver Module VS1838Bを使用したが、感度が悪く、使用を断念した。代わりに、Rohm製リモコン受光モジュール　RPM6938をAmazonから購入した。受光モジュールのデータシートは　こちら　。
 　図２のブロック図のように、光センサだけでなく、振幅制御も含まれている優れ物である。
　電源は推奨5V、TTL出力（但し、IoL = 0.4 mA）で２値化された出力が得られる。
　データシート上、受光の許容角度（直線到達距離の８０％）は片側約30度と広くはない。但し、これは、10m程度の遠方から時であって、1m以下の近距離の実測結果では、80度近くまで受光可能である。
　I/V変換の後にカップリング・コンデンサが入っており、それ以降はAC増幅になっている。増幅感度は高く上げられるが、外来ノイズは受けやすい。リモ コン出力は38 KHzのキャリア周波数の上に、データが乗っている（"1"は1.125ms周期の基本波444Hz成分、"0"は2.25ms周期の基本波888Hz成 分）ので、fo = 38 KHzで復調して、適当なBPFを掛けたあと、検波（方式不明）して、外来ノイズの影響を低減している。


　　　　　　　　　　　図２．ブロック図　及び　端子番号


（３）IRリモコンフォーマット

　IRリモコンフォーマットにはNECフォーマットと家電協フォーマットの２方式があるが、今回使用するIRリモコンはNECフォーマットに準拠しているので、以下の説明はNECフォーマットを前提にしている。
　NECフォーマットのビット情報は38 KHz （1/3 duty）のキャリアに乗せられ、Frameと呼ばれるデータ単位毎に送られる。リモコンのボタンを１度押すと、１Frameが送信される。
　フレームのデータフォーマットは図３のようになっている。
　先頭を示すリーダーコードで始まり、メーカ名などを示すカスタムコードが16ビット続き、その後にデータコード８ビットとデータコードの反転データ８ビットが続いて、最後にストップビットが来る。カスタムコード、データコードとも下位のLSBから送られる。
　リーダーコードはHIGHの部分 9.0ms とそれに続くLOWの部分 4.5ms から構成されている。
　カスタムコード、データコードを構成するデータの "0", "1" は図４の通りになっており、ビットの長さ（波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間）で、"0"と"1"が区別される。これを、PPM ( Pulse Position Modulation )と呼ぶ。
　図５は、リピートコードで、リモコンのボタンを長押しした時などに発生し、AV機器などで使用される。
Data Format
　　　　　　　　　　　　　　　　図３．データフォーマット



　　　　　　　　図４．データ "0", "1"



　　　　　　　　図５．リピートコード


（４）Arduinoと受光モジュールの接続


　　　　　　図６．Arduinoと受光モジュールの接続


（５）実際の受光波形

　IRリモコンで「1」のボタンを押した時の受光モジュール出力信号の１Frame分のオシロスコープ波形を図７に示す。CH1（赤）は受光モ ジュール出力、CH2（黄）はリーダーコード検出タイミングパルスである。なお、受光モジュール出力は、光を受光していない時がHIGH、受光した時がLOWレ ベルになるので、図７と図３は極性が反転した状態になる。
　赤い波形の下に波形から読み取れるデータを青字で追記した。カスタムコードは（DF00)h、データコードは (00)h、データコード反転は (FF)h となっている。


　　　　　　　　　　図７．「1」ボタンを押した時の受光モジュール出力波形


（６）Arduinoプログラム

　Arduinoプログラムのマクロ・フローチャートを、図８に詳細なプログラム・リストを図９に掲げる。
   波形のパルス幅は最短でも560μsあり、Arduino UNOのクロック16MHz（周期：62.5ns）と比べると10の4乗倍の大きさなので、ソフトウェアでデコード可能と判断した。
　波形の極性が変化する時刻を配列に記録して置き、変化点から変化点までの時間を測って、リーダーコードを検出する。
　リーダーコードを検出したら、カスタムコードとデータコードが続くので、同様に波形の極性が変化する時刻を配列に記録して置き、図 ４のように変化点の一つ置き（信号の立ち上がりから立ち上がり）に１ビットが対応するので、この長さを測り、"1"と"0"の判別を行う。８ビット毎に、 上位ビット、下位ビットの配列の逆転を行って、検出したコードをUSB経由のシリアル転送でPCのモニタ画面に表示する。また、データコードとデータコー ド（反転）を加算し255であることを確認して、読み取りエラーのチェックとする。
　図８のマクロ・フローチャートの中で、リアルタイム処理が必要なのは、time[0]〜time[2]読み込み、リーダコード判定とそれに続くtime[2]〜time[66]読み込みである。
　時間的に一番厳しそうなのが、time[2]からtime[3]の間に、リーダーコード判定とtime[3]読み込みを行う部分であるが、560μsあるので処理可能と判断した。


                                  　　　　　　　図８．マクロ・フローチャート



program2
program3

                                                 図９．詳細プログラム・リスト


（７）実験結果

　リモコンの「1」ボタンを押した時のArduino IDEのシリアル通信モニタ画面を図10に示す。図7のオシロスコープ波形から目視で判断した カスタムコード（DF00)h、データコード (00)h、データコード反転 (FF)h と、実験のソフトウェア・デコードの結果が同一になっており、プログラムの妥当性を証明できた。
　また、実験により、リモコンのボタンとデータコードの対応を確認したので、表１にその結果を掲げる。


　図10．Arduino IDE シリアル通信モニタ画面（リモコン「1」押印時）

表１．リモコン・ボタンとデータコードの対応
　　ボタン　　
 データコード（HEX）
データコード (DEC)
1
 00
0
2
 01
1
3
 02
2
4
 04
4
5
 05
5
6
 06
6
7
 08
8
8
 09
9
9
 0A
10
0
 0D
13
＊
 0C
12
＃
 0E
14
↑
 11
17
←
 14
20
→
 16
22
↓
 19
25
OK
 15
21


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