Управляем роботом-пылесосом iRobot Roomba через ИК

Перед новым годом у меня появился полезный питомец — iRobot Roomba 630. Это самая простоя модель Roomba без функций планировщика. В общем-то мне эти функции не нужны, больше хотелось управлять роботом с ПК, тогда бы можно было его запускать удалённо. Для управления робототом фирма iRobot производит ИК-пульт, «Вот оно!» — подумал я и решил попробовать смастерить ИК передатчик для управления Roomb-ой. Всех заинтересовавшихся прошу под кат!

Как это работает

Конечно же первым делом я начал искать в интернете протокол обмена Roomb-ы. Информации не много, но самое детальное описание я нашел на форуме www.robotreviews.com ^[1], в частности интересное сообщение ^[2], вот его сокращенная цитата:

The remote control IR stream consist of 8 bits each 4ms in duration. According to the paper, each bit is started by a 1ms low period. If the value is 0, the pulse stays low for 2 more ms. If the pulse goes high for 2ms if the value is 1. The bit is ended by sending a 1ms high burst.

С указанными интервалами у меня не заработало и я пошёл другим путём: на том же форуме выкладывались коды для irshell для управления с PSP ^[3].

Здесь команды записаны кодами в шестнадцатеричной системе, это так называемый Pronto IR формат. Я нашёл неплохое описание ^[4] (Яндекс.Диск ^[5] — на всякий случай) их запись оказалась довольно простой.

Некоторые иллюстрации из описания формата

Рассмотрим на примере команды Clean, т.к. она для меня была наиболее интересна:
0000 0069 0000 0008 0071 0027 0023 0071 0023 0071 0023 0071 0071 0027 0023 0071 0023 0071 0023 030B

0000 — Говорит нам о том, что это Pronto RAW формат, иллюстрации его записи выше.
0069 — Частота несущей: 69₁₆=105₁₀; f=4,145146 Мгц /105 = 39,477663 кГц.
0000 — Значит стартовой не повторяющейся команды нет.
0008 — Повторяющаяся команда состоит из 8 бит.
Далее уже идет запись повторяющийся команды, в виде количества периодов несущей частоты.
0071 — Первая пачка длительностью 71₁₆ периодов, т.е. примерно 2862 мкс.
0027 — Ничего не передаем 27₁₆ периодов, т.е. примерно 988 мкс.
Далее — по аналогии. Получается, сигнал должен иметь такой вид:

Если первая пачка — это единица, а вторая нуль, то коды команд из сообщения с форума верны:

Изготовление

Конечно можно было купить любой ИК передатчик с подключением по USB и скормить специальной программе выше приведенные Pronto Raw коды и всё! Такая идея мне не пришлась по душе, по началу я хотел, что бы мой ИК передатчик можно было использовать отдельно от ПК, т.е. он должен быть с кнопками и батарейкой, но потом решил пульт с кнопкаи оставить на потом. Я хотел, что бы передатчиком можно было управлять через USB-UART и чтобы он понимал просто текстовые команды, тогда бы его можно было подключать даже к роутеру.

Схема получилась довольно простой:

Компоненты:

• FTDI FT232RL
• Atmel ATtiny2313-20SU в корпусе SOIC20
• Кварц на 7,3728 МГц
• 4 конденсатора 0.1 на мкФ SMD0805
• 2 конденсатора на 20пФ
• 1 танталовый конденсатор на 10 мкФ
• 1 SMD-светодиод (типоразмер 1206) для индикации работы FT232 (не обязательно)
• 1 SMD резистор на 560 Ом для светодиода (опять же по желанию)
• 1 ИК-светодиод, я использовал L-34F3C
• 1 SMD резистор на 100 Ом для ИК светодиода.

Сигнал на ИК диод подается через 5 выводов МК, конечно, правильней было бы управлять транзистором, но я захотел сделать схему как можно проще. При выборе резистора R2 нужно помнить, что максимальный ток для ATtiny2313 составляет 200 мА на все выводы, а на 1 вывод 40 мА.

Информационный светодиод подключен к выводу CBUS3 микросхемы FT232, по умолчанию на него выводится сигнал PWREN#, т.е. светодиод горит, когда FT232 подключена к ПК и инициализировалась. Этому выводу можно назначить и другую функцию, например, RXTXLED# — тогда светодиод будет моргать при передачи данных. Сделать это можно с помощью утилиты FT_PROG ^[6]. Утилит для Linux, которые умеют менять назначение выводов я что-то не нашел.

Т.к. дома я использую ОС Ubuntu, я решил разводить плату в KiCAD (это конечно не Altium Designer, но со своей задачей он справляется), все компоненты я использовал из стандартных библиотек:

Архив с KiCAD проектом: Remote_USB_PCB.zip ^[7]
Плата односторонняя, травил методом ЛУТ-а.
Стоит заметить, что я специально выбрал контроллер в SOIC корпусе, т.к. его проще расположить на плате да и травить/паять тоже проще. А вот расстояние между ножками FT232RL довольно маленькое, поэтому после переноса тонера на плату, перед травлением, нужно очистить расстояние между выводами от остатков бумаги каким-нибудь острым предметом. Я поленился и не сделал этого, в итоге пришлось в некоторых местах подрезать площадки, а то они слились.

Из-за моего желания простоты, изначально плата была без кварца, и выглядела так:

Но, видимо, стабильности внутреннего RC-генератора не хватало и Roomba никак не реагировал на команды, хотя осциллограммы нескольких периодов показывали, что всё нормально. В итоге я примастил кварц на обрезке ненужной платы сверху:

Программирование

Программа написана на C (AVR-GCC), писал в основном в CodeBloks, но разок пришлось отладить в Atmel Studio. На «правильность» и «красивость» код совсем не претендует, т.ч. прошу это учесть и сильно не критиковать (но полезные указания приветствуются).

/*
Управление роботом-пылесосом Irobot Roomba с ПК через USB-UART (FTDI FT232R). Программа для контроллера Atmel ATTINY2313.
FUSE-биты:

Fuse Low Byte:
CKDIV|CKOUT|SUT|SKSEL|
  0  |  1  |10 |0100 | 0x64 Default
  1  |  1  |10 |1100 | 0b11101100=0xEC  для кварца 7.3728 МГц
*/

#define F_CPU 8E6
//#define __AVR_ATtiny2313__

#include <avr/io.h>
//#include <stdio.h>
//#include <stdint.h>
//#include <stdlib.h>
//#include <util/delay.h>
//#include <string.h>
//#include <avr/pgmspace.h>

/*------<Макросы>-----*/
//Частота 39477 Гц
//39500 Гц Переод 25,3 мкС
#define P_GEN {TCNT0=0; PORTB |= 0x1F; while (TCNT0 < 93); PORTB &= ~0x1F; while (TCNT0 < 186);}
#define TX_LFCR tx_uart(0x0A); tx_uart(0x0D);

//Roomba коды:
#define LEFT 			129
#define FORWARD 		130
#define RIGHT 			131
#define SPOT 			132
#define DOCK 			133
#define CLEAN 			136
#define PAUSE 			137
#define POWER 			138
#define FORWARD_LEFT  	139
#define FORWARD_RIGHT 	140

/*------< Глобальные переменные >------*/
volatile unsigned char data;
unsigned char status;

/*----------------<Функции:>----------------*/
void init(void)
{
//Установка делителя частоты на /1:
	//CLKPR = (1<<CLKPCE);
	//CLKPR = (0<<CLKPS0)|(0<<CLKPS1)|(0<<CLKPS2)|(0<<CLKPS3);

//Настройка портов:
	PORTD = 0x0;
	DDRD  = 0x0;
	PORTB = 0x0;
	DDRB  = 0xFF;

//Инициализация UART:
	UCSRA = 0x0;
	UCSRB = (1<<RXEN)|(1<<TXEN)|(0<<UCSZ2);
  	UCSRC = (0<<UMSEL)|(0<<USBS)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);
	//UBRR = Fosc/16/BR - 1
	UBRRH =  0x0;
	UBRRL =  23;  // Скорость UART-а 19200
}

void ir_tx(unsigned char data_ir)
{
/*
RAW Pronto код для комманды Clean:
0000 0069 0000 0008 0071 0027 0023 0071 0023 0071 0023 0071 0071 0027 0023 0071 0023 0071 0023 030B

Кодирование данных:
1:
__________
2862uS    |988uS
          |_____
0:
_____
887uS|  2862uS
     |__________
В конце пауза ~16870 uS
*/

	int cnt,repeat;
//Настраиваем таймеры:
	TCCR0B = (0<<CS12)|(0<<CS11)|(1<<CS10); // Для несущей f/1
	TCCR1B = (0<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10); // Для данных f/64
	for (repeat=0;repeat<10;repeat++)
	{
        for (cnt=0; cnt<8; cnt++)
        {
            TCNT1=0;
            if (data_ir & (0x80 >> cnt))
            {	//Если 1
                while (TCNT1 < 330) P_GEN;
                while (TCNT1 < (330+114)) ;
            }
            else
            {	//Если 0
                while (TCNT1 < 113) P_GEN;
                while (TCNT1 < (330+114)) ;
            }
        }
        TCNT1=0;
        while (TCNT1 < 1950)  ;
    }
}

void tx_uart(unsigned char tx_data)
{
	UDR = tx_data;
	while (!(UCSRA & (1<<UDRE)));
}


void tx_help(void)
{
	int sc;
	const unsigned char help1[] = "Use:C S D P W L R F < >";
	for (sc=0;sc < 23;sc++)
	{
		tx_uart(help1[sc]);
	}
}

/*-----------------<основной цикл программы>-----------------------*/
int main(void)
{
	init();
	for(;;)
	{
		while (!(UCSRA & (1<<RXC)))	; //Ждем данных
		status = UCSRA;
		data   = UDR;
		switch (data)
		{
			case '+': PORTB |= (1<<PB6); 	break;
			case '-': PORTB &= ~(1<<PB6); break;
			case 'c': case 'C': ir_tx(CLEAN); TX_LFCR break;
			case 's': case 'S': ir_tx(SPOT); TX_LFCR break;
			case 'd': case 'D': ir_tx(DOCK); TX_LFCR break;
			case 'p': case 'P': ir_tx(PAUSE); TX_LFCR break;
			case 'w': case 'W': ir_tx(POWER); TX_LFCR break;
			case 'l': case 'L': ir_tx(LEFT); TX_LFCR break;
			case 'r': case 'R': ir_tx(RIGHT); TX_LFCR break;
			case 'f': case 'F': ir_tx(FORWARD); TX_LFCR break;
			case '<': ir_tx(FORWARD_LEFT); TX_LFCR break;
			case '>': ir_tx(FORWARD_RIGHT); TX_LFCR break;
			default: tx_help();  TX_LFCR break;
		}

	}
}

Архив с проектом: Roomba_Remote_USB.zip ^[8] | Отдельно hex-файл ^[9]
Прошивал программатором USBasp с помощью утилиты avrdude.
Для прошивки Fuse-битов нужно запустить с параметрами:

avrdude -p t2313 -c usbasp -U lfuse:w:0xEC:m

Для прошивки hex-файла:

avrdude -p t2313 -c usbasp -U flash:w:./bin/Debug/Roomba_Remote.elf.hex

Для отправки команды нужно набрать соответствующий символ в терминале:

Есть ещё одна недокументированная функция — см. листинг. ;-)
На правильную команду контроллер отвечает переводом строки, на неправильную краткой справкой.

Небольшой ролик с демонстрацией работы:

Сейчас меня не устраивает дальность работы: нужно направлять светодиод точно на Roomb-у, а это не очень удобно. В связи с чем я подумываю заменить резистор R2 на резистор с меньшим номиналом, например 68 Ом, или же поменять ИК светодиод.
Также подумываю об обычном пульте с кнопками, в связи с чем есть опрос ниже.

P.S.
Об орфографических ошибках и ошибках оформления прошу сообщать через ЛС.

Автор: lohmat

Источник ^[11]