PPM-IR Konverter
Da die Antriebsmotoren für die Shrediquette NQ z.B. aus Silverlit TandemZ Hubschraubern stammen, haben wir als Nebenprodukt einen passenden Akku und einen Infrarot-Empfänger an der Hand, der sich für die Steuerung des sNQ im Wohnzimmer verwenden lassen müsste.
Hierbei ist zu beachten, dass diese IR-Empfänger nicht einfach Infrarotlicht detektieren und ein entsprechendes Digitalsignal ausgeben, sondern eine umfangreiche Filterschaltung enthalten, die alle Signale unterdrückt, die nicht die passende Frequenz haben und die auch sonst noch einige einzuhaltende Randbedingungen impliziert. Dazu später ausführlichere Infos.
Auf dem IR-Empfänger ist leider kein Aufdruck zu erkennen, aber man kann das Signal des Senders mit dem Oszilloskop anschauen und ausmessen. Meine IR-Empfänger werden vom zugehörigen Sender mit 38,5 kHz Signalen beaufschlagt, ich vermute also, einen TSOP1738 oder etwas ähnliches vorliegen zu haben.
Nachtrag
Es stellte sich heraus, dass die Funktion des Silverlit IR-Detektors der eines TSOP1738 ausgesprochen ähnlich um nicht zu sagen identisch dazu ist, nur die Anschlussbelegung ist abweichend, was mich einen IR-Detektor gekostet hat. Zum Glück braucht man zur Befriedigung des Motorbudgets des sNQ zwei TandemZ, in Folge konnte ich auf dessen
IR-Detektor zurück greifen :-)
Der Einfachheit halber bleibe ich im Weiteren bei der Bezeichnung TSOP für den “fast kompatiblen” IR-Empfangsbaustein aus dem Silverlit Hubschrauber.
Um diesen Empfänger verwenden zu können, muss also das vom Fernsteuersender generierte PPM-Signal, typischer Weise über die Lehrer-Schüler-Buchse am Sender zu erreichen, in 38 kHz-Bursts verpackt werden, damit der IR-Empfänger die PPM-Signale als “gute” Signale anerkennt.
In Kurzform sieht das ungefähr so aus:
Am Einfachsten erscheint mir die Modulation, also die Verpackung der Impulse in 38 kHz-Bursts, mit einem AtTiny durchführbar zu sein. Auf diese Weise haben wir auch die Möglichkeit, noch Änderungen einprogrammieren zu können, wenn Probleme bei den Tests auftreten.
Der Testaufbau in einer sehr frühen Phase:
Links am Bildrand ein unbenutzter I²C-PPM-Konverter mit AtMega8, der als Testvehikel zur Programmentwicklung dient, solange die Zielhardware noch nicht fertig ist.
In der Mitte der geschlachtete Silverlit-Sender, dessen IR-Dioden später außen am Graupner-Sender angebracht werden.
Der ausgeschlachtete PicooZ Helicopter direkt neben der Tastatur dient als Testempfänger.
Nach erfolgreichen Tests habe ich eine passende Schaltung entworfen, die am Eingang das Digitalsignal des Senders akzeptiert und am Ausgang die Ansteuerung des in der Original
-TandemZ-Steuerung enthaltenen IR-LED-Clusters erlaubt.
Auf der Platine ist zusätzlich ein 5 V-Stabilisator enthalten, der AtTiny erhält seine
Versorgungsspannung auf diese Weise aus dem Fernsteuersender. Die LEDs werden direkt mit der Spannung des Senders betrieben, wie das auch im Original-Sender des TandemZ
der Fall ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Spannungen der beiden Sender übereinstimmen. Der TandemZ-Sender arbeitet mit 8 AA-Zellen (Akkus oder Batterien).
Das Schaltbild ist sehr übersichtlich, der Tiny wird mit dem internen 8 MHz-Takt betrieben.
Click auf das Bild für volle Auflösung.
Achtung! Schaltbild nicht aktuell, nicht verwenden! Korrektur siehe unten.
Das Layout berücksichtigt die Möglichkeit, die Platine in die Lücken zwischen den Auslegern der Shrediquette NQ zu platzieren. Auf diese Weise fallen bis zu vier der PPM -IR-Konverter quasi kostenfrei mit ab, da bei den mir bekannten Leiterplattenherstellern immer das die - wie auch immer geformte - Leiterplatte umschließende Rechteck bezahlt werden muss.
Die Bestellung z.B. bei MME erfolgt auf diese Weise:
Die einzelne Platine mit Eagle3D gerendert sieht so aus:
Der bedrahtete Widerstand, die beiden Dioden und der Schalttransistor stammen genauso wie die hier nicht gezeigten LEDs aus dem original Sender des TandemZ von Silverlit. Der Anschluss der LEDs erfolgt über den rechten 2-poligen Stecker, kann natürlich auch ohne Stecker angelötet werden.
Am linken Rand der Platine ist das Programmierinterface für den AtTiny platziert. Auch hier habe ich die Pads in der passenden Reihenfolge und im Abstand so angeordnet, dass der Programmieradapter für Williams I²C-PWM-Konverter verwendet werden kann.
Errata
Es stellte sich heraus, dass einige Bauteile überflüssig bzw. sogar schädlich für die Funktion
der Schaltung sind. R1, R2, C5 und T2 müssen entfallen und durch Drahtbrücken ersetzt werden.
Außerdem hat sich herausgestellt, dass ich ein falsches Layoutsymbol für den AtTiny45
verwendet habe. INT0 wird nicht, wie gezeigt, über Pin 6 in den Chip geführt, sondern über Pin 7. Diese Änderungen sind beim Nachbau unbedingt zu berücksichtigen.
Bei nächster Gelegenheit werde ich eine aktualisierte Schaltung online stellen.
Bei der Inbetriebnahme des PPM-IR-Konverters stellte sich heraus, dass das Empfängerausgangssignal am TSOP direkt nach dem Einschalten des Senders kurz erzeugt wird, dann aber sang- und klanglos in sich zusammen fällt. Nach intensiver Untersuchung des Phänomens fand ich heraus, dass das typische PPM-Signal einer Modell-Fernsteuerung nicht das korrekte Timing für den TSOP ergibt.
PPM bedeutet ja, dass für z.B. 8 Kanäle 9 Impulse erzeugt werden. Der Abstand der Impulse (Mittelstellung entspricht 1,5 ms Abstand, Minimum ist 1 ms, Maximum 2 ms) bestimmt sich jeweils aus der Knüppelposition am Sender. Sind alle Kanäle übertragen, kommt eine längere Pause (ca. 10 ms), die dem Empfänger die Gelegenheit gibt, sich auf den (erneuten) Beginn der Sequenz einzustellen. Jeder der Kanalimpulse ist bei meiner Graupner MC-15 ca. 260 µs lang.
Um ein dem TSOP genehmes Signal zu erzeugen, muss jeder der 260 µs langen Kanalimpulse in einen 38 kHz-Burst entsprechender Länge umgewandelt werden. Da die Periode eines 38 kHz-Signal ca. 26 µs entspricht, müssen also 10 Perioden je Kanalimpuls erzeugt werden. Das ist per Programm im AtTiny gut zu realisieren. Allerdings muss für den TSOP laut Datenblatt noch eine andere Bedingung eingehalten werden, nämlich das Signal-Pausen-Verhältnis. Nach einer bestimmten Dauer 38 kHz-Signale benötigt der TSOP eine Pause in entsprechender Länge. Einzelheiten dazu möge der geneigte Leser bitte dem Datenblatt eines TSOP1738 entnehmen.
Für unseren Einsatzfall musste der Abstand zwischen der Übertragung der benötigten Kanäle 1 bis 5 und der darauf folgenden Wiederholung vergrößert werden um die Erholzeitbedingung für den TSOP zu erfüllen.
Der Versuch, nur 5 Kanäle zu übertragen und die Kanäle 6 bis 8 zu unterdrücken um die benötigte längere Pause im Impulsstrom zu erhalten, schlug fehl, das Ausgangssignal des
TSOP war damit zwar etwas länger vorhanden, aber nicht stabil und fiel auch hier nach kurzer Zeit wieder in sich zusammen. Die längere Standzeit zeigte aber, dass ich auf dem richtigen Weg war.
Als ich das Programm im AtTiny so änderte, dass nur jeder zweite Kanalsatz übertragen wird, fühlte sich der TSOP wohl und das Ausgangssignal stand stabil zur Verfügung. Die
sich dadurch ergebende Latenz zwischen Bewegung am Knüppel und Reaktion im Empfänger (statt alle 20 ms bekommt der Empfänger jetzt nur alle 40 ms neue Sollwerte) erwies sich im Nachhinein als akzeptabel und unproblematisch.
Da die Sende-LEDs für eine große Reichweite (wir reden hier über 6 - 8 m) mit relativ hohen Strömen betrieben werden müssen, habe ich die Erzeugung der Bursts so ausgelegt, dass das Tastverhältnis etwa 1/3 EIN zu 2/3 AUS ergibt.
Die Entscheidung, die Erzeugung des Konverterausgangssignals mittels Microcontroller zu realisieren, hat sich also ausgezahlt.
Die Firmware für den PPM-IR-Konverter ist in BASCOM realisiert und kann hier geladen werden.
Im ZIP-Archiv sind die Quellen und eine kompilierte Version enthalten.
Die Firmware ist für beide Schaltungsvarianten identisch.
Da einige Bauteile gegenüber dem ersten Ansatz weg fallen, kann die Form der Platine “normalisiert” werden und passt dennoch in die Lücken der Quadrocopter-Platine - auch wenn die alte Form was hatte ;-)
Click auf das Bild für größere Darstellung
Das zugehörige Schaltbild:
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Mit Eagle3D gerendert ergibt sich folgende Darstellung:
Diese Schaltung wurde nicht von mir verifiziert, die Änderungen gegenüber der Originalschaltung sind aber übersichtlich und die Chancen stehen gut, dass sich keine Probleme eingeschlichen haben :-)
Die zugehörigen IR-Empfänger sehen einsatzfähig so aus:
Links die Version für den sNQ V2, passend verdrahtet für den Steckplatz hinten in der Mitte. Hier stört der hoch stehende Sensor nicht. Die erste Version für den sNQ V1 benötigt einen abgeknickten Sockel, damit der Sensor nicht den Propellern ins Gehege kommt. Die Pinbelegung wurde beim zweiten Versuch passend geändert, so dass die Verdrahtung etwas gefälliger wirkt.
Insgesamt eine sehr übersichtliche Lösung, finde ich :-)
Im Einsatz ergibt sich folgendes Bild:
Diese Variante der Steuerung ist nur für den Einsatz im Wohnzimmer geeignet. Tests in einer Turnhalle verliefen negativ, es fehlen die Reflexionen an den Wänden und der Decke. Ein Einsatz im Freien schließt sich nach dieser Erkenntnis fast von selbst aus.
Um im Freien eingesetzt werden zu können, muss also eine Funk basierte Lösung gefunden werden.
In Frage kommen der Coral-D von MicroInvent und der Rx31 von Deltang.
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