말하는 로봇 만들기 - 리모컨 제어 응용예

목표
저렴한 비용으로 로봇이 말하고 노래하게 만들기위한 방법 소개

방법 소개
이미 MP3Play 보드나 칩이 시장에 많이 나와있습니다...  다만, 값이 비싸다는 문제가 있습니다. 직접 제작하거나 제작KIT를 사용하면 비용이 5~10만원이 넘어갑니다.  때문에 시중에 판매되고 있는 MP3Player의 개조하여 사용하는것을 고려해봤지만, 막상 개조하려해도 쉽지가 않습니다.

그러던 중 리모컨으로 제어되는 제품을 리모컨 신호를 송출하는 깔끔한 방법으로 제어한다는 아이디어가 떠올랐는데요,  이방법은 MP3Player 뿐만이 아니라, TV,에어콘 등등의 가전기기도 덤으로 제어하여 이용할 수 있는 가능성이 있으므로 여러모로 활용성이 좋은 아이디어인것 같아 소개드립니다.

여러분이 이미 로봇 제어기(MCU)를 갖고 계시다면, 필요한건 IRED 1개와 TR 1개, 저항 1~2개 뿐이고,  디지탈 출력핀 1개와 약간의 프로그램이 추가되면 됩니다.  여기선 이와 관련된 기본 이론 소개와 관련 자료를 첨부하도록 하겠습니다.

사진. MP3Player+Speaker 기기 분해 사진

스피커와 배터리까지 포함되어 있는데 가격은 배송비 포함하여 2만원이 안됩니다.

여기선 말하는 로봇 대신 음악재생을 제어하는 동영상을 보여드리겠습니다.

동영상. 제어신호 송출로 재생/중지 제어 하는 예


리모컨 프로토콜

기계들이 의사소통을 하기위한 약속된 규칙을 프로토콜이라고 하는데요, 리모컨(리모트컨트롤러)과 수신기는 서로 동일한 프로토콜을 사용하여야 합니다. 하지만 각 제조사 및 기기별로 다양한 프로토콜을 사용하므로 호환성에 문제가 많은게 현실입니다. 하지만, 최근에 사용되는 많은 전자기기들이 NEC 코드를 사용하는 것으로 알고 있습니다. 때문에 일단 NEC코드를 기준으로 소개시켜 드리겠습니다.


NEC 코드 전송 규약

아래의 자료는 실제 리모컨에 사용되고 있는 IR신호 송출칩 DataSheet에 기록된 다이어그램입니다.  (첨부파일 참조)

그림. 전송규약 파형 안내도

캐리어 신호
 우선 리모컨 신호의 캐리어 주파수인 38KHz 주기의 방형파를 생성해야합니다. (위 그림 하단부 참조)  이는 타이머/카운터를 이용하여 만들 수 있습니다. Duty는 약 1/3정도를 권장하고 있습니다만, 손쉽게 하려면 50%로도 가능합니다.

캐리어 신호를 On Off한다.
위에서 만든 캐리어 주파수 파형을 약속된 시간만큼 On Off 하는것으로 리모컨 신호를 송출할 수 있습니다.
이 출력값은 그대로 출력비트에 연결된 IRED 구동회로에 전달되어 적외선의 On Off 상태로 전환되어 송출됩니다.

전송규약에 맞쳐 On Off
이제 약속된 파형을 송출합니다. 송출신호는 크게 3가지로 부분으로 나눌 수 있습니다.


1.시작코드

9ms의 High, 4.5ms의 Low 신호로 코드의 시작을 알립니다. 위 그림(1)부분 참조

2.데이타 코드열

시작신호 이후부터 bit data 1은 2.25ms 폭의 신호로  bit 0은 1.125ms 폭의 신호로 송출됩니다. 위 그림(2)부분 참조
보통 16 data bits를 순서대로 보낸 후, 비트 반전한 정보를 다시한번 송출하는 것으로 마무리됩니다.
비트 반전후 전송하는 과정에 의해 오차도 줄일수 있고, bit data의 1과 0의수와 관계없이 항상 동일한 폭이 됩니다.

3.반복코드

만약 숫자 3 버튼을 누른상태를 유지한다면 리모컨은 숫자 3에 해당하는 코드를 송출한 뒤 그 다음 부터는 "반복코드"를 송출하게됩니다. 이러한 방법을 사용하는것은 3을 1회 누른것과 2회 누른것을 구분하기 위함인듯 합니다.
반복코드는 위 그림(3) 부분같은 형태입니다. 

캐리어주파수(38KHz)를 사용하는 이유는 노이즈 제거를 위한것입니다.  IR수신회로에는 저주파 차단회로가 들어있어서 특정 주파수(가령 38KHz)이하의 성분을 제거해버립니다. 이로인해 형광등이나 기타 주변광에 의한 오차발생 소지를 줄일 수 있습니다.



IRED(적외선LED) 드라이브 회로

우선, IR수신회로에서 사용하는 수광소자의 주파수를 확인하여 송출용 IRED의 주파수를 결정합니다. 보통 8xx ~9xx nm 파장의 IRED가 사용됩니다. 제경우 940nm IRED(Wii전자펜제작용)와 940nm용 IR수신기가 있습니다.  수신기에서 사용하는 주파수를 잘 모르더라도 가까운 거리에서 사용할 경우 큰 문제가 되지 않으므로 주변에서 구할 수있는 IRED를 우선 사용해보시기 바랍니다.  또 하나 확인할 것은 구동 전압입니다. 일반 LED(2V)와 달리 IRED는 보통 1.4V 정도에서 작동합니다.
가장 단순한 구동법으로 디지탈 출력핀에 직결하는 방법도 있습니다만, 10미터 정도의 거리에서도 작동되는 고출력 리모컨을 원한다면 트랜지스터 한개로 구동하는것을 추천드립니다. 가령, 아래의 회로는 실제 리모컨에 사용되는 회로의 예입니다. (첨부문서참조) 짧은 순간에 고주파로 송신하게 되므로 실제의 정격전압보다는 다소 높은 전압을 사용할 수 있습니다.  아래의 경우는 건전지로 3V정도의 전압을 사용하는 경우입니다.

그림. 리모콘 송출용 IRED 구동회로 예

리모컨 기기 코드 분석하기

리모컨 신호의 코드를 분석해주는 전용 기기도 있지만, 오실로스코프를 이용하면 직접 코드 프로토콜의 종류와 코드값을 알아낼 수 있습니다.  제가 참고한 NEC코드의 경우 코드 송출시 2바이트의 정보가 송신됩니다.  1바이트는 장치번호이고 나머지 1바이트가 명령 코드입니다. 따라서 총 16비트입니다만 위에서 언급했듯이 반전비트를 전송하므로 총 32비트 정보가 송출되게 됩니다.  코드 분석을 위해선 IR신호 수신기가 필요한데요, 전용의 리모컨 IR수신 모듈이나 IR 포토트랜지스터가 있으면 됩니다.  IR수신 모듈 사용법은 첨부된 자료를 보시면 나옵니다.  전원 핀 2개에 5V, GND 입력을 하면 나머지 핀에서 아래 사진과 같은 신호가(전압변화) 출력됩니다.

리모컨 송신 신호 파형 실제 예

아래의 사진은 제가 갖고있는 리모컨들의 파형을 오실로스코프로 캡쳐한 것입니다. 왼편 두개는 좀 오래된 VTR과 CDP용 리모컨이고, 우측 두개는 비교적 최신의 전자제품용으로 LCD모니터 및 MP3Player용 리모컨입니다. 보시는 바와 같이 왼쪽과 오른쪽이 시작파형이 다릅니다. 오른쪽의 두 리모컨이 최근 많이 사용되고있는 NEC 코드 파형입니다. 전송규약을 잘 이해한 후엔 어떤 리모컨용 수신기도 만들수 있게됩니다. 반대로 어떤 리모컨수신 기기도 제어할 수 있게됩니다.  본 파형을 잘 보고 2바이트 값을 알아내야 합니다. 그중 1바이트는 항상 같을 겁니다. 즉, 기기번호입니다.  가령 제가 갖고 있는 MP3P의경우 0x02 의 기기번호를 갖고 있습니다. 그리고 나머지 한 바이트가 명령 코드입니다.  가령 Play/Pause버튼의 경우 0x06 입니다. 이 값을 잘 정리해둔 뒤 리모컨 송출 코드로 발송하면 기기는 명령을 받은대로 작동하게 됩니다.  전용 리모컨 대신 직접 만들어낸 송출 신호에 의해 기기가 작동하게되면,,, 기분, 좋습니다. ^^

오실로스코프

안타깝게도 여러분이 오실로스코프가 없다면, 리모컨 코드를 알아내기가 좀 어려울 겁니다. 하지만 불가능한건 아니고, 보유하고계신 MCU로 샘플링하여 계산해 낼 수 는 있습니다.  하지만 본격적인 전자회로 공부를 하시려한다면 오실로스코프 구입을강력 추천합니다. 저도 구입하고 싶다는 생각만 갖고 몇년을 보냈는데, 막상 구입하고나서 너무도 유용하게 사용하고 있습니다.  사양에 욕심을 내자니 가격이 너무 높고,  저렴한 중고를 사려해도  구형 허큘리스 모니터 같이 생긴 녀석에게 신뢰가 가질 않았습니다.  그래서 제가 선택한것이 USB형 오실로스코프입니다. 40MHz 급의 새제품을 20~40만원 선에 구할 수 있습니다.  참고하세요~   



끝으로
초보분들에겐 부족한 내용일듯합니다. 하지만 아이디어와 힌트를 드렸으니 조금만 자료조사하고 노력하시면 좋은 결과물을 얻으실 수 있을겁니다.  재밌는 로봇 많이 만드시고,,, 더불어 제게도 알려주시면 감사하겠습니다.

참고자료

리모컨ic-SC6121.pdf

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IR수광모듈예.pdf

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내용추가
2011.July.26 
아래의 관련글 링크에 리모콘 신호 송수신 회로와  PC에서 키보드 입력으로 로봇을 제어하는 소스 예제를 포함한 글을 새로 등록하였습니다. 참고하세요

 

관련글 링크

 .IR무선 리모콘 송수신 회로로 로봇 제어하기