Lego Mindstorms NXT超音波センサーをRaspberry Piに直接接続する

概要

Lego Mindstorms NXT超音波センサーをRaspberry Piに直接接続します。TCA9517 I²CバッファとSCL用の追加GPIOを使用し、距離を読み取る簡潔なC++スニペットで実現します。

はじめに

Raspberry Piは豊富なコミュニティとドキュメントで知られますが、Lego Mindstormsキットはラピッドロボットプロトタイピングの定番プラットフォームです。NXTシリーズはARMベースのマイコンを搭載し基本的なロボティクスには十分ですが、コンピュータビジョンなど高度なタスクには不向きです。新しいEV3シリーズはより強力なLinuxベースのブレインを持ちますが、高解像度画像処理を実用的な速度で行うにはまだ課題があります。

Piの演算能力とLegoの柔軟なハードウェアを統合すれば、強力なハイブリッドシステムが実現できます。BrickPiのような既存ブリッジもありますが、古いI²Cセンサーのみ対応、中間マイコンが必要、電流駆動モーターで苦戦するといった制限があります。本記事では、NXT超音波センサーをマイコンなしで直接Piに接続するクリーンな方法を紹介します。

課題

最初の障壁はハードウェアでした。センサーの5VロジックとPiの3.3V I²Cバスのミスマッチを、2つのn-FETを使ったシンプルなレベルシフターでは解決できませんでした。センサーのデータシートによると、弱い82kΩプルアップと強い4.7kΩシリーズ抵抗があり、Piの1.8kΩプルアップではラインをローに引き下げられません。結果としてセンサーはPiをACKしませんでした。

これを克服するため、双方向I²CバッファのTCA9517を採用。適切なレベルシフトとシリーズ抵抗問題の解決を同時に実現します。

2つ目のファームウェアレベルの課題は、センサーのレジスタ書き込みとデータ読み取りの間に追加のクロックサイクルが必要なことです。標準のLinux I²Cドライバではこのサイクルを挿入できないため、SCLラインで追加のGPIOをトグルさせてセンサーのタイミング要件を満たしました。

ハードウェア

プロトタイプに必要なもの：

Lego Mindstorms NXT超音波センサー
Mindstormsケーブル（切断済みまたはソケット付き）
TCA9517とSO-8→DIP-8アダプタ（またはカスタムブレークアウト）
Raspberry Pi（任意のモデル。Pi Aを使用）
ブレッドボード、ジャンパーワイヤー、はんだ付けキット

最小限のブレークアウトボードで、9V制御、5V電源、I²C信号を供給し、オプションの9Vスイッチングやシリーズ抵抗を省いて接続を簡素化しています。ピンアウト詳細はLego HDKを参照してください。

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