Читаем кнопки любого ИК-пульта

В ящике с батарейками у меня валяются пять ИК-пультов: от музыкального центра, которого нет уже года три, от китайской люстры, от кондиционера в старой квартире. Все они рабочие, батарейки живые, а нажимать их не на что. Когда я первый раз подключил к Arduino ИК-приёмник и увидел, как в мониторе порта от каждой кнопки появляется число, у меня было ощущение взлома: дешёвая плата читает язык, на котором техника разговаривает десятилетиями.

Только вот путь к этому числу не самый очевидный. Пульт шлёт невидимый свет — глаз его не воспринимает вообще. Камера телефона видит хотя бы факт вспышки: наведите старый пульт на объектив и понажимайте кнопки, на экране будет фиолетово-белая пульсирующая точка. Но камера не скажет, какая именно кнопка нажата, а для Arduino нужен номер команды: «влево» — одно число, «ок» — другое.

В этом уроке соберём читалку кодов: приёмник TSOP4838, библиотека IRremote, четыре строки логики. Сначала поймём, как пульт физически разговаривает с приёмником, потом подключим его к Uno и вытащим таблицу команд из любого пульта, который найдётся дома. В симуляторе есть виртуальный пульт — коды в него зашиты такие же, как у типового пульта из набора Arduino, так что таблица получится настоящая.

ИК-пульт — это фонарик, который светит светом с длиной волны около 940 нанометров: глаз такое не видит, а фотоприёмник — отлично. Но просто гореть, пока кнопка нажата, пульт не может: солнце и лампы тоже светят в инфракрасном диапазоне, и приёмник путался бы в помехах. Поэтому пульт мигает своим светодиодом с частотой 38 кГц — тридцать восемь тысяч раз в секунду, — а уже этими пачками света кодирует биты.

Число, которое стоит запомнить с оговоркой: 38 кГц — самое типичное значение несущей, но встречаются пульты на 36 и на 40 кГц. Приёмник TSOP4838 настроен на 38 кГц и прощает соседние частоты — с пультом на 36 кГц он обычно тоже работает, просто хуже держит дальность. Внутри TSOP стоит полосовой фильтр: он вырезает всё, что не пульсирует около 38 кГц, поэтому солнцу и лампам пробиться на выход не даётся.

Сам приёмник — трёхногая деталь размером с ноготь: питание 5 вольт (допустимо от 2.5 до 5.5), земля и выход сигнала. Выход — открытый коллектор: деталь не умеет выдавать высокое напряжение сама, она только прижимает линию к нулю, когда поймала вспышку, и отпускает, когда нет. Значит, линию надо подтянуть к питанию — проще всего включить на пине режим INPUT_PULLUP и взять внутреннюю подтяжку Arduino. Готовые модули на платке, например KY-022, уже содержат резистор подтяжки — с ними подключение вообще в три провода. Если смотреть на выпуклую сторону TSOP4838 с ножками вниз, слева направо будут OUT, GND и плюс питания, но у китайских клонов порядок случается другой: я однажды целый вечер тыкал перепутанные GND и VCC, и приёмник честно молчал.

Три вызова здесь — сердце любой работы с IRremote. IrReceiver.begin() стартует приёмник и цепляет прерывание на пин: дальше библиотека сама ловит каждое изменение линии и меряет его длительность, пока скетч занят своими делами. decode() возвращает true, если в буфере лежит полностью разобранная посылка, а после обработки resume() говорит: буфер свободен, шлите следующую. Забытый resume() — самая частая ошибка новичка: скетч компилируется, первую кнопку показывает, а дальше молчит, и кажется, что сломался пульт.

Само число — decodedIRData.command — это команда кнопки, один байт от 0 до 255. Рядом живёт decodedIRData.address — адрес пульта: производители зашивают его, чтобы пульт от телевизора не переключал каналы ресиверу. Для нас это готовый фильтр: если в комнате два пульта, по адресу можно игнорировать чужой. А getProtocolString() напечатает название протокола — у дешёвых пультов это почти всегда NEC.

Мнение, проверенное на нескольких макетках: сажайте приёмник на пин 2, если схема позволяет. На Uno это один из двух пинов с аппаратным прерыванием, и когда через пару проектов вы добавите отправку ИК или серво, свободное прерывание пригодится. Старые туториалы сажали приёмник на пин 11 — в старых версиях библиотеки для этого была причина, конфликт с таймером, но при приёме в IRremote 4.x этот пин ничем не лучше остальных.

Сначала я решил, что библиотека — это читерство, а настоящий инженер напишет декодер сам. Логика казалась прозрачной: pulseIn() меряет длительность импульсов, я сравниваю интервалы с порогом, собираю биты в байты. На деле пачка NEC начинается с 9-миллисекундной вспышки несущей, дальше идут биты, где логическая единица — 560 микросекунд света и 1.69 миллисекунды темноты, а ноль — те же 560 микросекунд света и 560 микросекунд темноты. И вот тут ловушка: TSOP на выходе отдаёт не честные импульсы, а перевёрнутые пачки, да ещё и с мусором между ними. pulseIn() то и дело ловил ложный фронт, тайминги плавали на десятки микросекунд, и к третьему вечеру у меня была тетрадь с таблицей интервалов и ноль работающего кода.

Протрезвел я, когда открыл исходники IRremote: там прерывание ловит каждое изменение пина, а длительности считает аппаратный таймер — точнее и стабильнее, чем любой опрос из loop(). Два вечера я изобретал то, что библиотечные авторы отлаживали годами. С тех пор у меня правило: сначала открываю примеры готовой библиотеки и читаю их до конца, и только если библиотеки нет — пишу свой декодер.

Самый частый протокол дешёвых пультов — NEC. Каждая посылка несёт ровно 32 бита: 8 бит адреса, 8 бит инверсии адреса, 8 бит команды и 8 бит инверсии команды. Инверсия — встроенная проверка целостности: у команды 0x43 инверсия 0xBC, и если приёмник принял пару, где они не дополняют друг друга, посылка битая и выбрасывается. За счёт этого случайная помеха почти никогда не превращается в ложную команду — очень экономная защита, два лишних байта вместо контрольной суммы.

Второй хитрый механизм NEC — повтор. Если кнопку держат, пульт не пересылает все 32 бита заново, а шлёт короткий кадр-повтор каждые 108–110 миллисекунд. Для читалки это значит: одно удержание напечатает в мониторе десяток строк. Как отличить первый кадр от повтора и зачем это нужно при управлении светом — тема следующего урока, а пока наша задача скромнее: собрать таблицу.

Таблицу кодов веду прямо в шапке скетча, комментарием: код всегда с собой, в отличие от блокнота. Вот она для типового пульта из наборов Arduino — того самого, с кнопками PLAY и VOL.

Теперь у вас есть рентген для любого пульта в доме: три провода, одна библиотека и таблица, которую вы собрали сами. В следующем уроке превратим числа в действия: повесим на кнопки включение света, научимся отличать нажатие от удержания по флагу повтора и сделаем плавную регулировку яркости PWM — тот случай, когда автоповтор NEC из помехи превращается в фичу.