Прямое подключение ультразвукового датчика LEGO Mindstorms NXT к Raspberry Pi

Аннотация

Подключите ультразвуковой датчик LEGO Mindstorms NXT напрямую к Raspberry Pi. Решение использует буфер I²C TCA9517 и дополнительный GPIO для SCL, а также лаконичный фрагмент C++ для чтения расстояния.

Введение

Пока Raspberry Pi славится обширным сообществом и документацией, набор LEGO Mindstorms остается платформой №1 для быстрого прототипирования роботов. Серия NXT содержит микроконтроллер на базе ARM, достаточный для базовой робототехники, но не справляется с продвинутыми задачами вроде компьютерного зрения. Новая серия EV3 предлагает более мощный Linux-«мозг», но всё равно борется с высокоразрешательной обработкой изображений на приемлемой скорости.

Интеграция вычислительной мощи Pi с гибким железом LEGO обещает мощные гибридные системы. Существующие мосты вроде BrickPi работают, но ограничены старыми I²C-датчиками, зависят от промежуточных микроконтроллеров и плохо справляются с двигателями. В статье показан чистый способ подключить ультразвуковой датчик NXT напрямую к Pi без микроконтроллера.

Проблемы

Первая препятствие — железо: простой сдвигатель уровня на двух n-FET не смог решить несоответствие между 5-вольтовой логикой датчика и 3,3-вольтовой шиной I²C Pi. По даташиту датчик имеет слабые подтягивающие резисторы 82 кОм и сильные последовательные 4,7 кОм, мешающие подтяжкам Pi (1,8 кОм) опускать линию в ноль. Следовательно, датчик никогда не подтверждал адрес Pi.

Для решения использовался двунаправленный буфер I²C TCA9517. Он обеспечивает корректный сдвиг уровня и устраняет проблему последовательного сопротивления.

Вторая, прошивка: требовался дополнительный тактовый цикл между записью регистра датчика и чтением данных. Стандартный Linux-драйвер I²C не может вставить этот цикл, поэтому дополнительный GPIO переключается на линии SCL для удовлетворения тайминга датчика.

Железо

Прототип требует:

• Ультразвуковой датчик LEGO Mindstorms NXT
• Кабель Mindstorms (перерезанный или с гнездом)
• TCA9517 и переходник SO-8 → DIP-8 (или собственная плата)
• Raspberry Pi (любая модель; использовался Pi A)
• Макетная плата, перемычки, паяльная станция

Минимальная плата расширения подает 9 В управления, 5 В питания и сигналы I²C без опционального переключения 9 В и последовательных резисторов, упрощая подключение. О распиновке см. LEGO HDK.