ETロボコンにおけるMindstorms NXTのBluetooth通信と活用方法の紹介

1. Bluetooth通信の
仕組みと活用法紹介
2012.Aug.5th Takehiko YOSHIDA
twitter: @chihayafuru
URL: http://www.chihayafuru.jp

2. アジェンダ
通信ハードウェア構成
フロー制御
電文フォーマット

3. NXTブロック ハードウェア仕様
メインプロセッサ: Atmel 32bit ARM processor
256KB FLASH / 64KB RAM / 48MHz
サブプロセッサ: Atmel 8bit AVR processor
4KB FLASH / 512KB RAM / 8MHz
Bluetoothチップ:
CSR BlueCore 4 v2.0 + EDR System
シリアルポートプロファイル(SPP)サポート
内部RAM 47KBytes
外部FLASH 8MBit
26MHz

4. NXT通信 ブロック図
PC NXT
User Program User Program
(Communication Protocol) (nxtOSEK)
仮想 SIO
COM (UART)
Bluetooth
OS USB USB
Interface Driver Driver
Bluetooth
Bluetooth Hardware
Driver Driver
USB (BlueCore)
Bluetooth
Dongle Bluetooth

5. オシロスコープによる信号波形観測

6. 最小のシリアル通信配線
データ送信 データ送信
データ受信 データ受信
グラウンド グラウンド

7. 『フロー制御』
って何？

8. 無手順（フロー制御なし）
くそ、自分のペースで
話しやがって！
ちゃんと メモし損ねたけど
メモしろよ！ 諦めよ…
送信ノード 受信ノード

9. フロー制御あり
話していいぞ！
送信ノード 受信ノード
実は…

10. ハードウェアフロー制御配線
データ送信 データ送信
データ受信 データ受信
送信要求 送信要求
送信可能 送信可能
グラウンド グラウンド

11. NxtLoggerキャプチャ画面
“DSR”って何？

12. DCEを中継した通信
データ端末装置 データ端末装置
(DTE) (DTE)
CTS / RTS
DSR / DTR 公衆通信回線網 DSR / DTR
データ回線終端装置 データ回線終端装置
(DCE) (DCE)

13. シリアル通信 I/O名称
短縮名 方向 英語名 意味
TxD OUT Transmit Exchange Data 送信データ
RxD IN Receive Exchange Data 受信データ
RTS OUT Request To Send 送信要求
CTS IN Clear To Send 送信可
DTR OUT Data Terminal Ready データ端末レディ
DSR IN Data Set Ready データ・セット・レディ

14. NXTハードウェア インターフェース
引用: LEGO Mindstorms NXT Bluetooth Developer Kit

15. 【PC】H/Wフロー制御コード nxtLogger
LogPort.cs
88. // シリアルポート番号設定
89. this.PortName = portName;
90.
91. // ポートのオープン制御
92. this.Open();
初期状態は
93. false(送信禁止)のため、
94. // 受信バッファの破棄 このコードは必須
95. this.DiscardInBuffer();
96.
97. // ハードウェアフロー制御
98. this.DtrEnable = true;
99. this.RtsEnable = true;

16. 【NXT】H/Wフロー制御コード nxtOSEK
bt.c
88. void bt_init(void)
89. {
90. U8 trash;
91. U32 trash2;
92. in_buf_in_ptr = out_buf_ptr = 0;
93. in_buf_idx = 0;
94.
95. *AT91C_PMC_PCER = (1 << AT91C_PERIPHERAL_ID_US1);
96.
97. *AT91C_PIOA_PDR = BT_RX_PIN | BT_TX_PIN |
BT_SCK_PIN | BT_RTS_PIN | BT_CTS_PIN;
98. *AT91C_PIOA_ASR = BT_RX_PIN | BT_TX_PIN |
BT_SCK_PIN | BT_RTS_PIN | BT_CTS_PIN;

17. 電文
フォーマット

18. バイナリダンプ

19. サンプルコード 電文フォーマット
オフセット
+0000 0x20 ヘッダー部
+0001 0x00 （ペイロード長）
+0002 0x3F
+0003 0x10 ペイロード部
途中省略 （データー本体）
+0033 0x72

20. 電文の生成
送信処理

21. 【NXT】電文生成部コード nxtOSEK
ecrobot_interface.c
318. U32 ecrobot_send_bt_packet(U8 *buf, U32 bufLen)
319. {
320. SINT i;
321. if (bt_status == BT_STREAM && bufLen <= BT_MAX_TX_BUF_SIZE-2)
322. {
323. sendBuf[0] = (U8) (bufLen & 0xFF);
324. sendBuf[1] = (U8) ((bufLen >> 8) & 0xFF);
325. for(i = 0; i < bufLen; i++)
326. {
327. sendBuf[i+2] = buf[i];
328. }
329. bt_write(&sendBuf[0], 0, bufLen+2);
330. return bufLen;
331. }
332. return 0; ※ソースコードの一部を省略
333. }

22. リトル
エンディアン
って何？

23. エンディアネスの説明
１０進数： 32
Int型(2byte)１６進数： 0x0020
バイト単位に分割
0x00 0x20
オフセット
+0000 0x20 +0000 0x00
+0001 0x00 +0001 0x20

24. 下位バイトマスク処理
sendBuf[0] = (U8) (bufLen & 0xFF);
16進数表記 2進数表記
bufLen 0x1234 0001 0010 0011 0100
0xFF 0x00FF 0000 0000 1111 1111
sendBuf[0] 0x0034 0000 0000 0011 0100

25. 上位バイトマスク処理
sendBuf[1] = (U8) ((bufLen >> 8) & 0xFF);
16進数表記 2進数表記
bufLen 0x1234 0001 0010 0011 0100
bufLen>>8 0x0012 0000 0000 0001 0010
0xFF 0x00FF 0000 0000 1111 1111
sendBuf[0] 0x0034 0000 0000 0011 0100

26. 上位バイトマスク処理
sendBuf[1] = (U8) ((bufLen >> 8) & 0xFF);
16進数表記 2進数表記
bufLen 0x1234 0001 0010 0011 0100
bufLen>>8 0x0012 0000 0000 0001 0010
0xFF 0x00FF 0000 0000 1111 1111
sendBuf[0] 0x0034 0000 0000 0011 0100

27. 論理シフト(unsigned int)の場合
10進表記 16進数表記 2進数表記
43776 0xAB00 1010 1011 0000 0000
1/256 8ビット右シフト
171 0x00AB 0000 0000 1010 1011

28. 算術シフト(signed int)の場合
10進表記 16進数表記 2進数表記
-21760 0xAB00 1010 1011 0000 0000
1/256 8ビット右シフト
-85 0xFFAB 1111 1111 1010 1011

30. コンテナ部データ構成
オフセット データ オフセット データ オフセット データ オフセット データ
0 8 16 24
ADC2
1 9 17 25
システム時刻 モータ０ モータ２
（ミリ秒） カウンタ カウンタ
2 10 18 26
ADC3
3 11 19 27
4 データ１ 12 20 28
ADC0
5 データ２ 13 21 29
モータ１
I2C
カウンタ
6 14 22 30
バッテリーレ
ADC1
ベル
7 15 23 31

31. 【NXT】コンテナ部生成部コード (nxtOSEK)
ecrobot_interface.c
735. void ecrobot_bt_data_logger(S8 data1, S8 data2)
736. {
737. U8 data_log_buffer[32];
738. *((U32 *)(&data_log_buffer[0])) = (U32)systick_get_ms();
739. *(( S8 *)(&data_log_buffer[4])) = (S8)data1;
740. *(( S8 *)(&data_log_buffer[5])) = (S8)data2;
741. *((U16 *)(&data_log_buffer[6])) = (U16)ecrobot_inputs.battery_state;
742. *((S32 *)(&data_log_buffer[8])) = (S32)nxt_motor_get_count(0);
743. *((S32 *)(&data_log_buffer[12])) = (S32)nxt_motor_get_count(1);
744. *((S32 *)(&data_log_buffer[16])) = (S32)nxt_motor_get_count(2);
745. *((S16 *)(&data_log_buffer[20])) = (S16)sensor_adc(0);
746. *((S16 *)(&data_log_buffer[22])) = (S16)sensor_adc(1);
747. *((S16 *)(&data_log_buffer[24])) = (S16)sensor_adc(2);
748. *((S16 *)(&data_log_buffer[26])) = (S16)sensor_adc(3);
749. *((S32 *)(&data_log_buffer[28])) = (S32)getDistance();
750.
751. ecrobot_send_bt_packet(data_log_buffer, 32);
752. }
『リトル・エンディアン』前提の移植性の低いコード

32. 電文の解析
受信処理

33. 【PC】コンテナ部解析部コード (nxtLogger)
LogMessage.cs
248.// パケットをフィールドに変換
249.this.sysTick = BitConverter.ToUInt32(packetPayload, 0);
250.this.dataLeft = (SByte)packetPayload[4];
251.this.dataRight = (SByte)packetPayload[5];
252.this.batt = BitConverter.ToUInt16(packetPayload, 6);
253.this.motorCnt0 = BitConverter.ToInt32(packetPayload, 8);
254.this.motorCnt1 = BitConverter.ToInt32(packetPayload, 12);
255.this.motorCnt2 = BitConverter.ToInt32(packetPayload, 16);
256.this.sensorAdc0 = BitConverter.ToInt16(packetPayload, 20);
257.this.sensorAdc1 = BitConverter.ToInt16(packetPayload, 22);
258.this.sensorAdc2 = BitConverter.ToInt16(packetPayload, 24);
259.this.sensorAdc3 = BitConverter.ToInt16(packetPayload, 26);
260.this.i2c = BitConverter.ToInt32(packetPayload, 28);

34. BitConverterクラス
• 基本データ型をバイト配列に、バイト配列を基本
データ型に変換します。
• BitConverter.ToUInt16() unsigned型
• BitConverter.ToUInt16() signed型
• Intel系CPUはリトル・エンディアンのため
BitConverterクラスもリトル・エンディアンで
動作します。
• 非Intel系CPU(ビッグ・エンディアン)への移植の
可能性があるのであれば、
BitConverter.IsLittleEndianフィールドのTrue/False
で判定してバイト列を反転しましょう！

35. Bluetooth通信の留意事項
• 受信モードから送信モードに切り替わるとき約３０ミリ秒の遅れが生じる
• 大きなデータパケットを受信する場合、ARMプロセッサとの間に短時間の
H/W制約 遅延(small timing difference)が発生する。
• 電文の途中にで送受信の一時停止が発生する。
• 電文と電文の間のタイムラグ（休止時間）が短くなる。
影響
• １つの電文を２回以上のデータ受信処理(APIコール)に分割して受信する。
• １回のデータ受信処理(API)で２つ以上の電文を受け取ってしまう。
結果

36. 電文受信 ステートマシン図
[受信バイト == 開始コード(0x20, 0x00)]
電文待ち 電文受信
初期状態
[受信バイト数 == 電文長]

37. 電文受信 状態遷移表
イベント 受信バイト
受信バイト数
状態 開始コード == 電文長
その他
(0x20, 0x00)
電文待ち 電文受信 電文待ち 電文待ち
電文受信 電文受信 電文受信 電文待ち

38. 【PC】受信バイト列を１バイトに分割するコード
Form1.cs
99. /// <summary>
100. /// （メインスレッドの）ログデータ受信
101. /// </summary>
102. /// <param name="mes">データ</param>
103. private void messegeReceive(Byte[] mes)
104. {
105. for (int i = 0; i < mes.Length; i++)
106. {
107. log.Append(mes[i]);
108. } 電文の先頭を見つけるために一旦、１バイトずつに分割
109. } Byte[0]が電文の先頭とは限らない！！！

39. 【PC】状態遷移（分岐）処理
LogMessage.cs
216. public void Append(Byte dat)
217. {
218. // パケットヘッダー部
219. if (byteNo < PacketHeaderLen)
220. {
221. // 順送りでパケットヘッダー配列へ保存 状態遷移の『電文待ち』
222. packetHeader[byteNo++] = dat;
223. // 中略
224. }
225. // パケットペイロード（ヘッダーを除いた本体部）
226. else if (byteNo < PacketLen)
227. { 状態遷移の『電文受信』
228. // 中略
229. }
230. else // byteNo >= PacketLenは設計の想定外
231. { 状態遷移の設計外
232. byteNo = 0;
233. }
234. }
※ソースコードの一部を省略

40. 【PC】電文ヘッダー判定処理
LogMessage.cs
211. // 順送りでパケットヘッダー配列へ保存
212. packetHeader[byteNo++] = dat;
213.
214. if (byteNo == PacketHeaderLen)
215. {
216. // パケットヘッダー（パケットサイズ）のチェック
217. // NXTから送信されるパケットサイズにはヘッダの２バイト分は含まれない
218. UInt16 len = BitConverter.ToUInt16(packetHeader, 0);
219.
220. if (len != PacketPayloadLen)
221. {
222. // パケット仕様： ヘッダー ＝ ペイロードサイズ
223. // 想定したヘッダー値でなければ１バイト分を読み捨てる
224. packetHeader[0] = packetHeader[1];
225. byteNo = 1;
226. }
227. }

41. ご静聴ありがとうございます