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Microcontroladores

Un microcontrolador (abreviado µC, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

Características de un Microcontrolador:

  • Velocidad del reloj u oscilador
  • Tamaño de palabra
  • Memoria: SRAM, Flash, EEPROM, ROM, etc..
  • I/O Digitales
  • Entradas Analógicas
  • Salidas analógicas (PWM)
  • DAC (Digital to Analog Converter)
  • ADC (Analog to Digital Converter)
  • Buses
  • UART
  • Otras comunicaciones.

Microcontrolador: http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador

Estructura genérica de un microcontrolador:

Existen MCUs genéricas y otros de propósito especial como los DSP, para aplicaciones de voz y video por ejemplo.

Microcontroladores AVR

Los microcontroladores AVR son una familia de microcontroladores RISC del fabricante estadounidense Atmel. La arquitectura de los AVR fue concebida por dos estudiantes en el Norwegian Institute of Technology. Más información:

Las placas Arduino usan principalmente microcontroladores de la gama AVR de Atmel, pero también de otras gamas de Atmel y de Intel.

RISC es una filosofía de diseño de CPU para computadora que está a favor de conjuntos de instrucciones pequeñas y simples que toman menor tiempo para ejecutarse. El tipo de procesador más comúnmente utilizado en equipos de escritorio, el x86, está basado en CISC en lugar de RISC, aunque las versiones más nuevas traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones más simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.

Es importante saber que arduino no es el único microcontrolador ni la única plataforma. Lo mismo que hacemos con arduino se puede hacer con otros microcontroladores y otras plataformas de desarrollo, pero Arduino es la más extendida, con más documentación y soporte de la comunidad.

Un sistema embebido es un sistema diseñado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas, frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. Al contrario de lo que ocurre con los ordenadores de propósito general que están diseñados para cubrir un amplio rango de necesidades, los sistemas embebidos se diseñan para cubrir necesidades específicas. En un sistema embebido la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en la placa base (la tarjeta de vídeo, audio, módem, etc.). Algunos ejemplos de sistemas embebidos podrían ser dispositivos como un termostato, un sistema de control de acceso, la electrónica que controla una máquina expendedora o el sistema de control de una fotocopiadora entre otras múltiples aplicaciones. El firmware es la programación o software que ejecuta y es lo que vamos a aprender a programar.

Microcontroladores Mega AVR, algunos usados en las plataformas Arduino: http://www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/megaavr.aspx

El programa de muestras de Atmel permite obtener muestras gratuitas de productos de Atmel. Más información en: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/02/25/como-conseguir-un-arduino-gratis/

Atmel Studio, el IDE proporcionado por Atmel para programar sus MCUs: http://www.atmel.com/tools/ATMELSTUDIO.aspx

Un buen artículo de Atmel sobre Microcontroladores vs Microprocesadores: http://www.atmel.com/Images/MCU_vs_MPU_Article.pdf

Reference Guide para AVR MCUs, un poco antiguo pero muy interesante para saber la gama de MCUs de Atmel y donde situarlos: http://www.atmel.com/Images/doc4064.pdf

Microcontroladores ARM de Atmel

Los nuevos Arduinos ya no son microcontroladores Atmel AVR de 8-bit como hasta ahora eran casi todos, sino que ha apostado por la nueva gama de Atmel con arquitectura ARM http://www.atmel.com/products/microcontrollers/arm/default.aspx y en especialmente por la serie SMART SAM D ARM® Cortex®-M0+: http://www.atmel.com/products/microcontrollers/arm/sam-d.aspx

Microcontroladores ARM Cortex-M: https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_Cortex-M

Arduino con el lanzamiento del Arduino 101 también ha dado el salto al las MCUs de Intel, en concreto con las MCU Intel Curie: http://www.intel.com/content/www/us/en/wearables/wearable-soc.html

Y Arduino no solo se queda en los microcontroladores sino que con el Arduino Yun y Arduino Yun Shield entra dentro de los sistemas con linux embebido en un microprocesador al estilo de una Raspberry Pi pero con una filosofía diferente.

Otras utilidades y placas en lugar de Arduino para programar MCUs de Atmel:

La compra de ARM por casi 30000 millones de euros demuestra el interés del mercado por estos dispositivos que marcarán el futuro tecnológico: http://economia.elpais.com/economia/2016/07/18/actualidad/1468824631_822455.html

Otros Microcontroladores

Existen muchos fabricantes de microcontroladores pero los principales son:

Ejemplo de microcontrolador de TI: http://es.wikipedia.org/wiki/MSP430 y su software de desarrollo: http://www.ti.com/tool/msp430ware?DCMP=msp430ware&HQS=msp430ware

Otros microcontroladores muy conocidos son los PIC de microchip:

MPLAB: entorno de desarrollo para los PIC: http://www.microchip.com/mplab/mplab-x-ide  

Ejecutar código de Arduino en un PIC mediante MPLAB: http://circuitcellar.com/cc-blog/execute-open-source-arduino-code-in-a-pic-microcontroller-using-the-mplab-ide/

Microchip ha sacado MPIDE http://chipkit.net/started/learn-basics/mpide-quick-start-guide/ para programar como Arduino las MCUs PIC en sus plataformas de prototipado chipkit http://www.microchip.com/devtoolthirdparty/ThirdpartyListing.aspx?catId=904c0424-a68f-44ac-aca4-eb13a629a9f8 y http://store.digilentinc.com/brands/chipKIT.html

Recientemente Microchip y ATmel se han fusionado: http://www.nasdaq.com/article/microchip-atmel-merger-closing-today-on-shareholders-vote-cm601083

Interesante articulo sobre las MCUs de Microchip y de AVR: http://makezine.com/2016/01/25/why-im-excited-that-microchip-is-buying-atmel/

Un enlace muy interesante con mucha información sobre microcontroladores para ampliar conocimientos: http://www.mikroe.com/chapters/view/79/capitulo-1-el-mundo-de-los-microcontroladores/

Y mucha más información sobre cómo programar microcontroladores PIC: http://www.mikroe.com/products/view/285/book-pic-microcontrollers-programming-in-c/

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Diferentes Arduinos para diferentes necesidades

Primer Arduino:

Arduino dispone de una amplia variedad de placas y shields para usar dependiendo de nuestras necesidades o el proyecto que queramos hacer.

Un shield es una placa compatible que se puede colocar en la parte superior de los arduinos y permite extender las capacidades del arduino. De estas hablaremos en más adelante.

Arduino Uno: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

Es la placa estándar y posiblemente la más conocida y documentada. Salió a la luz en septiembre de 2010 sustituyendo su predecesor Duemilanove con varias mejoras de hardware que consisten básicamente en el uso de un USB HID propio en lugar de utilizar un conversor FTDI para la conexión USB. Es 100% compatible con los modelos Duemilanove y Diecimila. Viene con un Atmega328 con 32Kbytes de ROM para el programa.

Esquematico: http://arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf

Microcontrolador: http://www.atmel.com/devices/atmega328p.aspx

Planos del Arduino UNO: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno#documentation

Arduino Mega: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

Es un Arduino más potente y el que más pines i/o tiene, apto para trabajos algo más complejos aunque tengamos que sacrificar un poco el espacio, cuenta con el microcontrolador Atmega2560 con más memoria para el programa, más RAM y más pines que el resto de los modelos.

Esquematico: http://www.arduino.cc/en/uploads/Main/arduino-mega2560_R3-sch.pdf

Microcontrolador: http://www.atmel.com/devices/atmega2560.aspx

Planos del Arduino MEGA: http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

Arduino Ethernet: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardEthernet

Incorpora un puerto ethernet, está basado en el Arduino Uno y nos permite conectarnos a una red o a Internet mediante su puerto ethernet.

Arduino Due: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDue

Arduino con la mayor capacidad de procesamiento, basado en un microcontrolador de 32 bit y arquitectura ARM: Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU. Este arduino funciona a 3.3V y debe tenerse en cuenta dado que gran parte de los shields, sensores, actuadores para Arduino funcionan a 5V, pero cada vez se ven más elementos donde se puede elegir el voltaje entre 3.3 y 5V.

Importante: 12-bit ADC

Microcontrolador: http://www.atmel.com/devices/sam3x8e.aspx

Arduino Leonardo: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLeonardo

La diferencia de este arduino con el resto es que trae un único MCU ATmega32u4 que tiene integrado la comunicación USB, lo que elimina la necesidad de un segundo procesador. Esto tiene otras implicaciones en el compartimento del arduino al conectarlo al ordenador, lo que no lo hace apto para iniciarse con él.

Microcontrolador: http://www.atmel.com/devices/atmega32u4.aspx

Arduino Micro: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMicro

También basado en el ATmega32u4 pero mucho más compacto.

Arduino Mini: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMini

Versión miniaturizada de la placa Arduino UNO basado en el ATMega328. Mide tan sólo 30x18mm y permite ahorrar espacio en los proyectos que lo requieran. Las funcionalidades son las misma que Arduino UNO. Necesita un programador para conectarlo al ordenador: http://arduino.cc/en/Main/USBSerial

Arduino Lilypad: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLilyPad

Diseñado para dispositivos “wearables” y e-textiles. Para coser con hilo conductor e instalarlo sobre prendas.

Y los nuevos Arduinos incorporados recientemente:

Y aún tenemos más arduinos oficiales:

Y para el que quiera más… http://playground.arduino.cc/Main/SimilarBoards

Como distinguir un arduino oficial de una copia: http://arduino.cc/en/Products/Counterfeit

Guia para comparar Arduino:  https://learn.sparkfun.com/tutorials/arduino-comparison-guide

Plataformas open source para wearables: https://openwearabletech.com/open-source-wearable-platforms-review/

Otra guia interesante sobre los modelos de Arduino: http://portalarduino.com/tarjetas-arduino (Ver interfaz de programación de cada Arduino)

Arduino vs Raspberry Pi.

Desde hace tiempo han irrumpido en el mercado distintas soluciones de placas PC  también llamadas “Single Board Computer” (SBC), como Raspberry Pi, Beaglebone, pcduino, etc… Pero estos sistemas son diferentes a las placas con microcontrolador como Arduino, nanode, waspmote, freescale freedom, Microchip ChipKit, etc…

Existe la creencia popular que Arduino es una Raspberry Pi pero con menos capacidades. Obviamente si comparamos los valores de memoria RAM, frecuencia de CPU y capacidad de almacenamiento, podemos creer que así es, pero se trata de dos placas con capacidades diferentes.

Analogía: Arduino es un Autómata programable y Raspberry Pi es un Ordenador, así que a la hora de decidirse que utilizar para un proyecto deberíamos pensar si usaríamos un autómata o un Ordenador.

Las diferencias principales entre una Raspberry Pi y un Arduino son:

  • Las entradas y salidas que conectamos y sus capacidades de corriente y voltaje.
  • La programación, Arduino se usa para programación en tiempo real, en Raspberry Pi se usa para programación intensiva con gran cantidad de datos.

Estas diferencias se deben a que Arduino tiene un microcontrolador (MCU) y Raspberry Pi tiene un microprocesador. Un microcontrolador es un HW optimizado no para capacidad de cálculo sino para interactuar con el exterior, con sensores y actuadores.

Para más información: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/03/29/microcontrolador-vs-microprocesador/

A la hora de elegir uno u otro para hacer un proyecto, debemos usar cada uno en la tarea que mejor sabe hacer. Por ejemplo, la recolección de datos, supervisión del entorno, envío de alarmas, accionar motores, etc.. lo dejaremos para el arduino, el tratamiento de los datos recogidos, el interfaz gráfico de usuario, envío de correos, etc… lo dejaremos para una una raspberry pi o un ordenador.

Comparativa:

Un ejemplo de que Raspberry Pi no es la mejor opción para algunos proyectos es por ejemplo para manejar un neopixel https://www.adafruit.com/products/1463, estos dispositivos requieren una señal de datos con unas especificaciones de tiempo muy concretas para funcionar. Puesto que Raspberry Pi usa un sistema operativo multitarea Linux, no dispone de un control de tiempo real sobre los pines.

Aun así es posible hacer usar neopixel con Raspberry Pi pero de una forma un poco más complicada que con un Arduino. https://learn.adafruit.com/neopixels-on-raspberry-pi/overview

Para acabar de entenderlo, este video explica perfectamente la diferencia entre eun Arduino y una Raspberry Pi: https://www.youtube.com/watch?v=7vhvnaWUZjE

Puertos Arduino vs Raspberry Pi:

IMPORTANTE: Todos los pines de Raspberry Pi tienen un nivel lógico de 3.3V incluido puerto serie, bus I2C y SPI. Lo pines de Raspberry Pi no soportan entradas de 5V. Para Arduino UNO el nivel lógico es de 5V.
Cada pin de Raspberry Pi soporta un máximo de 16mA hasta un total de 51mA para toda la placa. Arduino Uno soporta un máximo de 40mA por pin (20mA recomendado) y hasta 300mA en total para la placa.

Para finalizar dejo unos enlaces interesantes sobre la diferencia entre Arduino y Raspberry Pi:

Qué es Arduino. HW Libre.

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

Hardware Libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Hardware_libre

Arduino es una plataforma abierta que facilita la programación de un microcontrolador. Los microcontroladores nos rodean en nuestra vida diaria, usan los sensores para escuchar el mundo físico y los actuadores para interactuar con el mundo físico. Los microcontroladores leen sobre los sensores y escriben sobre los actuadores.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador generalmente Atmel AVR, puertos de comunicación y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados en las plataformas Arduino son el Atmega168, Atmega328, Atmega2560, ATmega8 por su sencillez, pero se está ampliando a microcontroladores Atmel de Arquitectura ARM e Intel.

Por otro lado Arduino nos proporciona un  software consistente en un entorno de desarrollo (IDE) para la programación de arduino y un bootloader cargado en el microcontrolador para facilitar el uso de Arduino. La principal característica del software y del lenguaje de programación de Arduino es su sencillez y facilidad de uso.

Arduino promete ser una forma sencilla de realizar proyectos interactivos para cualquier persona. Para alguien que quiere hacer un proyecto, el proceso pasa por comprar una placa Arduino, descargarnos e instalar el IDE, buscar un poco por internet y simplemente hacer “corta y pega” del código que nos interese y cargarlo en nuestro HW mediante el IDE. Luego hacer los cableados correspondientes con los periféricos y ya tenemos interaccionando el software con el Hardware. Todo ello con una inversión económica mínima: el coste del Arduino y los periféricos.

¿Para qué sirve Arduino? Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, o bien conectarse a otros dispositivos o para interactuar tanto con el hardware como con el software en un ordenador, móvil, etc… Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz que haya, gracias a un sensor de luz conectado al Arduino, o bien para leer la información de una fuente, como puede ser un teclado, y convertir la información en una acción como puede ser encender una luz y sacar por un display lo tecleado.

Con Arduino  es posible automatizar cualquier cosa, hacer agentes autónomos (si queréis llamarles Robots también), controlar luces y dispositivos, o mil cosas que queramos fabricar, podemos optar por una solución basada en Arduino.

Arduino es una tecnología que tiene una rápida curva de entrada con básicos conocimientos de programación y electrónica, que permite desarrollar proyectos en el ámbito de las Smart Cities, el Internet de las cosas, dispositivos wearables, salud, ocio, educación, robótica, etc…

Como define Arduino la web oficial: https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

Definicion de Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Arduino

Que es arduino en un minuto (video): http://learn.onemonth.com/what-is-arduino

Hay otro factor importante en el éxito de Arduino, es la comunidad que apoya todo este desarrollo, comparte conocimiento, elabora librerías para facilitar el uso de Arduino y publica sus proyectos para que puedan ser replicados, mejorados o ser base para otro proyecto relacionado.

En resumen:

Arduino = HW + SW + Comunidad

Mitos sobre Arduino que todo el mundo cree y no son verdad: https://www.baldengineer.com/5-arduino-myths.html

Al trabajar con Arduino, se manejan conceptos de diferentes tecnologías que a priori no tienen nada que ver entre ellos: electronica digital y analogica, electricidad, programación, microcontroladores, tratamiento de señales, protocolos de comunicación, arquitectura de procesadores, mecánica, motores, diseño de placas electrónicas etc…

Antes de Arduino: Eran necesarios los programadores para cada MCU, lenguaje de programación ensamblador usando las instrucciones propias de la MCU y materiales caros.

Ejemplos:

Una plataforma muy extendida para aprender a programar microcontroladores era Basic Stamp. Interesante comparación entre Basic stamp y arduino: http://todbot.com/blog/2006/09/25/arduino-the-basic-stamp-killer/

Por último para entender bien lo que es Arduino, es recomendable ver el documental de Arduino de unos 30 minutos de duración. Arduino the Documentary: http://blog.arduino.cc/2011/01/07/arduino-the-documentary-now-online/