Archivo de la categoría: Entradas Analógicas

Entradas y Salidas Analógicas Arduino. PWM

Una señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente y pueden tomar cualquier valor. En el caso de la corriente alterna, la señal analógica incrementa su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuye a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.

Un sistema de control (como un microcontrolador) no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertir las señales analógicas en señales digitales para poder trabajar con ellas.

La señal digital obtenida de una analógica tiene dos propiedades fundamentales:

En el caso de un arduino Uno, el valor de 0 voltios analógico es expresado en digital como B0000000000 (0) y el valor de 5V analógico es expresado en digital como B1111111111 (1023). Por lo tanto todo valor analógico intermedio es expresado con un valor entre 0 y 1023, es decir, sumo 1 en binario cada 4,883 mV.

Arduino Uno tiene una resolución de 10 bits, es decir, unos valores entre 0 y 1023.

Arduino Due tiene una resolución de 12 bits, es decir, unos valores entre 0 y 4095.

Diferencia entre señales analógicas y digitales:

Entradas Analógicas en Arduino

Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…

En arduino los pines analógicos se definen y tienen las propiedades siguientes: http://arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInputPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

En Visualino disponemos de las funciones para leer de entradas analógicas y escribir en salidas analógicas en la agrupación de bloques “Pin Functions”.

Otras funciones interesantes con entradas/salidas analógicas:

En Visualino estás disponibles las funciones map y random en la agrupación “Math”

Salidas Analógicas. PWM

Como hemos dicho Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.

Algunos pines digitales pueden usarse como salidas analógicas PWM:

Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras, sin embargo el Arduino Due sí tiene salidas analógicas puras mediante dos DAC. El arduino due, posee dos salidas analógicas puras mediante dos conversores digital a analógico. Estos pines pueden usarse para crear salidas de audio usando la librería correspondiente.

La función para hacer una salida PWM en un pin es:

En Visualino disponemos de la función analogWrite() para escribir entradas analógicas con PWM en la agrupación de bloques “Pin Functions”.

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período.

duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)

Diferentes valores de una señal PWM:

En este ejemplo se ve cómo simular con PWM una onda sinusoidal analógica.

En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos.

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, por ejemplo para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones.

Definición de PWM en la web de Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM

Para ampliar un poco más de información sobre PWM ver: http://rufianenlared.com/que-es-pwm/

Función Tone()

No confundir PWM con la función tone() que es utilizada para generar una onda cuadrada de ciclo de trabajo 50% y frecuencia variable, con el fin de emitir sonidos audibles, modificando la frecuencia.

Más información de tone() en: https://code.google.com/p/rogue-code/wiki/ToneLibraryDocumentation

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Puertos Analógicos Arduino Avanzado

Ya hemos visto cómo manejar con registros las entradas y salidas de Arduino, pero nos centrado en las correspondientes a las I/O digitales. Para el caso de las entradas y salidas analógicas hay muchos detalles que no se han visto.

Los 6 pines correspondientes a las entradas analógicas A0..A5 del Arduino UNO corresponde al puerto C. Estos 6 pines se pueden usar como entradas y salidas digitales como cualquier otro puerto digital como hemos visto en el apartado anterior. Además de denominarlas A0..A5, también es posible llamarlas como pines 14..19.

La forma de manejar con registros las entradas analógicas correspondientes al puerto C con PORT, DDR y PIN es para usar esos pines como I/O digitales, puesto que los pines de los microcontroladores son multipropósito como se ha dicho anteriormente.

Tabla de equivalencia:

  • Pin 14 = Analog in 0
  • Pin 15 = Analog in 1
  • Pin 16 = Analog in 2
  • Pin 17 = Analog in 3
  • Pin 18 = Analog in 4
  • Pin 19 = Analog in 5

Por ejemplo estas tres instrucciones son equivalentes:

  • analogRead(0);
  • analogRead(A0);
  • analogRead(14);
  • digitalWrite(A1);
  • digitalWrite(15);

Pin mapping ampliado:

Entradas Analógicas

En las entradas analógicas entran en juego los conversores Analógico Digital (ADC)

Toda la información de ADC para entradas analógicas se encuentra en la página 305 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Conversor analógico digital (ADC)

Un microcontrolador solo entiende señales digitales (1’s y 0’s), por lo tanto para poder leer señales analógicas necesitamos los convertidores Analógico a Digital (ADC).

Cómo funciona un conversor analógico a digital:

ADC en Arduino

El microcontrolador de Arduino UNO contiene internamente un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos.

En arduino los pines analógicos se definen y tienen las propiedades siguientes: http://arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInputPins

El datasheet de ATmega advierte de hacer lecturas rápidas entre pines analógicos (analogRead). Esto puede causar ruido eléctrico e introducir jitter en el sistema analógico. Se aconseja que después de manipular pines analógicos (en modo digital), añadir un pequeño retraso antes de usar analogRead () para leer otros pines analógicos.

Un microcontrolador solo entiende señales digitales (1’s y 0’s), por lo tanto para poder leer señales analógicas necesitamos los convertidores Analógico a Digital (ADC). Esta conversión consiste en la transcripción de señales analógicas en señal digital, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etcétera) y hacer la señal resultante (digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

Para el ATMega328p toda la información del conversor analógico a digital se encuentra en la página 305 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

El ATMega328p, al igual que toda la gama ATMega de Atmel y otros microcontroladores, tienen un ADC integrado y no necesita ningún hardware adicional, esto nos permite simplemente conectar un sensor analógico. El ADC interno del microcontrolador tiene una resolución de 10 bits, esto significa que la tensión analógica de entrada se convierte en un valor numérico entre 0 y 1023.

NOTA: en el caso de una Raspberry Pi necesitamos de un ADC externo como el MCP3008 https://learn.adafruit.com/raspberry-pi-analog-to-digital-converters/overview

Aunque el ATmega328P tiene 6 pines que son capaces de ser utilizados como pines de entrada analógicos (Port C), sólo hay un ADC en el microcontrolador, pero entre el ADC y los pines hay un multiplexor analógico, esto permite que podamos elegir qué pin está conectado al ADC, es decir, aunque podemos utilizar todos los pines, sólo se puede leer el valor de uno de ellos a la vez, para casi todas las aplicaciones esto es más que suficiente, pero en algunos casos limitados que necesitan lecturas ADC de alta velocidad se podría necesitar el uso de ADC externos. En el caso de la ATmega328P los pines que se pueden utilizar una entrada analógica son todos los del puerto C.

También se puede cambiar la tensión máxima (siempre por debajo de Vcc) que utiliza el ADC como referecia, es la  llamada tensión de referencia y es la tensión contra la que todas las entradas analógicas hacen las conversiones. Esta tensión de referencia se toma del pin AREF. Reducir el voltaje máximo del ADC tiene sentido para mejorar la resolución del ADC. Con 5V la resolución es de 5/1023 = 4,88 mV para cada valor, pero para un sensor que no pasa de 3.3V la resolución es de 3.3/1023 = 3.22mV.

El ADC interno también se puede utilizar en un modo de 8 bits, donde sólo se utilizan los 8 bits más significativos de la resolución de 10 bits completa, esto podría ser útil cuando se trabaja en ambientes ruidosos y sólo necesita 8 bits de resolución, el uso de este modo es un plus debido a que no es necesario dedicar más tiempo de CPU calculando los 10 bits completos. El ADC también puede configurarse para que lleve a cabo una conversión y detenerse o puede ser configurado para funcionar en un modo de funcionamiento libre, la primera opción es la mejor opción cuando queremos leer diferentes pines, y el segundo es mejor cuando sólo tenemos que leer un pin y esto puede ahorrar algo de tiempo entre las conversiones.

También tenemos que tener cuidado de la frecuencia máxima de trabajo del ADC, este valor se especifica en la ficha técnica y es de 200 kHz, este es el valor del reloj interno de la circuitería del ADC y se genera dividiendo el reloj principal ATmega, que en el caso del UNO es 16 MHz, este divisor del reloj se realiza mediante pre-escaladores y sólo hay un rango limitado de valores, por lo que la frecuencia máxima que podemos utilizar y estar dentro de la frecuencia máxima de trabajo es 125 kHz. El siguiente pre-escalador supone usar el ADC a 250 kHz, en este caso no se puede garantizar la resolución de 10 bits, pero si una resolución de 8 bits. De todas formas en caso de necesitar un ADC más rápido se podría usar uno externo.

El ADC puede trabajar en dos modos: single conversion mode y free running mode. En modo single conversion el ADC hace una sola conversión y para, pero en modo free running el ADC está continuamente convirtiendo, es decir, hace una conversión y luego comienza con la siguiente.

El ADC en microcontroladores AVR utiliza una técnica conocida como aproximación sucesiva mediante la comparación de la tensión de entrada con la mitad de la tensión de referencia generada internamente. La comparación continúa dividiendo de nuevo la tensión y actualizando cada bit del registro ADC a 1 si el voltaje es HIGH en la comparación o 0 en el otro caso. Este proceso se realiza 10 veces (por cada bit de resolución del ADC) y genera como resultado la salida binaria.

Los registros utilizados en el manejo de las entradas analógicas son:

  • ADCSRA: ADC Control and Status Register A. Control del ADC y su estado. Página 319.

  • ADCSRB: ADC Control and Status Register B.
  • ADCL: ADC Data Register Low. Cuando la conversión ADC ha finalizado, el resultado se deja en estos dos registros.
  • ADCH: Data Register High

  • DIDR0: Digital Input Disable Register 0. Para deshabilitar la entrada digital de los pines analógicos. Página 326.

Diagrama de bloques:

Más información en:

Entendamos el proceso usado anteriormente para calcular la temperatura interna:

 
// Set the internal reference and mux.
  ADMUX = (_BV(REFS1) | _BV(REFS0) | _BV(MUX3));
  ADCSRA |= _BV(ADEN);  // enable the ADC

  delay(20);            // wait for voltages to become stable.

  ADCSRA |= _BV(ADSC);  // Start the ADC

  // Detect end-of-conversion
  while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));

  // Reading register "ADCW" takes care of how to read ADCL and ADCH.
  word wADC = ADCW;

Más información:

En caso que el ADC propio de Arduino sea insuficiente para nuestra aplicación, podemos usar Conversores Analógico Digital de alta resolución externos:

AREF

Una de las características claves del convertidor, es su número de bits, que define la resolución con la que podemos cuantificar esa conversión a digital.  En el caso de Arduino, son 10 los bits que maneja en la puertas analógicas, lo que significa que su resolución es 1.024 posibles valores. Cuanto mayor sea esta resolución mejor es la capacidad de aproximación al valor real cuya conversión buscamos.

Un ADC compara sucesivamente la señal que queremos cuantificar en la entrada, con una tensión de referencia contra la que hace las comparaciones.

Un ADC no proporciona valores absolutos, sino que proporciona una comparación cuantificada con relación a un valor de referencia. Por eso, al usar el sensor de temperatura TMP36 en https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2017/06/24/ejemplo-sensor-de-temperatura/ hemos calculado la tensión de entrada en uno de los pines Analógicos como la lectura multiplicada por una relación entre el valor de la máxima de la entrada 5V con la máxima medida del conversor 1024.

Como las señales que normalmente manejamos en Arduino están alrededor de los 5V, comparar contra 5V es lo razonable, porque además la industria tiene una gama completa de sensores cuyo valor máximo devuelve 5V. Pero cada vez más, la industria produce electrónica de 3,3V o podemos encontrar sensores con una sensibilidad de menos de 3V, y si usamos el ADC para digitalizar señales de pico 3,3V o menos, estamos perdiendo precisión y resolución, porque estamos desperdiciando una parte de las posibles comparaciones.

En el caso de un sensor a 3.3V, al ser 3,3V el máximo de la tensión de entrada compararlo contra 5V supone que nunca tendremos lecturas mayores de 1.024 * 3,3 /5 = 675 y seguiremos teniendo escalones de entrada de 5mV. Como el ADC es un comparador de tensiones, si pudiéramos cambiar el valor de tensión contra el que comparamos por una de 3,3V, los escalones serian de 3,3V/1024 = 0,00322265625 o sea 3,2 mV.

La tensión de comparación contra la que realizamos la conversión de analógico a digital, debería ser el valor máximo posible de la señal de entrada. Porque es cuándo tendremos la mejor resolución posible.

El pin rotulado como AREF (Analog Reference o Referencia Analógica), que no habíamos usado hasta ahora, permite conectar una tensión externa de referencia, contra la que se comparará la señal que leamos en los pines A0 a A5.

Más información: http://www.prometec.net/aref/

Para cambiar la referencia analógica se debe usar el comando AnalogReference(): https://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogReference que nos permite usar los siguientes valores de referencia:

  • DEFAULT: the default analog reference of 5 volts (on 5V Arduino boards) or 3.3 volts (on 3.3V Arduino boards)
  • INTERNAL: an built-in reference, equal to 1.1 volts on the ATmega168 or ATmega328 and 2.56 volts on the ATmega8(not available on the Arduino Mega)
  • INTERNAL1V1: a built-in 1.1V reference (Arduino Mega only)
  • INTERNAL2V56: a built-in 2.56V reference (Arduino Mega only)
  • EXTERNAL: the voltage applied to the AREF pin (0 to 5V only) is used as the reference.

El pin AREF dispones de una resistencia interna de 32 Kohms.

Práctica: Entrada Analógica Modo Free Running

Hagamos un sencillo programa de test para ver el funcionamiento del ADC. Para ello usaremos un potenciómetro conectado al puerto 0 del PORT C, es decir, el puerto A0 de la placa Arduino y en en función del valor leido encender o apagar el led conectado al pin 5 del PORT B, el decir el led en el pin 13.

Primero debe darse un reloj al ADC para establecer la velocidad de muestreo, pero esta tiene un máximo de 200kHz, este valor se establece mediante los prescaler. Estos son configurados por el registro ADCSRA y los bits relacionados que son ADPS2, ADPS1 and ADPS0 con valores de prescaler de 2 a 128. Como el microcontrolador funciona a 16 MHz se usará el prescaler 128 para que el reloj del ADC funcione a 125 KHz.

El siguiente paso es configurar el voltaje de referencia usado por el ADC, este este caso es 5V. El voltaje de referencia es configurado en el registro ADMUX con los bits REFS1 y REFS0. En este caso es el valor por defecto y no hace falta modificar.

En el registro ADMUX también podemos seleccionar en qué canal se va a hacer la conversión mediante los bits del MUX3 al MUX0. En este caso es el valor por defecto y no hace falta modificar.

El ADC está casi configurado, solo hace falta iniciarlo (por defecto está apagado para consumir menos) y para ello se debe poner a 1 el bit ADEN del registro ADCSRA y luego poner a 1 el bit ADSC para comenzar la conversión en el mismo registro. En el registro ADCSRB los bits ADTS2, ADTS1 and ADTS0 determinan como una nueva conversión comienza, por defecto está en mode free running. También debe ponerse a 1 el bit ADATE para que en modo free running comience la conversión.

Ahora solo queda leer el valor devuelto por el ADC en los registros ADCH y ADCL.

Luego encender el led 13 (PORTB 5) si el valor leído es mayor que 512 y sino apagarlo.

Solución Ejercicio10: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio10-Entrada_Analogica_Free_Running

Versión para usar en Atmel Studio (comparar con la versión para IDE Arduino):

 
#include <avr/io.h>
int adc_value;		//Variable used to store the value read from the ADC converter
 
int main(void){
  DDRB |= (1<<PB5);	///PB5/digital 13 is an output
  ADCSRA |= ((1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0));	//Prescaler at 128 so we have an 125Khz clock source
  ADMUX |= ~(1<<REFS0);
  ADMUX &= ~(1<<REFS1);				//Avcc(+5v) as voltage reference
  ADCSRB &= ~((1<<ADTS2)|(1<<ADTS1)|(1<<ADTS0));	//ADC in free-running mode
  ADCSRA |= (1<<ADATE);				//Signal source, in this case is the free-running
  ADCSRA |= (1<<ADEN);				//Power up the ADC
  ADCSRA |= (1<<ADSC); //Start converting for(;;){ //The infinite loop adc_value = ADCW; //Read the ADC value, really that's just it if(adc_value > 512){
      PORTB |= (1<<PB5);	//If ADC value is above 512 turn led on
    }
    else {
      PORTB &= ~(1<<PB5);	//Else turn led off
    }
  }
  return 0;
}

}

Práctica: Entrada Analógica Modo Single Conversión

En el ejemplo anterior usamos ADATE para activar el auto trigger y el modo free running porque solo estamos leyendo de un pin analógico. En caso que se vaya a leer diferentes pines, no tiene sentido usar el modo free running porque existe una limitación que al cambiar de pin debemos esperar dos conversiones para hacerlo, porque es el tiempo que le cuesta al multiplexor cambiar de un pin a otro. Haciendo una conversión simple poniendo el byte ADATE a 0, no es necesario esperar ese tiempo.

Al usar el modo de conversión simple (single conversion) debemos comprobar el bit ADSC hasta que vuelve a 0 (cleared) y la conversión está hecha. A cambio no debemos configurar los bits ADTS y ADATE.

Luego encender el pin 6 si el valor leído es mayor que 512 o sino encender el pin 7. Poner los LEDs y resistencias correspondientes.

En este caso poner el potenciómetro en el pin A5.

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio11-Entrada_Analogica_Single_Conversion

Versión para usar en Atmel Studio (comparar con la versión para IDE Arduino):

 
#include <avr/io.h>
#define PORT_ON(port,pin) port |= (1<<pin)
#define PORT_OFF(port,pin) port &= ~(1<<pin)
int adc_value;		//Variable used to store the value read from the ADC converter

int main(void)
{
  unsigned int adc_value; // Variable to hold ADC result
  DDRD=0xff; // Set Port D as Output
  PORTD = 0x00;
  ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADPS2) | (1<<ADPS0);
  // ADEN: Set to turn on ADC , by default it is turned off
  //ADPS2: ADPS2 and ADPS0 set to make division factor 32
  ADMUX=0x05; // ADC input channel set to PC5
  while (1)
  {
     ADCSRA |= (1<<ADSC); // Start conversion
        while (ADCSRA & (1<<ADSC)); // wait for conversion to complete
     adc_value = ADCW; //Store ADC value
           if (adc_value < 512)
           {
                 PORT_OFF(PORTD,7); // Toggle LEDs
                 PORT_ON (PORTD,6);
           }
           else
           {
                 PORT_ON(PORTD,7); // Toggle LEDs
                 PORT_OFF (PORTD,6);
           }
  }
}

Salidas Analógicas

Las salidas analógicas puras necesitan de un conversor digital analógico (DAC). Solo unos pocos modelos de Arduino disponen de salida analógica pura como el Arduino DUE, el Zero o el MKR1000.

El arduino due, posee dos salidas analógicas puras mediante dos conversores digital a analógico.

Para manejar las salidas analógicas puras usamos la función analogWrite() pero disponemos de funciones adicionales como AnalogWriteResolution() https://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogWriteResolution y la librería audio https://www.arduino.cc/en/Reference/Audio

Conversor digital  analógico (DAC)

Definición: http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-to-analog_converter

Al contrario que las señales analógicas, las señales digitales se pueden almacenar y transmitir sin degradación. Los DAC se usan para los altavoces, amplificadores para producir sonido. Ejemplo de la transmisión de la voz por la líneas telefónicas.

PWM

Los Arduino que no tienen DAC y por lo tanto no poseen salidas analógicas puras, usan la técnica de PWM para las salidas analógicas.

Toda la información de PWM para salidas analógicas está en la página 125, 149 y 189 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras.

Definición de PWM en la web de Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)

En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos.

PWM tiene varios usos en los microcontroladores:

  • Dimming un LED
  • Obtener una salida analógica
  • Ofrecer un voltaje analógico entre el 0% y el 100% de Vcc
  • Generar señales de audio
  • Controlar velocidad de motores
  • Generar una señal modulada, por ejemplo para manejar un LED infrarrojo de un mando a distancia.

En las salidas analógicas con PWM se usan los timers de microcontrolador para hacer la forma de onda PWM.

Para generar la señal PWM se utiliza los timers configurándose varias formas de trabajo. La forma de onda PWM, en el modo de trabajo más sencillo (Fast PWM), se genera de la  forma mostrada en la siguiente gráfica:

  1. El registro del contador se pone en marcha desde cero y cuenta de modo ascendente. En el momento de empezar la cuenta se activa el pin de salida del PWM.
  2. Cuando el valor de este registro se iguala al de otro registro de comparación se conmuta el pin de salida. El registro del contador sigue contando en forma normal.
  3. Cuando el valor del registro del contador llega al final (TOP) vuelve a comenzar (BOTTOM). El pin de salida vuelve a cambiar.
  4. El tiempo que tarda el contador en llegar al final fija el periodo de la señal.

Los microcontroladores usan varios modos de PWM, uno de ellos el el Fast PWM que puede ser generado 8 (256), 9 (512) y 10 (1024) bits, una resolución mayor de 8 bits solo es posible usando un timer de 16 bits. Otro modo de PWM es Phase Correct PWM que es el que debería usarse para el control de motores. Otro modo es Frequency and Phase Correct PWM.

Esta imagen explica cómo funciona el phase correct PWM, en este caso el timer cuenta hacia arriba y luego hacia abajo:

En los microcontroladores AVR, el PWM está disponible con todos los timers. Timer 0 y timer 2 dan una resolución de 8 bit mientras que el timer 1 ofrece una resolución de 16 bits. Con 8 bits hay 256 pasos individuales y en 16 bit hay una resolución de 65536 pasos.

La forma de generar la onda PWM es diferente en cada uno de los modos y la señal obtenida es diferente.

Puesto que las ondas generadas son diferentes, el centro de la parte en HIGH no es constante en el fast PWM y sí en el phase correct PWM, esa es la principal diferencia entre ambos modos y la razón de porque para control de motores es mejor usar el phase correct PWM.

Fast PWM:

Phase Correct PWM:

Más información en: https://garretlab.web.fc2.com/en/arduino/inside/arduino/wiring_analog.c/analogWrite.html

El modo PWM en los microcontroladores AVR se controla por hardware. Esto significa que todo se lleva a cabo por la CPU AVR. Todo lo que se necesita hacer es inicializar e iniciar el temporizador y establecer el ciclo de trabajo. El ATmega328p tiene 3 timers  y cada timer maneja dos salidas A y B, en total tenemos 6 salidas PWM. Estos temporizadores generan interrupciones cuando alcanzan el overflow o cuando alcanzan el registro de comparación. Los registros de control del timer/counter n (n va de 0  a 2) son TCCRnA y TCCRnB y tienen los principales controles de los temporizadores.

Estos registros tienen varios grupos de bits:

  • Waveform Generation Mode bits (WGM): these control the overall mode of the timer. (These bits are split between TCCRnA and TCCRnB.)
  • Clock Select bits (CS): these control the clock prescaler
  • Compare Match Output A Mode bits (COMnA): these enable/disable/invert output A
  • Compare Match Output B Mode bits (COMnB): these enable/disable/invert output B

Los registros de comparación de salida OCRnA y OCRnB establece los niveles en los que las salidas A y B se verán afectados. Cuando el valor del temporizador coincide con el valor del registro, la salida correspondiente será modificado como se especifica en el modo.

Timers relacionados con los pines PWM de Arduino y salidas de los comparadores:

Arduino Uno, Mini y Nano disponen de tres temporizadores.

  • Timer0, con una frecuencia de 62500Hz, y preescalados de 1, 8, 64, 256 y 1024.
  • Timer1, con una frecuencia de 31250Hz, y preescalados de 1, 8, 64, 256, y 1024.
  • Timer2, con una frecuencia de 31250Hz, y preescalados de 1, 8, 32, 64, 128, 256, y 1024.

Los registros para el control de PWM  con el timer 0 son TCCR0A y TCCR0B y dentro de ellos los bits WGM02, WGM01 y WGM00:

Para utilizar fast PWM hay dos modos para elegir, los modos 3 y 7, la principal diferencia entre estos dos modos es que en el modo 3 TOP se fija en 0xFF y en el modo de 7 TOP es definido por el registro OCRA, esto significa que si existe la necesidad, podemos cambiar el número máximo que el temporizador hará hasta que haga overflow, así que esto significa que podemos controlar la frecuencia y el ciclo de trabajo.

Un buen tutorial de PWM: https://www.luisllamas.es/salidas-analogicas-pwm-en-arduino/

Debemos tener en cuenta los efectos que supone la rápida conexión y desconexión de la señal pulsada puede suponer en el dispositivo alimentado. Por ejemplo, en el caso de cargas inductivas (motores, relés, o electroimanes) la desconexión supondrá la generación de voltaje inducido que puede dañar la salida digital o el propio dispositivo, por lo que será necesario disponer de las protecciones oportunas.

En cuanto a transistores, en general, los de tipo BJT resultan apropiados para funcionar como amplificación de señales PWM. Esto no suele ser así en los transistores MOS, donde los efectos capacitivos del mismo, unidos a la limitación de corriente de las salidas digitales, frecuentemente harán que necesitemos un driver de amplificación previo para evitar que el transistor trabaje en zona activa.

Más información sobre PWM:

Muy buena explicación en profundidad: https://garretlab.web.fc2.com/en/arduino/inside/arduino/wiring_analog.c/analogWrite.html

Incompatibilidades

El uso de los Timer no es exclusivo de las salidas PWM, si no que es compartido con otras funciones. Emplear funciones que requieren el uso de estos Timer supondrá que no podremos emplear de forma simultánea alguno de los pines PWM.

Incompatibilidades más frecuentes:

  • Servo: La librería servo hace un uso intensivo de temporizadores por lo que, mientras la estemos usando, no podremos usar algunas de las salidas PWM. En el caso de Arduino Uno, Mini y Nano, la librería servo usa el Timer 1, por lo que no podremos usar los pines 9 y 10 mientras usemos un servo.
  • Comunicación SPI: En Arduino Uno, Mini y Nano, el pin 11 se emplea también para la función MOSI de la comunicación SPI. Por lo tanto, no podremos usar ambas funciones de forma simultánea en este pin.
  • Función Tone: La función Tone emplea el Timer 2, por lo que no podremos usar los pines 3 y 11.

Cambiar Frecuencia PWM

Para cambiar la frecuencia de PWM que por defecto en Arduino UNO está a 500 HZ, se puede usar la función definida en http://playground.arduino.cc/Code/PwmFrequency, donde indicando el pin y el divisor de frecuencia. Esta función cambia los registros TCCRnB en el timer correspondiente en función del pin, con el divisor que queramos.

O simplemente en el setup() del sketch inicializar los bits CS00, CS01 y CS02 como se indica en este enlace: https://arduino-info.wikispaces.com/Arduino-PWM-Frequency, pero teniendo en cuenta que estos cambios en los timers 0, 1 y 2 puede tener efectos en otras funciones que usen los timers como delay(), millis() o la librería servo:

  • Changes on pins 3, 5, 6, or 11 may cause the delay() and millis() functions to stop working. Other timing-related functions may also be affected.
  • Changes on pins 9 or 10 will cause the Servo library to function incorrectly.

La frecuencia resultante de PWM es la resultante de la división de la frecuencia base entre el divisor.

  • The base frequency for pins 3, 9, 10, and 11 is 31250 Hz.
  • The base frequency for pins 5 and 6 is 62500 Hz.
  • The divisors available on pins 5, 6, 9 and 10 are: 1, 8, 64, 256, and 1024.
  • The divisors available on pins 3 and 11 are: 1, 8, 32, 64, 128, 256, and 1024.

También se puede hacer PWM en todos los pins, programando nosotros en lugar de dejarlo a la CPU del microcontrolador y los timers: http://playground.arduino.cc/Main/PWMallPins

Muy buena explicación de como cambiar la frecuencia a PWM y en general del funcionamiento de PWM

Práctica: PWM Arduino

El código necesario para encender una salida PWM es muy sencillo gracias a las bibliotecas de Arduino, que configuran por defecto las salidas de PWM en la función Setup, ocultando la dificultad de manipulación de los Timer.

Así, en en el ejemplo más básico, simplemente definimos el pin PWM que queremos emplear, y usamos la función analogWrite para escribir el valor del Duty Cycle, medido de 0 a 255.

El siguiente código incrementa progresivamente el valor de una señal analógica desde 0 a 255. Al alcanzar el valor máximo el contador pasará a 0, por lo que el ciclo volverá a iniciarse. ¿Ves porque si inicializa el contador?

 
const int analogOutPin = 11; // Analog output pin
byte outputValue = 0;        // valor del PWM

void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

void loop() {
	analogWrite(analogOutPin, outputValue);
	Serial.println(outputValue);
	delay(10);
	outputValue++;
}

Hacer una versión equivalente a bajo nivel donde ilumine el led conectado en el pin 11 con su resistencia.

Pin Mapping: http://brittonkerin.com/cduino/pin_map.html

Ver registro TCCR2A en página 203 y TCCR2B en página 206  y OCR2A en página 209 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio12-PWM_Avanzado

Práctica: Fade Arduino

Hacer un encendido y apagado progresivo en un led colocado en el pin 6 con su resistencia usando los registros.

Función delay AVR libc http://www.atmel.com/webdoc/avrlibcreferencemanual/group__util__delay_1gad22e7a36b80e2f917324dc43a425e9d3.html

TCCR0A

TCCR0B

OCR0A

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio13-PWM_Fade_Avanzado

Más información: http://www.ermicro.com/blog/?p=1971

Manejo Arduino Básico

La estructura básica de un sketch de Arduino es bastante simple y se compone de al menos dos partes. Estas dos partes son obligatorios y encierran bloques que contienen declaraciones, estamentos o instrucciones.

setup() es la parte encargada de recoger la configuración y loop() es la que contiene el programa que se ejecuta cíclicamente (de ahí el término loop –bucle-). Ambas funciones son necesarias para que el programa trabaje.

La función de configuración (setup) debe contener la inicialización de los elementos y esta función sólo se ejecuta una vez justo después de hacer el reset y no se vuelve a ejecutar hasta que no haya otro reset. Es la primera función a ejecutar en el programa y se utiliza para configurar, inicializar variables, comenzar a usar librerías, etc…

La función bucle (loop) contiene el código que se ejecutará continuamente (lectura de entradas, activación de salidas, etc). Esta función es el núcleo de todos los programas de Arduino y se usa para el control activo de la placa. La función loop se ejecuta justo después de setup.

La estructura del sketch está definida en el siguiente enlace: http://arduino.cc/en/Tutorial/Sketch

Los componentes principales de un sketch de Arduino son:

  • Variables, son un espacio en memoria donde se almacenan datos y estos datos pueden variar.
  • Funciones, son un trozo de código que puede ser usado/llamado desde cualquier parte del sketch. A la función se le puede llamar directamente o pasarle unos parámetros, en función de cómo esté definida.
  • setup() y loop(), son dos funciones especiales que es obligatorio declarar en cualquier sketch.
  • Comentarios, fundamentales para documentar el proyecto

Se puede resumir un sketch de Arduino en los siguientes diagramas de flujo:

Para más información de como programar Arduino ver: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/10/16/programacion-arduino-2/

Cargar un Programa en Arduino

Una vez tenemos el programa hay que compilarlo y mandarlo a Arduino para que se ejecute de forma infinita.

Pasos a seguir:

  • Abrir la aplicación Arduino
  • Abrir el sketch que queremos cargar

  • Leer el programar y entender lo que está haciendo
  • Seleccionar la placa y el puerto adecuado

  • Cargar el programa pulsando el botón “subir”. El programa se compila y luego se verá parpadeando los leds Tx y Rx de Arduino, indicando que se está cargando el fichero binario (.hex) en la flash del Arduino. Cuando aparezca el mensaje “subido” habremos acabado.
  • Un momento después el programa se está ejecutando el Arduino

Cuando cargamos un programa en Arduino, estamos usando el bootloader de Arduino, que es un pequeño programa cargado en el microcontrolador que permite subir el código sin usar hardware adicional. El bootloader está activo unos segundos cuando se resetea la placa, después comienza el programa que tenga cargado el Arduino en su memoria Flash. El led integrado en la placa (pin 13) parpadea cuando el bootloader se ejecuta.

Entradas y Salidas Digitales en Arduino

En arduino los pines digitales se describen y tienen la propiedades siguientes:  http://arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

En la imagen siguiente se muestra el estado por defecto de una I/O digital en un microcontrolador de Arduino. Se ha simplificado con interruptores la compleja electrónica que hay dentro. Por defecto los digital I/O pins están configurados como inputs en un estado de alta impedancia (equivalente a una resistencia de 100 Mohms en frente del pin), es decir, SW3 a ON y no hace falta llamar a la función pinMode() aunque es recomendable para aclarar el código.

  • PinMode(x, INPUT) –> SW3 = ON (resto a OFF). Los valores leídos serán aleatorios si el pin de Arduino está al aire. El pin está en un estado de alta impedancia (resistencia de 100 Mohms).
  • PinMode(x,INPUT_PULLUP) –> SW3 = ON & SW4 = ON (resto a OFF). Los valores leídos sin nada conectado al pin es HIGH. La Resistencia R1 tiene un valor dependiendo del microcontrolador, pero tiene un valor entre 20kOhm y 150kOhm.
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,HIGH) –> SW2 = ON & SW1 = +5V (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una resistencia adecuada a la salida el pin para no superar los 40mA (source) máximos admitidos
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,LOW) –> SW2 = ON & SW1 = GND (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una adecuada para no superar los 40mA (sink) máximos admitidos

Entradas y Salidas Analógicas en Arduino

Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…

En arduino los pines analógicos se definen y tienen las propiedades siguientes: http://arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInputPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

Otras funciones interesantes con entradas/salidas analóicas:

PWM

Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.

Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras.

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)

En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos. Definición de PWM en la web de Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM

Ejemplos Entradas y Salidas Analógicas

Entradas y Salidas Analógicas

Leer el voltaje a la salida de un potenciómetro y sacarlo por consola. Conectar el potenciómetro en la entrada analógica A0, leer su valor e iluminar el LED en función del valor leído de forma proporcional mediante una salida analógica PWM.

Sacar por el serial plotter los valores de la entrada analógica, el valor en voltios y el valor aplicado al PWM.

Los valores de la lectura de la entrada analógica van de 0 para 0V hasta 1023 para 5V.

Los valores de la salida PWM van desde 0 para 0V hasta 255 para 5V.

Esquema de conexión:

Tutoriales:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio19-Analog

Smoothing

Usando el mismo esquema del ejercicio anterior, leer la entrada analógica llegada de un potenciómetro y sacar por el puerto serie la media de los últimas 10 lecturas. Luego hacer una transición más suave al escribir en el led usando el valor medio de las últimas 10 lecturas (pin PWM).

Ver los datos por el Serial Plotter.

Tutorial: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Smoothing

Resultado:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio20-Smoothing

Hacer una versión con más transición de forma que si cambia la media (outputValue) respecto del valor anterior aplicado, hacer una transición de 5 en 5 valores. Ver como en este caso el tiempo de loop aumenta por esta transición

Solución: poner a 1 MAS_TRANSICION en https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio20-Smoothing

Ejercicio propuesto: Hacer una versión del coche fantástico pero haciendo que haya un led encendido al 100% y los de al lado al 50% y los siguientes al 25%.

Generar Tonos

Ver el funcionamiento de la función tone() para generar notas. Tone() genera una onda cuadrada de una frecuencia específica y con un 50% de duty cycle en el pin especificado. La duración del tono puede ser especificado o en caso contrario continúa hasta llamar a la función noTone().

Solo un tono puede ser generado simultáneamente, si un tono ya se está ejecutando en otro pin, la llamada a tone() no tendrá efecto.

Para más información:

NOTA: no confundir tone con PWM. PWM tiene una frecuencia fija de 500Hz, por lo que entre línea verde y verde hay siempre 2ms. En el caso de tone la señal siempre tiene un duty cycle del 50%.

Esquema de conexión:

Tutoriales:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio21-tone

Hacer sonar la musica Star Wars con Arduino: http://miarduinounotieneunblog.blogspot.com.es/2016/01/banda-sonora-de-star-wars-con-un.html

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio22-Musica_StarWars

Grillo Digital

Proyecto de grillo digital: https://blog.arduino.cc/2016/08/02/the-most-incessant-and-annoying-arduino-project-ever/

Se usa la librería Volume para controlar el volumen de la función tone(): https://github.com/connornishijima/arduino-volume1

Código: https://github.com/connornishijima/arduino-volume1/tree/master/examples/volume_crickeduino_prank

Entradas y salidas analógicas. PWM

Una señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente y pueden tomar cualquier valor. En el caso de la corriente alterna, la señal analógica incrementa su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuye a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.

Un sistema de control (como un microcontrolador) no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertir las señales analógicas en señales digitales para poder trabajar con ellas.

La señal digital obtenida de una analógica tiene dos propiedades fundamentales:

En el caso de un arduino Uno, el valor de 0 voltios analógico es expresado en digital como B0000000000 (0) y el valor de 5V analógico es expresado en digital como B1111111111 (1023). Por lo tanto todo valor analógico intermedio es expresado con un valor entre 0 y 1023, es decir, sumo 1 en binario cada 4,883 mV.

Arduino Uno tiene una resolución de 10 bits, es decir, unos valores entre 0 y 1023.

Arduino Due tiene una resolución de 12 bits, es decir, unos valores entre 0 y 4095.

Diferencia entre señales analógicas y digitales:

Entradas Analógicas en Arduino

Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…

En arduino los pines analógicos se definen y tienen las propiedades siguientes: http://arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInputPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

Otras funciones interesantes con entradas/salidas analóicas:

Salidas Analógicas. PWM

Como hemos dicho Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.

Algunos pines digitales pueden usarse como salidas analógicas PWM:

Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras, sin embargo el Arduino Due sí tiene salidas analógicas puras mediante dos DAC. El arduino due, posee dos salidas analógicas puras mediante dos conversores digital a analógico. Estos pines pueden usarse para crear salidas de audio usando la librería correspondiente.

La función para hacer una salida PWM en un pin es:

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)

Diferentes valores de una señal PWM:

En este ejemplo se ve cómo simular con PWM una onda sinusoidal analógica.

En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos.

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, por ejemplo para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones.

Definición de PWM en la web de Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM

Para ampliar un poco más de información sobre PWM ver: http://rufianenlared.com/que-es-pwm/

Función Tone()

No confundir PWM con la función tone() que es utilizada para generar una onda cuadrada de ciclo de trabajo 50% y frecuencia variable, con el fin de emitir sonidos audibles, modificando la frecuencia.

Más información de tone() en: https://code.google.com/p/rogue-code/wiki/ToneLibraryDocumentation