Archivo de la categoría: Microcontrolador

Microcontroladores Arduino a Fondo

Un microcontrolador es un integrado capaz de ser programado desde un ordenador y seguir la secuencia programada.

Como vimos anteriormente, Arduino es una plataforma para programar de forma sencilla algunos microcontroladores de la familia AVR de Atmel http://es.wikipedia.org/wiki/AVR y también microcontroladores Atmel ARM Cortex-M0+ o Intel http://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/boardsandkits/curie/intel-curie-module-datasheet.pdf, y un hardware con ese MCU donde acceder físicamente a sus puertos.

Pero también Arduino y su entorno de programación se está convirtiendo en un estándar de facto para la programación de cualquier tipo de placas de desarrollo y prototipado, es decir, de otro tipo de microcontroladores no incluidos en los productos de Arduino. Gracias a la comunidad es posible programar otros microcontroladores de ST microelectronics o los ESP8266 y ESP32 de espressif http://espressif.com/ que podemos comprar con placas como la nodeMCU http://nodemcu.com/index_en.html o la bluepill http://wiki.stm32duino.com/index.php?title=Blue_Pill.

Puesto que Arduino es una plataforma open source disponemos de toda la documentación de los microcontroladores usados.

Por ejemplo, el microcontrolador de Arduino UNO es el ATmega328p y toda la documentación la tenemos en http://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p. El data sheet completo es un documento de 442 páginas que podemos ver en http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf. Cuando necesitemos más información o cómo funciona este microcontrolador debemos ir a este documento.

Como muestra de la documentación que tenemos disponible:

  • Página 34 tenemos el detalle de cómo se distribuye la memoria en el ATmega328p
  • Página 97 tiene en detalle los puertos digitales I/O y página 100 donde da el código para definir un pines a high y low y también como input pullup.
  • Página 436 tenemos los 3 encapsulados posibles para este microcontrolador
  • Página 316 nos muestra que este microcontrolador tiene un sensor de temperatura integrado y que es posible habilitarlo para leer su temperatura.
  • Página 378 se pueden ver los consumos de Arduino y la dependencia entre la frecuencia máxima de reloj y el Vcc.
  • Página 428 hay un resumen de todos los registros del microcontrolador y su dirección de memoria.

Cuando el microcontrolador ejecuta una instrucción que definimos en el sketch, internamente hace muchas operaciones y cada una de esas operaciones se ejecuta en un ciclo de reloj. Para el ATmega 328p que tiene una frecuencia de 16 MHz, es decir, cada ciclo tarda 0,0000000625 segundos = 0,0625 microsegundos = 62,5 nanosegundos

Así se ejecutaría una instrucción, en cada ciclo de reloj se ejecuta cada subinstrucción.

La importancia de conocer el ciclo de ejecución de instrucciones en un microcontrolador estriba en que en ocasiones es necesario calcular de forma precisa el tiempo de ejecución de los bucles para actuar en tiempo real.

Cálculos de la velocidad de las operaciones en Arduino: http://forum.arduino.cc/index.php?topic=200585.0

El método para calcular estas tablas está en http://forum.arduino.cc/index.php?topic=200585.0

Diferencia entre los microcontroladores de 8 bits, 16, y 32 bits, es tamaño de palabra que manejan e influye en los registros y direccionamiento de memoria: http://es.wikipedia.org/wiki/Palabra_(inform%C3%A1tica)

Este mismo análisis hecho con el ATmega328P, podemos hacerlo con otros microcontroladores:

Dentro de los microcontroladores, la tendencia es a usar MCUs de 32 bits con arquitectura ARM. La arquitectura ARM es el conjunto de instrucciones de 32 y 64 bits más ampliamente utilizado en unidades producidas. Concebida originalmente por Acorn Computers para su uso en ordenadores personales, los primeros productos basados ​​en ARM eran los Acorn Archimedes, lanzados en 1987.

La relativa simplicidad de los procesadores ARM los hace ideales para aplicaciones de baja potencia. Como resultado, se han convertido en dominante en el mercado de la electrónica móvil e integrada, encarnados en microprocesadores y microcontroladores pequeños, de bajo consumo y relativamente bajo costo. En 2005, alrededor del 98% de los más de mil millones de teléfonos móviles vendidos utilizaban al menos un procesador ARM. Desde 2009, los procesadores ARM son aproximadamente el 90% de todos los procesadores RISC de 32 bits integrados.

La arquitectura ARM es licenciable. Esto significa que el negocio principal de ARM Holdings es la venta de núcleos IP, estas licencias se utilizan para crear microcontroladores y CPUs basados ​​en este núcleo. ARM Cortex M es un grupo de procesadores RISC de 32 bits licenciados por ARM Holdings. La web oficial es http://www.arm.com/products/processors/cortex-m. Además existen otras familias de ARM: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ARM_microarchitectures

Más información:

Para saber más de microcontroladores, ver estos recursos:

AVR vs PIC:

Esquema lógico de Arduino

El funcionamiento interno de un microcontrolador se puede explicar con un diagrama de bloques o esquema lógico, donde se ven en cada bloque cada unidad interna del microcontrolador y cómo se comunica con el restos de unidades.

Arquitectura de microcontroladores: http://sistdig.wikidot.com/wiki:arquitectura

Diagrama de bloques simplificado de un microcontrolador. Se compone de tres bloques fundamentales: la CPU ( central Processing Unit), memoria (RAM y ROM) y las entrada y salidas. Los bloques se conectan entre sí mediante grupos de líneas eléctricas denominadas buses o pistas. Los buses pueden ser de direcciones (si transportan direcciones de memoria o entrada y salida), de datos (si transportan datos o instrucciones) o de control (si transportan señales de control diversas). La CPU es el cerebro central del microprocesador y actúa bajo control del programa almacenado en la memoria. La CPU se ocupa básicamente de traer las instrucciones del programa desde la memoria, interpretarlas y hacer que se ejecuten. La CPU también incluye los circuitos para realizar operaciones aritméticas y lógicas elementales con los datos binarios, en la denominada Unidad Aritmética y Lógica (ALU: Aritmetic and Logic Unit).

Diagramas de bloques de un microcontrolador PIC:

Diagrama de bloques de un microcontrolador AVR de Atmel, incluido el ATmega328p:

El sistema de reloj determina la velocidad de trabajo del microcontrolador. Con 16 MHZ se ejecuta una instrucción en 62,5 nanosegundos (1/16 Mhz), correspondiente a 1 ciclo de máquina. El microcontrolador tiene diferentes opciones de circuito de reloj tal como lo muestra la siguiente imagen:

En un registro interno del microcontrolador se encuentran 5 opciones diferentes de reloj que son seleccionadas por medio de un Multiplexor. De este multiplexor sale la señal de reloj, la cual pasa a través de un prescaler, este prescaler se puede utilizar para reducir la frecuencia, reducir el consumo de energía y mejorar la estabilidad de la señal de reloj.El factor del prescaler va de 1 a 256, en potencias de 2. En Arduino, por defecto está desactivado, por consiguiente trabaja a la frecuencia del oscilador externo.

La señal de reloj es distribuida por la unidad de control a los diferentes bloques existentes: la CPU, las memorias, los módulos de entrada/salida, los contadores/timers, el SPI y la USART, al igual que el conversor Análogo Digital ADC.

El microcontrolador ATmega328  tiene tres timers (timer 0, timer 1, timer 2) que también se pueden usar como contadores. Los timers 0 y 2 son de 8 bits y el timer 1 de 16. Estos timers tienen un módulo de preescalado para su propia señal de reloj que puede provenir de su sistema de reloj interno o por pines externos (modo contador).

Son módulos que funcionan en paralelo a la CPU y de forma independiente a ella. El funcionamiento básico consiste en aumentar el valor del registro del contador al ritmo que marca su señal de reloj.

Usando el reloj interno o un cristal externo puede ser utilizado para medir tiempos puesto que utiliza una señal periódica, precisa y de frecuencia conocida; mientras que si la señal viene de un pin externo puede contar eventos que se produzcan en el exterior y que se reflejen en cambios de nivel de tensión de los pines.

Estos contadores también forman parte del generador de señales PWM y permiten configurar tanto la frecuencia como el ciclo de trabajo.

Registros de memoria

Todos los microcontroladores tienen un conjunto de instrucciones que suele ser un conjunto pequeño al tratarse de arquitectura RISC. La CPU cuenta con ese número de instrucciones que sabe ejecutar.

El conjunto de instrucciones para los microcontroladores Atmel de 8 bits es: http://www.atmel.com/Images/Atmel-0856-AVR-Instruction-Set-Manual.pdf

En el caso del ATmega328p, tiene una arquitectura RISC con 131 instrucciones, la mayoría de ellas ejecutadas en un solo ciclo de reloj.

Más información sobre la ALU del Atmega328p en la página 25 de http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf  

Los registros son unas zonas concretas de la memoria RAM accesibles directamente desde la CPU o desde otros elementos del microcontrolador que permite hacer operaciones directamente y de forma más rápida.

Trabajar con registros de memoria puede ser difícil si sólo se escribe un programa en lenguaje ensamblador. Al utilizar el lenguaje de programación de alto nivel como es C basta con escribir el nombre del registro y su dirección de memoria, a partir de esa información, el compilador selecciona el registro necesario. Las instrucciones apropiadas para la selección del registro serán incorporadas en el código durante el proceso de la compilación.

Más información: https://en.wikipedia.org/wiki/Processor_register

La memoria RAM en el ATmega328p se divide en varias partes, todos los grupos de registros se ponen a cero al apagar la fuente de alimentación. La SRAM del 328p se distribuye de la siguiente forma:

Las primeras 32 localizaciones de la memoria son el fichero de registros (Register File). Las siguientes 64 localizaciones de memoria es la standard I/O memory y después las 160 siguientes localizaciones son la Extended I/O memory. Por último las siguientes 2K localizaciones son la memoria interna SRAM.

Las 5 diferentes modos de direccionamiento para los datos de memoria son:

  • Direct – The direct addressing reaches the entire data space.
  • Indirect with Displacement – The Indirect with Displacement mode reaches 63 address locations from the base address given by the Y- or Z-register.
  • Indirect – In the Register File, registers R26 to R31 feature the indirect addressing pointer registers.
  • Indirect with Pre-decrement – The address registers X, Y, and Z are decremented.
  • Indirect with Post-increment – The address registers X, Y, and Z are incremented.

Los 32 registros de propósito general, los 64 I/O Registers, los 160 Extended I/O Registers y los 2K bytes de SRAM interna en el dispositivo son todos accesibles mediante estos modos de direccionamiento.

Los registros de propósito general se utilizan para almacenar los datos temporales y los resultados creados durante el funcionamiento de la ALU. Los 32 General Purpose Working Registers están directamente conectados a la ALU, permitiendo ser accedidos dos registros de forma independiente en una sola instrucción ejecutada en un ciclo de reloj.

Seis de los 32 registros de propósito general pueden ser usados como 3 punteros de registros de 16-bit de acceso indirecto para direccionamiento del espacio de datos, habilitando cálculos eficientes de direcciones. Uno de estos punteros de dirección puede ser usado como un puntero de dirección para búsqueda en las memoria Flash del microcontrolador. Estos registros con funciones añadidas con los registros de 16-bit X-, Y- y Z-. Más información en la página 28 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Para más información ver página 35 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Los I/O registers localizados en las direcciones 0x20 a 0xFF, a diferencia de los registros de propósito general, su propósito es predeterminado durante el proceso de fabricación y no se pueden cambiar. Como los bits están conectados a los circuitos particulares en el chip (convertidor A/D, módulo de comunicación serial, etc), cualquier cambio de su contenido afecta directamente al funcionamiento del microcontrolador o de alguno de los circuitos. Esta es la forma en que a bajo nivel se interactúa por ejemplo con los pines del microcontrolador.

Un resumen de todos los registros I/O del ATmega328p se puede ver en la página 428 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Registros para:

Más información sobre registros y su uso en:

Práctica: Registros Arduino

Veamos algunos valores de los registros de Arduino con el sketch ShowInfo de http://playground.arduino.cc/Main/ShowInfo

Este sketch dispone de un menú que nos permite hacer varias operaciones, pulsar opción i (Show Information) y t (Timer Register Dump) para ver datos de los registros.

Este sketch es bastante complejo pero puede servir como plantilla cuando queramos acceder desde un sketch a un registro concreto.

Algunos detalles del sketch:

Solución Ejercicio 05: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio05-showInfo

Práctica: Temperatura Interna Microcontrolador

La mayoría de los nuevos chips AVR (utilizados en el Arduino) tiene un sensor de temperatura interno. No suele utilizarse, ya que no es exacta. Sin embargo, hay varias situaciones en las que se puede utilizar este sensor.

La temperatura interna es la temperatura dentro del chip, al igual que la temperatura de la CPU de un ordenador. Si el Arduino no está durmiendo, esta temperatura aumentará. Si los pines de salida se utilizan para dar corriente (por ejemplo encender leds) la temperatura interna aumenta más. Esta temperatura no puede usarse para medir la temperatura ambiente.

En situaciones con altas temperaturas una lectura de temperatura calibrada podría evitar daños. La mayoría de los chips AVR más recientes tienen un rango de temperatura de hasta 85 grados Celsius. Esta funcionalidad podría utilizarse para apagarse a 80 grados Celsius.

Más información: http://playground.arduino.cc/Main/InternalTemperatureSensor

Ejecutar el sketch leer y entender lo que hace y probarlo. Comparar con otros Arduinos y calibrar.

Ver en la página 306 y 316 de la documentación del microcontrolador: http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

La función GetTemp() es la que calcula la temperatura. Para ello configura la referencia interna del conversor analógico digital y lo habilita. Luego lee el dato del ADC mediante el registro ADCW y hace el cálculo para obtener la temperatura.

Como el offset puede variar de una MCU a otra, para calibrar, lo mejor es leer la temperatura de una placa fría y comparar con la temperatura exterior.

Solución Ejercicio 06: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio06-InternalTemperature

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Microcontrolador vs Microprocesador

Diferencia principal entre un microcontrolador (Arduino) y un microprocesador (Raspberry Pi) son las capacidades de entradas y salidas, así como el rendimiento de la CPU.

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

Un resumen de como funciona una MCU y como agregar un programa: http://www.electronicaestudio.com/microcontrolador.htm que es diferente a como funciona un microprocesador como los que tenemos en nuestro ordenador o portatil.

Para programación en tiempo real el HW a utilizar es el Arduino, para programación intensiva con gran cantidad de datos usaríamos una Raspberry Pi o un PC.

En un proyecto grande la elección es usar ambos, cada uno en la tarea que mejor hace. 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 un ordenador o una raspberry pi o similar.

Diferencias entre el microprocesador y el microcontrolador, características al usarlos en la implementación de sistemas digitales programables:

  • CPU
  • Memorias RAM y ROM
  • Velocidad de Operación
  • Tamaño
  • Costes
  • Interferencias (ruido)
  • Tiempo de desarrollo

El uso de una u otra tecnología depende del fin que se espera, pues debido a sus características propias, los microcontroladores y los microprocesadores pueden adquirir variados y diferentes espacios de implementación, por ejemplo, los microprocesadores se han desarrollado fundamentalmente orientados al mercado de los ordenadores personales y las estaciones de trabajo, pues allí se requiere una elevada potencia de cálculo, el manejo de gran cantidad de memoria y una gran velocidad de procesamiento. Mientras que los microcontroladores están concebidos fundamentalmente para ser utilizados en aplicaciones puntuales, es decir, aplicaciones donde el microcontrolador debe realizar un pequeño número de tareas, al menor costo posible. En estas aplicaciones el microcontrolador ejecuta un programa almacenado permanentemente en su memoria, el cual trabaja con algunos datos almacenados temporalmente e interactúa con el exterior a través de las líneas de entrada y salida de que dispone.

Microprocesadores Microcontroladores
CPU El microprocesador tiene mucha más potencia de cálculo, por lo cual solamente realiza sus funciones con lo que tiene (datos) y su algoritmo o programa establecida. Es una de sus partes principales, la cual se encarga de dirigir sus operaciones.
Memorias RAM y ROM Son dispositivos externos que lo complementan para su óptimo funcionamiento. Las incluye en un solo circuito integrado.
Velocidad de Operación Rápida Lenta en comparación con la de un microprocesador
Tamaño La configuración mínima básica de un Microprocesador está constituida por un Microprocesador, una memoria RAM, una memoria ROM, un decodificador de direcciones, lo cual lo convierte en un circuito bastante engorroso. El Microcontrolador incluye todo estos elementos en un solo Circuito Integrado por lo que implica una gran ventaja en varios factores,  como por ejemplo, la disminución en el tamaño del circuito impreso por la reducción de los circuitos externos.
Costos Para el Microprocesador, el costo es muy alto en la actualidad. El costo para un sistema basado en Microcontrolador es mucho menor.
Interferencias Son más susceptibles a la interferencia electromagnética debido a su tamaño y a su cableado externo que lo hace más propenso al ruido. El alto nivel de integración reduce los niveles de interferencia electromagnética
Tiempo de desarrollo El tiempo de desarrollo de un microprocesador es lento. Por el contrario, el de un microcontrolador es rápido.

Un buen curso sobre microcontroladores es accesible desde http://www.itescam.edu.mx/portal/asignatura.php?clave_asig=MTF-1021&carrera=IMCT-2010-229&id_d=206. Se trata de una asignatura de microcontroladores.

Más información sobre microcontroladores: https://sites.google.com/site/electronicscience20/Micro/pic-asembler/2-microcontroladores

Raspberry Pi es un ordenador de placa reducida o (placa única) (SBC) de bajo coste, desarrollado en Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi. El diseño incluye un System-on-a-chip Broadcom BCM2837, que contiene un procesador central (CPU) ARM1176JZF-S a 1.2 GHz quad-core ARMv8, un procesador gráfico (GPU) VideoCore IV, y 1GB de memoria RAM.

Los sistemas operativos soportados son distribuciones Linux para arquitectura ARM, Raspbian (derivada de Debian), RISC OS 5, Arch Linux ARM (derivado de Arch Linux) y Pidora (derivado de Fedora)

Web principal: http://www.raspberrypi.org/

Especificaciones técnicas: http://es.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi#Especificaciones_t.C3.A9cnicas

El System-on-a-chip Broadcom BCM2835: http://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf

Raspberry Pi:

GPIO:

También intel saca su alternativa a raspberry: http://www.intel.es/content/www/es/es/do-it-yourself/edison.html

Más información: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/06/25/arduino-vs-raspberry-pi-2/

Un sketch de Arduino no es un sistema operativo: https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_operativo. Un sistema operativo es un programa o conjunto de programas de un sistema informático que gestiona los recursos de hardware y provee servicios a los programas de aplicación de software, ejecutándose en modo privilegiado respecto de los restantes (aunque puede que parte de él se ejecute en espacio de usuario)

Se puede decir que el sketch de Arduino es la aplicación que gestiona directamente los recursos de HW sin necesidad de un SO o un kernel intermedio.

En el caso de raspberry Pi, el programa o sketch se ejecuta como una aplicación sobre un sistema operativo y para interaccionar con el HW necesita de la interacción con el sistema operativo.

Para entender qué es el microcontrolador dentro de Arduino, leer: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/02/25/como-conseguir-un-arduino-gratis/

¿Podría convertir un arduino en un ordenador? ¿Cómo? ¿Es práctico?. Arduino como un ordenador:

También es posible convertir un ordenador en un microcontrolador http://www.instructables.com/id/HackTurn-PC-into-a-microcontroller-for-free/?ALLSTEPS

Microcontroladores 8 bits y 32 bits

A principios de 1970 TI produjo el primero de los microcontroladores el TMS 1000. Aunque Intel hizo anteriormente el microcontrolador de 4 bits Intel 4004, necesitaba de una circuitería externa para funcionar, por lo que el TMS 1000 es considerado el primer microcontrolador completo en un chip.

El tamaño de la palabra es un aspecto importante en la arquitectura de procesadores. La mayoría de los registros de un Microprocesador/Microcontrolador tienen el tamaño de la palabra y las operaciones que hace la ALU es manejando operandos cuyo tamaño es el tamaño de la palabra, así como la cantidad de datos transferidos a memoria y dirección utilizada para designar una localización de memoria a menudo ocupa una palabra.

El tamaño de palabra de un microprocesador/microcontrolador influye principalmente en el tamaño de datos que puede manejar y la cantidad de memoria RAM que puede usar, así como la velocidad de procesamiento.

También los valores que pueden tomar las variables dependen del tamaño de la palabra. http://es.wikipedia.org/wiki/Palabra_%28inform%C3%A1tica%29

Arduinos con procesadores de 8 bits:

Arduinos o compatibles con procesadores de 32 bits:

Qué es Arduino y Hardware 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.

En palabras de David Cuartielles: “Actualmente todo lo que nos rodea en la vida es digital (entendido como hacer operaciones matemáticas complejas y comunicar con otros dispositivos), cualquier cosa lleva un microchip, desde el microondas a un coche. Arduino lleva uno de esos microchips y te permite aprender a manejar como funciona el mundo en el que vivimos hoy en día y cómo interactúa el hombre con el mundo digital. Arduino es la puerta hacia tomar control de cómo funcionan las cosas actualmente y en el futuro. Así que encender el ordenador y empezar a programar.

El hardware de Arduino 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, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez, pero se está ampliando a microcontroladores Atmel con arquitectura ARM y también Intel.

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

El software hecho para Arduino es portable, es decir, el mismo firmware que hemos hecho para un Arduino/Microcontrolador, sirve para otras placas Arduino u otras placas compatibles Arduino como el ESP8266.

Arduino promete ser una forma sencilla de realizar proyectos interactivos para cualquier persona. Para alguien que quiere hacer un proyecto, el proceso pasa por 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. 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, conectándose a dispositivos e interactuar tanto con el hardware como con el software. Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz existente es una habitación, 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 o mostrar por un display lo tecleado.

Con Arduino  es posible automatizar cualquier cosa para hacer agentes autónomos (si queréis llamarles Robots también). Controlar luces y dispositivos, o cualquier otra cosa que se pueda imaginar, es posible optar por una solución basada en Arduino. Especialmente en desarrollos de dispositivos conectados a Internet, Arduino es una solución muy buena.

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…

Definición de Arduino en la web oficial: https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

Otras definiciones de 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

Primer Arduino:

Arduino simplifica el trabajo con microcontroladores y ofrece las siguientes ventajas: barato, multiplataforma, entorno de programación sencillo, software libre y extensible mediante librerías en C++, hardware libre y extensible.

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

Diez razones para usar Arduino: http://www.modulo0tutoriales.com/10-razones-para-usar-arduino/

Importancia de Arduino en el mundo Hardware

Arduino y por extensión el hardware libre se ha convertido en un elemento importante no solo en el mundo maker sino también el la industria de fabricación de hardware.

Este enlace hace un estudio del estado de la industria del hardware en 2016. Más empresas están desarrollando productos innovadores y tenemos disponibles mejores herramientas para el prototipado y fabricación. El acceso a esas herramientas y el conocimiento alrededor de ellas es cada vez más universal. De estas herramientas destaca Arduino, Raspberry Pi y las impresoras 3D.

Enlace: http://blog.fictiv.com/posts/2016-state-of-hardware-report

Cabe destacar de este estudio que el 56% de las empresas usan Arduino como herramienta eléctrica de prototipado y el 91% de las empresas usan impresoras 3D como herramienta mecanica de prototipado.

Otra encuesta de hackster.io que muestra la importancia de Arduino: https://blog.arduino.cc/2016/07/06/the-worlds-largest-maker-survey-results-are-out/

Arduino también se está utilizando ampliamente en la docencia y en la investigación. Pero Arduino empezó como herramienta sencilla para artistas y usarlo en sus obras de arte, ejemplo de uso de Arduino en el Arte https://vimeo.com/149774067

¿Es Arduino un Juguete destinado a Makers?

Definitivamente NO, Arduino es una herramienta de prototipado accesible y barata que puede ser usada por profesionales para desarrollar aplicaciones profesionales.

Poner un Arduino en un producto comercial no es recomendable, pero sí usarlo como una herramienta de desarrollo y prototipado.

Además Arduino puede ser una herramienta para desplegar aplicaciones, hacer desarrollos internos o como sistema de monitorización dentro de una empresa de una forma sencilla y económica. Instalar un sistema con Arduino con decenas de sondas de consumo a lo largo de una empresa para detectar puntos de exceso consumo eléctrico y como elemento de eficiencia energética, es sencillo y económico usando por ejemplo un proyecto open source como https://openenergymonitor.org/

Veamos un ejemplo de una empresa riojana. Zapatillas de ciclismo John Luck con medidor de potencia de pedalada.

Presentación en el Eurobike del 2014:

Colaboración con el Centro Tecnológico del Calzado de La Rioja (CTCR)

Elementos montados que se ven en la imagen:

Campaña en kickstarter de un producto con otro concepto pero con el mismo objetivo: https://www.kickstarter.com/projects/brimbrothers/the-worlds-first-wearable-power-meter-for-cyclists. Más información: http://omicrono.elespanol.com/2016/02/medidor-potencia-en-zapatillas/  

Producto oficial lanzado en 2017:

El producto final ya no es un Arduino lógicamente, pero Arduino ha sido usado para el desarrollo de un producto comercial.

Antes de Arduino

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.

Tabla de comparación de los microcontroladres Basic Stamp: https://www.parallax.com/sites/default/files/downloads/BASICStampComparisonChart-0114.pdf

Lenguaje de programación Pbasic: http://en.wikipedia.org/wiki/PBASIC

Guia de incio muy intersante de parallax para inicio con Basic Stamp: http://www.rambal.com/descargas/libros/WAM-v3.0-Spanish-v1.0.pdf

Placas de desarrollo con Basic Stamp: https://www.parallax.com/catalog/microcontrollers/basic-stamp/boards

Ejemplo de domotica con basic stamp: http://www.aprenderobotica.com/m/group/discussion?id=4310109%3ATopic%3A947

Interesante comparación entre Basic stamp y arduino: http://todbot.com/blog/2006/09/25/arduino-the-basic-stamp-killer/

Filosofía Arduino

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/

IoT Manifesto: https://create.arduino.cc/iot/manifesto/

We believe that the best way to grow this environment is to develop open source platforms and protocols to propose as an alternative to the myriad of proprietary hardware and software platforms each one of the big players are developing.
We believe in creating tools that make these technologies understandable to the most diverse set of people as possible, this is the only way to make sure innovation benefits most of humanity.
We propose that connected devices should be: Open, Sustainable and Fair.

We foresee a world with billions of connected smart objects. These smart objects will be composed and orchestrated, thus making the Internet of Things a reality. The IoT will be the eyes, noses, arms, legs, hands of a new, extended, cyber body. The nervous system of such a body will be the Internet, allowing the interaction with a distributed intelligence made of hardware processors and human minds, behaviors, software procedures, and services, shared in the Cloud.

HW IoT

Esta conferencia sobre IoT con Arduino fue expuesta el 1 de abril de 2017 con motivo del Arduino Day. Puedes ver el video de la conferencia completa en http://www.innovarioja.tv/index.php/video/ver/1661


Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior.

El primer elemento, el que está más cerca de las “cosas” es el HW que se encarga de medir e interactuar con las “cosas” y procesar esos datos:

El elemento HW programable capaz de interactuar con estos dispositivos es el microcontrolador o el microprocesador.

El HW libre por excelencia es Arduino como microcontrolador y Raspberry Pi como microprocesador, con menor potencia física pero mayor potencia de cálculo.

Dentro del HW libre no solo debemos quedarnos con Arduino, sino que existen otros dispositivos compatibles que se programar igual que Arduino:

Y muchas más que aparecen cada día.

No solo para prototipos, PLC basado en Arduino: https://www.industrialshields.com/

Qué es Arduino

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

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

¿Para qué sirve Arduino? Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, conectándose a dispositivos e interactuar tanto con el hardware como con el software. Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz existente es una habitación, 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 pasar por un display lo tecleado.

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

HW Arduino

El HW de Arduino es básicamente una placa con un microcontrolador. 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.

Arduino dispone de una amplia variedad de placas y shields para usar dependiendo de nuestras necesidades.

Las shields son placas de circuitos modulares que se montan unas encima de otras para dar funcionalidad extra a un Arduino. Esta Shields son apilables.

Las shields se pueden comunicar con el arduino bien por algunos de los pines digitales o analógicos o bien por algún bus como el SPI, I2C o puerto serie, así como usar algunos pines como interrupción. Además estas shields se alimenta generalmente a través del Arduino mediante los pines de 5V y GND.

Cada Shield de Arduino debe tener el mismo factor de forma que el estándar de Arduino con un espaciado de pines concreto para que solo haya una forma posible de encajarlo.

Las placas y shields oficiales de Arduino pueden verse en:

Cabe destacar alguna placas Arduino:

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

Es con mucha diferencia el más potente y el que más pines i/o tiene, apto para trabajos ya 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 MKR1000https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoMKR1000
    Versión para IoT con procesador Atmel ARM Cortex M0+ de 32bits ATSAMW25 que es el mismo procesador que Genuino Zero pero con wifi integrado, chip de cifrado y antena integrada.

  • Arduino Yun – http://www.arduino.org/products/boards/4-arduino-boards/arduino-yun
    Con MCU Atmel AVR de 8 bits ATmega32U4 y procesador MIPS Qualcomm Atheros AR9331 a 400 MHz con wifi integrado y SO linux Linino basado en OpenWRT y ethernet. Su principal característica es la capacidad de comunicar la MCU con el SO linux mediante un puerto serie interno.

Placas Compatibles Arduino

El HW Arduino no solo se queda en las placas oficiales, sino que en los últimos años han aparecido muchas placas de prototipado basadas en los mismos o diferentes microcontroladores que bien por acuerdos con Arduino, por los propios fabricante de los microcontroladores o por la propia comunidad de usuarios, estas placas tienen soporte del IDE de Arduino y es posible programarlas como el resto de Arduinos oficiales con el mismo lenguaje de programación.

Placas no oficiales Arduino con soporte para el IDE de Arduino son: https://github.com/arduino/Arduino/wiki/Unofficial-list-of-3rd-party-boards-support-urls

Cabe destacar las siguientes placas no oficiales:

SW Arduino

El software de Arduino es un IDE, entorno de desarrollo integrado (siglas en inglés de Integrated Development Environment). Es un programa informático compuesto por un conjunto de herramientas de programación.

El IDE de Arduino es un entorno de programación que ha sido empaquetado como un programa de aplicación; es decir, consiste en un editor de código, un compilador, un depurador y un constructor de interfaz gráfica (GUI). Además incorpora las herramientas para cargar el programa ya compilado en la memoria flash del hardware.

Es destacable desde la aparición de la versión 1.6.2 la incorporación de la gestión de librerías y la gestión de placas muy mejoradas respecto a la versión anterior y los avisos de actualización de versiones de librerías y cores.

Todos lo cambios en la versiones pueden verse en: https://www.arduino.cc/en/Main/ReleaseNotes

Código fuente del IDE de Arduino está disponible en: https://github.com/arduino/Arduino/  y las instrucciones para construir el IDE desde código fuente pueden verse en: https://github.com/arduino/Arduino/wiki/Building-Arduino

Podemos también ver los problemas/bugs detectados de la versión actual y hacer un seguimiento de ellos en: https://github.com/arduino/Arduino/issues

La dirección para descargarse el IDE de Arduino es: https://www.arduino.cc/en/Main/Software

Además del IDE instalado en local, hay disponible un IDE on-line dentro del entorno Arduino Create https://create.arduino.cc/ que es una plataforma on-line integrada que permite escribir código, acceder a contenido, configurar placas y compartir proyectos, muy enfocado al Internet de las Cosas (IoT).

También existen otros IDEs alternativos como Atmel Studio http://www.atmel.com/Microsite/atmel-studio

Comunidad Arduino

Un factor del éxito de Arduino ha sido la comunidad que está apoyando este proyecto y que día a día publica nuevo contenido, divulga y responde a las dudas.

En Internet hay disponible todo tipo de cursos, tutoriales, herramientas de consulta, proyectos, etc… que ayudan a que se pueda usar Arduino con facilidad.

El primer sitio donde empezar para trabajar con Arduino es http://www.arduino.cc/ y el segundo sitio el playground de Arduino http://playground.arduino.cc/

Arduino playground es un wiki donde todos los usuarios de Arduino pueden contribuir. Es el lugar donde publicar y compartir código, diagrama de circuitos, tutoriales, trucos, cursos, etc.. y sobretodo el lugar donde buscar cuando tengamos dudas, un problema, una librería adecuada para nuestro proyecto, etc… Esa la base de datos de conocimiento por excelencia de Arduino.

También existen lugares no oficiales de Arduino donde resolver nuestras dudas:

Otro lugar de encuentro de la comunidad son diversos portales donde se publican proyectos con Arduino:

Por último, también hay espacios locales para la comunidad, son los llamados hacklabs hackerspace, makerspace, etc.. que aunque hay ciertas diferencias entre unos y otros, se trata de un sitio físico donde gente con intereses en ciencia, nuevas tecnologías, y artes digitales o electrónicas se puede conocer, socializar y colaborar. Puede ser visto como un laboratorio de comunidad abierta, un espacio donde gente de diversos trasfondos puede unirse. Pone al alcance de aficionados y estudiantes de diferentes niveles la infraestructura y ambiente necesarios para desarrollar sus proyectos tecnológicos.

Un ejemplo de ello es el URmaker: http://www.unirioja.es/urmaker/

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, 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 funcionalidades diferentes.

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

  • Número de entradas y salidas disponibles 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.
  • Como se ejecuta la aplicación del usuario

Raspberry Pi:

Arduino:

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 usar un autómata o un ordenador.

Comparativa:

Conexiones Raspberry Pi:

Conexiones Arduino:

IMPORTANTE: Todos los pines de Raspberry Pi tienen un nivel lógico de 3.3V incluido puerto serie, bus I2C y SPI. Los 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.