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Entradas y salidas Digitales

Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada.

Más información:

Los sistemas digitales, como por ejemplo un microcontrolador, usan la lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low, respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa.

Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente. En una señal digital, se denomina flanco a la transición del nivel bajo al alto (flanco de subida) o del nivel alto al bajo (flanco de bajada).

Características de las Señales Digitales

Flanco vs Pulso

Periodo, ancho de pulso, flancos

Tipos de señales digitales

  • Discreta: puede tomar un conjunto de valores
  • Binaria: Encendido (1) – Apagado (0)

Tecnologías de construcción

Arduino trabaja con tecnología TTL (transistor-transistor logic): http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_TTL

Características

  • Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5,25V. Normalmente TTL trabaja con 5V.
  • Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
  • La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz.
  • Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin graves pérdidas).

Tecnología CMOS: https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_complementario_de_%C3%B3xido_met%C3%A1lico

Comparación TTL y CMOS: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/2D038D3AE1C35011862565A8005C5C63

Los nuevos arduinos basados en procesadores ARM de 32 bits, usan tecnología TTL a 3.3V

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

Más información sobre pullup resistors: https://learn.sparkfun.com/tutorials/pull-up-resistors

En el caso que el pin esté configurado como OUTPUT, hay diferencia entre sink (recogida de corriente) y source (fuente de corriente) de un pin digital configurado como salida.

En el primer caso para encender el LED debo poner digitalWrite() a HIGH y en el segundo a LOW

    

En el caso que el pin de entrada esté configurado como INPUT. Cuando el botón no está pulsado, en el primer caso leo digitalRead() un valor HIGH y en el segundo LOW y cuando pulso el botón, en el primer caso leo digitalRead() un valor LOW y en el segundo HIGH. Como véis, dependiendo de la configuración de lo conectado cambia lo leído. Estas configuraciones se denominan resistencias de pull up y resistencia de pull down respectivamente.

En el caso que el pin de entrada configurado como INPUT_PULLUP. Si el botón no está pulsado leo HIGH (no se producen lecturas aleatorias con el pin al aire) y cuando pulso el botón leo LOW. Esta es la mejor forma de leer entradas digitales sin necesidad de poner elementos externos a Arduino.

Más información sobre como usar las internal pullups: https://www.baldengineer.com/arduino-pull-ups.html

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Contador de pulsos

NOTA: para todas estas prácticas, usamos un botón conectado al pin digital 2 configurado como INPUT_PULLUP. En este caso al leer el pin 2 digitalRead(2) me devuelve 1 cuando no está pulsado el botón (abierto) y me devuelve 0 cuando está pulsado el botón (cerrado)

Práctica: Usar la resistencia interna de pull up de Arduino para detectar la pulsación de un botón (leer estado de una entrada digital) y encender el led 13 (integrado en placa) cuando tenga pulsado el botón y apagarlo cuando lo libere. Adicionalmente sacar por el monitor serie el estado de pulsación del botón con un 1 o un 0, de esta forma abriendo el Serial Plotter es posible ver la señal que recibe Arduino.

Tutorial: http://arduino.cc/en/Tutorial/InputPullupSerial

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio08-pullup

NOTA: Ver efecto de la diferencia del tiempo de loop cuando pulso o no pulso el botón debido a el Serial.println que se ejecuta al pulsar el botón. Ver ejercicio https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio08-pullup_tiempo

NOTA: Si el tiempo de loop es muy largo podemos perder pulsaciones rápidas.

Práctica: Modificar el ejemplo anterior pero en lugar de mantener pulsado el botón para encender el led, con una pulsación enciende y con otra apaga el led. Ahora el led ponerlo en el pin 10 en lugar del 13. Detectar flancos para encender y apagar.

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio08-pullup_interruptor

Práctica: Modificar el ejemplo anterior para contar el número de veces que se pulsa un botón detectando flancos ascendentes o descendentes y sacarlo por el monitor serie. Adicionalmente encender o apagar el led cada vez que haya 4 pulsaciones del botón.

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio09-cuentapulsos

Solución a los rebotes

Práctica: Añadir una solución a los rebotes. Los rebotes son las falsas pulsaciones que se producen al hacer falsos contactos en el interruptor.

Más información https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Debounce

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio08-pullup_interruptor_rebote

Otra forma de solucionar los rebotes por código: http://miarduinounotieneunblog.blogspot.com.es/2016/01/pulsador-antirrebote-con-contador-de.html

Solucionar rebotes por HW:

Calculadora de valores para debouncing: http://protological.com/debounce-calaculator/

Práctica avanzada: 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.

Esquema de conexión:

Tutoriales:

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio10-tone

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/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercio51-Musica_StarWars

Contador de pulsos

Práctica: Usar la resistencia interna de pull up de Arduino para detectar la pulsación de un botón (leer estado de una entrada digital) y encender un led cuando tenga pulsado el botón. Adicionalmente sacar por el monitor serie el estado de pulsación del botón

Tutorial: http://arduino.cc/en/Tutorial/InputPullupSerial

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio08-pullup

Práctica: Modificar el ejemplo anterior para contar el número de veces que se pulsa un botón detectando flancos ascendentes o descendentes y sacarlo por el monitor serie. Adicionalmente encender o apagar el led cada vez que haya 4 pulsaciones del botón.

Tutorial: http://arduino.cc/en/Tutorial/ButtonStateChange

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio09-cuentapulsos

Añadir una solución a los rebotes que se dan con el código del ejercicio 9.

Solución a los rebotes: http://miarduinounotieneunblog.blogspot.com.es/2016/01/pulsador-antirrebote-con-contador-de.html o via HW con un condensador.

Práctica avanzada: 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.

Esquema de conexión:

Tutoriales:

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio10-tone