Tema: Comunicaciones digitales con Arduino

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1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Interfaces y Periféricos Tema: Comunicaciones digitales con Arduino Objetivos Específicos. Describir las comunicaciones electrónicas y su programación en Arduino. 2. Conectar un dispositivo con bluetooth con Arduino para manejo remoto. 3. Comunicar datos desde Arduino a computadora con protocolo RS Comunicar datos entre tarjetas Arduino utilizando protocolo I2C. Material y Equipo No Cantidad Descripción varios Una computadora con sistema operativo Linux o Windows y con el programa Arduino IDE instalado Cable USB (tipo A hacia tipo B) Tarjeta Arduino UNO R2 o R3 Módulo MAX232 para comunicación con computadora cable serial plano Resistencias de 4.7K Breadboard Pinza Cortadora Cables UTP Introducción Teórica Debido a que Arduino UNO R3 tiene un microcontrolador ATMEGA 328 como núcleo principal, posee diversas formas de comunicarse con el exterior, permitiendo a una computadora utilizar esta interfaz para escribir y leer datos de dispositivos ya no de forma paralela, sino serial, empleando una, dos o tres líneas enviar y recibir datos por tramas a sensores de temperatura que entregan su valor con protocolo RS-232, SPI, I2C, One Wire, etc. A continuación se describen algunas de las características de los protocolos de comunicación digital: El puerto serial de las computadoras es conocido como puerto RS-232, la ventaja de este

2 2 Interfaces y Periféricos, Guía 4 puerto es que todas las computadoras traen al menos un puerto serial, este permite las comunicaciones entre otros dispositivos tales como otra computadora, el mouse, impresora y para nuestro caso con los microcontroladores. Existen dos formas de intercambiar información binaria: la paralela y la serial. La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultánea, por lo tanto la velocidad de transferencia es rápida, sin embargo tiene la desventaja de utilizar una gran cantidad de líneas, por lo tanto se vuelve mas costoso y tiene la desventaja de atenuarse a grandes distancias, por la capacitancia entre conductores así como sus parámetros distribuidos. Tipos de Comunicaciones Seriales: La Existen dos tipos de comunicaciones seriales: la síncrona y asíncrona En la comunicación serial síncrona además de una línea sobre la cual se transmitirán los datos se necesita de una línea que lleve los pulsos de reloj que indicarán cuando un dato es válido o está en sincronía. Ejemplos de este tipo de comunicación son: I2C ONE WIRE SPI En la comunicación serial asíncrona, no son necesarios los pulsos de reloj. La duración de cada bit está determinada por la velocidad con la cual se realiza la transferencia de datos. La siguiente figura muestra la estructura de una carácter que se transmite en forma serial asíncrona. Figura. Esquema de trama de comunicación serial asíncrona. Normalmente cuando no se realiza ninguna transferencia de datos, la línea del transmisor se encuentra en estado de espera (idle) este quiere decir en estado alto. Para iniciar la transmisión de datos, el transmisor coloca esta línea en bajo durante determinado tiempo, lo cual se le conoce como bit de arranque (start bit) y a continuación empieza a transmitir con un intervalo de tiempo los bits correspondientes al dato, empezando siempre por el BIT menos significativo (LSB), y terminando con el BIT mas significativo. Si el receptor no está sincronizado con el transmisor, este desconoce cuándo se van a recibir los datos. Por lo tanto el transmisor y el receptor deberán tener los mismos parámetros de velocidad, paridad,

3 3 numero de bits del dato transmitido y de BIT de parada. En los circuitos digitales, cuyas distancias son relativamente cortas, se pueden manejar transmisiones en niveles lógicos TTL (0-5V), pero cuando las distancias aumentan, estas señales tienden a distorsionarse debido al efecto capacitivo de los conductores y su resistencia eléctrica. El efecto se incrementa a medida que se incrementa la velocidad de la transmisión. Todo esto origina que los datos recibidos nos sean igual a los datos transmitidos, por lo que nos e puede permitir la transferencia de datos. Una de las soluciones mas lógica es aumentar los márgenes de voltaje con que se transmiten los datos, de tal manera que las perturbaciones a causa de la línea se pueden corregir. La Norma RS-232 Ante la gran variedad de equipos, sistemas y protocolos que existen surgió la necesidad de un acuerdo que permitiera a los equipos de varios fabricantes comunicarse entre si. La EIA (Electronics Industry Association) elaboró la norma RS-232, la cual define la interfaz mecánica, los pines, las señales y los protocolos que debe cumplir la comunicación serial. Todas las normas RS-232 cumplen con los siguientes niveles de voltaje: - Un lógico es un voltaje comprendido entre 5v y 5v en el transmisor y entre -3v y 25v en el receptor. - Un 0 lógico es un voltaje comprendido entre +5v y +5v en el trasmisor y entre +3v y +25v en el receptor. El envío de niveles lógicos (bits) a través de cables o líneas de transmisión necesita la conversión a voltajes apropiados. En los microcontroladores para representar un 0 lógico se trabaja con voltajes inferiores a 0.8v, y para un lógico con voltajes mayores a 2.0V. En general cuando se trabaja con familias TTL y CMOS se asume que un 0 lógico es igual a cero Volts y un lógico es igual a cinco Volts. La importancia de conocer esta norma, radica en los niveles de voltaje que maneja el puerto serial del ordenador, ya que son diferentes a los que utilizan los microcontroladores y los demás circuitos integrados. Por lo tanto se necesita de una interfaz que haga posible la conversión del niveles de voltaje a los estándares manejados por los CI TTL. El Circuito MAX-232 Este circuito soluciona los problemas de niveles de voltaje cuando se requiere enviar unas señales digitales sobre una línea RS-232. Este chip se utiliza en aquellas aplicaciones donde no se dispone de fuentes dobles de +2 y 2 Volts. El MAX 232 necesita solamente una fuente de +5V para su operación, internamente tiene un elevador de voltaje que convierte el voltaje de +5V al de doble polaridad de +2V y 2V. Cabe mencionar que existen una gran variedad de CI que cumplen con la norma RS-232 como lo son: MAX220, DS4C232, MAX233, LT80A. Comunicaciones síncronas:

4 4 Interfaces y Periféricos, Guía 4 Un circuito interintegrado (I²C, del inglés Inter-Integrated Circuit) es un bus serie de datos desarrollado en 982 por Philips Semiconductors (hoy NXP Semiconductors). Se utiliza principalmente internamente para la comunicación entre diferentes partes de un circuito, por ejemplo, entre un controlador y circuitos periféricos integrados. El sistema original fue desarrollado por Philips a principios de 980 con el fin de controlar varios chips en televisores. Desde mediados de 990 el I²C también es utilizado por algunos competidores para designar los sistemas compatibles I²C Philips, incluyendo Siemens AG (posteriormente Infineon Technologies AG), NEC, STMicroelectronics, Motorola (Freescale más adelante), Intersil, etc. Hay un total de mil circuitos integrados diferentes de más de 50 fabricantes (según datos de 204). Figura 2. Ejemplo de conexión en protocolo I2C. Protocolo de dos hilos de control, uno para transmitir los datos (SDA) y el reloj asíncrono (SCL) que indica cuando leer los datos. Más GND y 5V (cuando se requiera). Cada dispositivo conectado al bus I2C y cada uno tiene su dirección exclusiva, de 7 bits, (Asi que, en teoría, podemos conectar 2 7 = 28, dispositivos). Uno de estos componentes, debe actuar como master, es decir controla el reloj. No se requiere una velocidad de reloj estricta, ya que es el master quien controla el Clock. Es multi master, el master puede cambiar, pero solo uno puede estar activo a la vez, y proporciona un protocolo de arbitraje y detección de colisiones. Atmel introdujo por motivos de licencia la designación TWI (interfaz de dos hilos) actualmente utilizada por algunos otros fabricantes. Desde el punto de vista técnico, TWI e I²C son idénticos. Sin embargo, el de octubre 2006, la patente original caducó, así que ya no hay derechos de autor para el uso del término I²C.

5 5 Procedimiento Parte : Comunicación serial asíncrona por puerto RS232 de la computadora con Arduino. Abra el Arduino IDE y vaya al menú Archivo>Ejemplos>SoftwareSerial y abra el SoftwareSerialExample que tiene el siguiente código: /* Software serial multple serial test Receives from the hardware serial, sends to software serial. Receives from software serial, sends to hardware serial. The circuit: * RX is digital pin 0 (connect to TX of other device) * TX is digital pin (connect to RX of other device) Note: Not all pins on the Mega and Mega 2560 support change interrupts, so only the following can be used for RX: 0,, 2, 3, 50, 5, 52, 53, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 Not all pins on the Leonardo support change interrupts, so only the following can be used for RX: 8, 9, 0,, 4 (MISO), 5 (SCK), 6 (MOSI). created back in the mists of time modified 25 May 202 by Tom Igoe based on Mikal Hart's example This example code is in the public domain. */ #include <SoftwareSerial.h> SoftwareSerial myserial(3,2); // RX, TX void setup() { // Open serial communications and wait for port to open: Serial.begin(57600); while (!Serial) { ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only Serial.println("Goodnight moon!"); // set the data rate for the SoftwareSerial port myserial.begin(4800); myserial.println("hello, world?"); void loop() { // run over and over if (myserial.available()) { Serial.write(mySerial.read());

6 6 Interfaces y Periféricos, Guía 4 if (Serial.available()) { myserial.write(serial.read()); Listado. Código del ejemplo SoftwareSerialExample 2. Analice el código presentado y proceda a armar el circuito sugerido para la prueba de transmisión de datos entre la computadora y Arduino, ver Figura 2. Figura 3. Conexión a puerto serie con módulo MAX232 a Arduino 3. Observe que hay 2 conexiones seriales, una a baudios y otra a 4800 baudios, descargue el sketch del Listado a Arduino y abra el monitor serial. 4. Al abrir el monitor serial, configure la velocidad de transmisión a baudios como se muestra en la siguiente Figura Figura 4. Monitor serial con velocidad a baudios

7 7 5. Observe que al abrir el monitor serial y configurar correctamente la velocidad aparecen las palabras Goodnight moon. Ahora es necesario configurar una manera de ver los datos que aparecen en el otro puerto serie que es el de la computadora. Presione la tecla inicio de windows en su teclado (símbolo ) y digite Gtkterm. 6. Aparecerá una ventana negra, que es el programa para transferencias serie, por defecto está configurado como 9600 baudios, 8 bits, Sin paridad, y bit de paro, vaya con el mouse a la parte superior de la pantalla, ahí deberá verse el menú seleccione del menú Configuration la opción Port y cambie la velocidad de transferencia a 4800 baudios y luego presione Ok Figura 5. Configuración de la velocidad a 4800 baudios en programa Gtkterm 7. En el menú Configuration seleccione la opción Local Echo y CR LF auto. Posteriormente reinicie Arduino. 8. En el monitor serial de Arduino se presenta el mensaje Goodnight moon y en el GTKterm deberá aparecer el mensaje Hello World?. 9. Ponga las dos ventanas, la del Gtkterm y la del monitor serial visibles para poder observar la transmisión del texto de una hacia otra ventana. 0. Escriba la palabra hola en el monitor serial de Arduino, dé clic en enviar y observe qué sucede en la ventana de GTKterm.. Escriba en la ventana de GTKterm, observe cómo el texto digitado aparece en la pantalla del monitor serial. Desafíos cortos:. Basándose en el ejemplo transmita desde Arduino a la computadora un texto de 20 caracteres, se sugiere el uso de arreglos para ir enviando uno a uno los caracteres. Haga el arreglo con carateres tomados del teclado, guárdelo en memoria y luego envíelo. 2. Basándose en el ejemplo transmita desde Arduino el valor de una variable analógica cada segundo al puerto serie de la computadora.

8 8 Interfaces y Periféricos, Guía 4 Parte 2. Comunicaciones Síncronas 2. Arme el circuito de la siguiente figura con los compañeros de otra mesa: Figura 6. Conexión de dos Arduinos para comunicación I2C 2. Descargue el siguiente sketch para el maestro I2C. //Arduino uno - Master int inbyte = 0; // Byte de entrada serial #include <Wire.h> #define I2C_ADDR 0x08 void setup() { Wire.begin(); // Habilita bus I2C // (Dirección es opcional para el maestro) Serial.begin(9600); // Inicia comunicación serial void loop() { if (Serial.available() > 0) { inbyte = Serial.read(); Wire.beginTransmission(I2C_ADDR); // transmite a dirección #8 Wire.write("El dato es: "); Wire.write(inByte); // Envía un byte Wire.endTransmission(); // Detiene la transmisión delay(500); Listado 2. Código para maestro I2C.

9 9 3. Descargue el siguiente sketch para el esclavo I2C. // Arduino nano - Esclavo #include <Wire.h> #define I2C_ADDR 0x08 void setup() { Wire.begin(I2C_ADDR); // Se une al bus I2C con dirección 0x08 Wire.onReceive(receiveEvent); // Registra un evento Serial.begin(9600); Serial.print("Prueba bus I2C"); // Imprime un mensaje en la LCD. void loop() { // funcion que se ejecuta cuando se recibe un dato del maestro // Esta funcion es registrada como evento, ver setup() void receiveevent(int howmany) { while ( < Wire.available()) { // Bucle para la comunicación serie char c = Wire.read(); // Recibe el byte como caracter Serial.print(c); // Imprime el caracter en la pantalla char x = Wire.read(); // Recibe el byte como un entero Serial.print(x); // Imprime el texto Serial.println(); Listado 3. Código para esclavo I2C. 4. Compruebe con los respectivos monitores seriales en cada computadora que se realiza correctamente la transferencia de datos. Desafíos cortos: - Conecte al pin A0 un potenciómetro en el lado del esclavo y desde el maestro haga la solicitud de este dato cada 2 segundos y preséntelo en el monitor serial. 2- Transfiera una cadena del maestro al esclavo en forma de arreglo de al menos 20 caracteres.

10 0 Interfaces y Periféricos, Guía 4 Análisis de Resultados Realice los ejercicios y los desafíos cortos Investigación Complementaria Investigue cómo comunicar dos Arduinos con protocolo SPI. Comunique datos entre dos arduinos con comunicación serial asíncrona. Comunique datos entre tres arduinos con comunicación en bus I2C. Bibliografía Referencia en línea del lenguaje: Massimo Banzi, Getting started with Arduino O'Reilly Media / Make Publisher, Marzo 2009, ISBN:

11 Hoja de cotejo: 4 Guía 4: Comunicaciones digitales con Arduino Alumno: Maquina No: Docente: GL: Fecha: EVALUACION % Nota CONOCIMIENTO 25% Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70% No Terminó completamente el programa y comentó mal el código (30%) No realizó el circuito correctamente (40%) Terminó completamente el programa pero los comentarios no estaban del todo correctos El circuito funcionó Terminó completamente el programa con sus comentarios correctos El circuito funcionó ACTITUD 2.5 % Es un observador pasivo. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. 2.5 % Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene. TOTAL 00 %