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.2 3

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.4 Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa.4

Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software del ordenador (por ejemplo: Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). Las placas se pueden montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente.

Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución es libre. Es decir, puede utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin haber adquirido ninguna licencia.

El proyecto Arduino recibió una mención honorífica en la categoría de Comunidades Digital en el Prix Ars Electronica de 2006.5 6 7

Esquema de pines

Entradas y salidas

Consta de 14 entradas digitales configurables entrada i/o salidas que operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA. Los pines 3, 5, 6, 8, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier cosa a los pines 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB. Diecimila también tiene 6 entradas analógicas que proporcionan una resolución de 10 bits. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios, aunque es posible cambiar el nivel más alto, utilizando el pin Aref y algún código de bajo nivel.

Especificaciones

Los microcontroladores Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove y Arduino Mega están basados en Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280

Lenguaje de programación Arduino

La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el popular lenguaje de programación de alto nivel Processing. Sin embargo, es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones populares en Arduino.8 Algunos ejemplos son:

• Java

  • Flash (mediante ActionScript)

• Processing

• Pure Data

  • MaxMSP (entorno gráfico de programación para aplicaciones musicales, de audio y multimedia)

  • VVVV (síntesis de vídeo en tiempo real)

• Adobe Director

• Python

• Ruby

• C

  • C++ (mediante libSerial o en Windows)

• C#

  • Cocoa/Objective-C (para Mac OS X)

  • Linux TTY (terminales de Linux)

  • 3DVIA Virtools (aplicaciones interactivas y de tiempo real)

  • SuperCollider (síntesis de audio en tiempo real)

  • Instant Reality (X3D)

  • Liberlab (software de medición y experimentación)

  • BlitzMax (con acceso restringido)

  • Squeak (implementación libre de Smalltalk)

• Mathematica

• Matlab

  • Minibloq (Entorno gráfico de programación, corre también en OLPC)

  • Isadora (Interactividad audiovisual en tiempo real)

• Perl

• Visual Basic .NET

• VBScript

• Gambas

Esto es posible debido a que Arduino se comunica mediante la transmisión de datos en formato serie que es algo que la mayoría de los lenguajes anteriormente citados soportan. Para los que no soportan el formato serie de forma nativa, es posible utilizar software intermediario que traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida. Es bastante interesante tener la posibilidad de interactuar Arduino mediante esta gran variedad de sistemas y lenguajes puesto que dependiendo de cuales sean las necesidades del problema que vamos a resolver podremos aprovecharnos de la gran compatibilidad de comunicación que ofrece.

Funciones básicas y operadores

Arduino esta basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas de C++.9 A continuación se muestra un resumen con todas la estructura del lenguaje Arduino:

Sintaxis Básica

• • Delimitadores: ;, {}

  • Comentarios: //, /* */

  • Cabeceras: #define, #include

  • Operadores aritméticos: +, -, *, /, %

  • Asignación: =

  • Operadores de comparación: ==, !=, <, >, <=, >=

  • Operadores Booleanos: &&, ||, !

  • Operadores de acceso a punteros: *, &

  • Operadores de bits: &, |, ^, ~, <<, >>

  • Operadores compuestos:

    • • Incremento/decremento de variables: ++, --

      • Asignación y operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estructuras de control

• • Condicionales: if, if...else, switch case

  • Bucles: for, while, do... while

  • Bifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto

Variables

En cuanto al tratamiento de las variables también comparte un gran parecido con el lenguaje C.

Constantes

• • HIGH / LOW: niveles alto y bajo en pines. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o más.

  • INPUT / OUTPUT: entrada o salida

  • true / false

Tipos de datos

• • void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array

Conversión entre tipos

Estas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.

• • char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Cualificadores y ámbito de las variables

• • static, volatile, const

Utilidades

• • sizeof()

Funciones Básicas

En cuanto a las funciones básicas del lenguaje nos encontramos con las siguientes:

E/S Digital

• • pinMode(pin, modo)

  • digitalWrite(pin, valor)

  • int digitalRead(pin)

E/S Analógica

• • analogReference(tipo)

  • int analogRead(pin)

  • analogWrite(pin, valor)

E/S Avanzada

• • shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)

  • unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tiempo

• • unsigned long millis()

  • unsigned long micros()

  • delay(ms)

  • delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

• • min(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x)

Trigonometría

• • sin(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

• • randomSeed(semilla), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits y Bytes

• • lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupciones externas

• • attachInterrupt(interrupción, función, modo)

  • detachInterrupt(interrupción)

Interrupciones

• • interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por puerto serie

Las funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de "Serial." aunque no necesitan ninguna declaración en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje.10

• • begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

Manipulación de puertos

Los registros de puertos permiten la manipulación a mas bajo nivel y de forma mas rápida de los pines de E/S del microcontrolador de las placas Arduino.11 Los pines de las placas Arduino están repartidos entre los registros B(0-7), C (analógicos) y D(8-13). Mediante las siguientes variables podemos ver y modificar su estado:

• • DDR[B/C/D]: Data Direction Register (o dirección del registro de datos) del puerto B, C ó D. Sirve para especificar que pines queremos usar como de entrada y cuales de salida. Variable de Lectura/Escritura.

  • PORT[B/C/D]: Data Register (o registro de datos) del puerto B, C ó D. Variable de Lectura/Escritura.

  • PIN[B/C/D]: Input Pins Register (o registro de pines de entrada) del puerto B, C ó D. Variable de sólo lectura.

Por ejemplo, para especificar que queremos utilizar los pines 1 a 7 como salidas y el 0 como entrada, bastaría utilizar la siguiente asignación:

DDRD = B11111110;

Como se ha podido comprobar, si conocemos el lenguaje C, no tendremos dificultades para programar en Arduino puesto que se parecen enormemente. Tan sólo debemos aprender algunas funciones específicas de que dispone el lenguaje para manejar los diferentes parámetros de Arduino. Se pueden construir aplicaciones de cierta complejidad sin necesidad de muchos conceptos previos.

A.V.R. Libc

Los programas compilados con Arduino se enlazan contra AVR Libc9 por lo que tienen acceso a algunas de sus funciones. AVR Libc es un proyecto de software libre con el objetivo de proporcionar una biblioteca C de alta calidad para utilizarse con el compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Se compone de 3 partes:

• • avr-binutils

  • avr-gcc

  • avr-libc

La mayoría del lenguaje de programación Arduino está escrita con constantes y funciones de AVR y ciertas funcionalidades sólo se pueden obtener haciendo uso de AVR.12

Interrupciones

Para desactivar las interrupciones:

cli(); // desactiva las interrupciones globales

Para activarlas:

sei(); // activa las interrupciones

Esto afectará al temporizador y a la comunicación serie. La función delayMicroseconds() desactiva las interrupciones cuando se ejecuta.

Temporizadores

La función delayMicroseconds() crea el menor retardo posible del lenguaje Arduino que ronda los 2μs.

Para retardos mas pequeños se debe utilizar la llamada de ensamblador 'nop' (no operación). Cada sentencia 'nop' se ejecutará en un ciclo de máquina (16 Mhz): unos 62.5ns. Se haría de la siguiente manera:

__asm__("nop\n\t");

Manipulación de puertos

La manipulación de puertos con código AVR es mas rápida que utilizar la función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables

cbi y sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer o limpiar bits en PORT y otras variables.

Será necesario utilizar las siguientes cabeceras para poder utilizarlos:

# ifndef cbi# define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))# endif# ifndef sbi# define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))# endif

Para utilizarlas hay que pasarles como argumento la variable PORT y un pin para establecerlo o limpiarlo.

Gracias a estos pequeños hacks tendremos la posibilidad de mejorar los tiempos de ejecución de ciertas tareas críticas o de aquellas que se repitan muchas veces obteniendo mejores resultados. No obstante el código fuente que escribamos resultará probablemente menos legible si los utilizamos por lo que habrá que sopesarlo en función de nuestras necesidades.

Diferencias con Processing

La sintaxis del lenguaje de programación Arduino es una versión simplificada de C/C++ y tiene algunas diferencias respecto de Processing.13 14 Ya desde el punto de que Arduino esta basado en C/C++ mientras que Processing se basa en Java. En cuanto a la sintaxis de ambos lenguajes y el modo en que se programan existen también varias diferencias:

• Arrays

• Bucles

• Impresión de cadenas

Las diferencias son escasas por lo que alguien que conozca bien Processing tendrá muy pocos problemas a la hora de programar en Arduino.

Primer contacto: Hola Mundo en Arduino

El primer paso antes de comprobar que la instalación es correcta y empezar a trabajar con Arduino es abrir algunos ejemplos prácticos que vienen disponibles con el dispositivo. Es recomendable abrir el ejemplo “led_blink” que encontraremos en el menú File, Sketchbook, Examples, led_blink. Este código crea una intermitencia por segundo en un led conectado en el pin 13. Es cuestión de comprobar que el código es correcto, para eso, presionamos el botón que es un triángulo (en forma de "play") y seguidamente haremos un "upload" (que es la flecha hacia la derecha) para cargar el programa a la placa. Si el led empieza a parpadear, todo estará correcto.

Veamos el código necesario para conseguirlo:

# define LED_PIN 13void setup () {  // Activamos el pin 13 para salida digital  pinMode (LED_PIN, OUTPUT);}// Bucle infinitovoid loop () {  // Encendemos el led enviando una señal alta  digitalWrite (LED_PIN, HIGH);  // Esperamos un segundo (1000 ms)  delay (1000);  // Apagamos el led enviando una señal baja  digitalWrite (LED_PIN, LOW);  // Esperamos un segundo (1000 ms)  delay (1000);}

El orden de ejecución será: Primero se hace una llamada a la función init() que inicializa el programa, después se ejecuta la función setup() que configura diversos parámetros, y por último se ejecuta un bucle while(1) que llama repetidamente a la función loop. Todo ello se ejecuta dentro de main() y podría haberse indicado explícitamente (en el caso anterior se encarga el IDE de añadir el código que se ha omitido).

Bibliotecas en Arduino

Para hacer uso de una biblioteca en Sketch (el IDE de Arduino), basta con hacer clic sobre “Import Library” en el menú, escoger una biblioteca y se añadirá el #include correspondiente. Las bibliotecas estándar que ofrece Arduino son las siguientes:15

Serial

Lectura y escritura por el puerto serie.

EEPROM

Lectura y escritura en el almacenamiento permanente.16

• • read(), write()

Ethernet

Conexión a Internet mediante “Arduino Ethernet Shield“. Puede funcionar como servidor que acepta peticiones remotas o como cliente. Se permiten hasta cuatro conexiones simultaneas.17

• • Servidor: Server(), begin(), available(), write(), print(), println()

  • Cliente: Client(), connected(), connect(), write(), print(), println(), available(), read(), flush(), stop()

Firmata

Comunicación con aplicaciones de ordenador utilizando el protocolo estándar del puerto serie.18

LiquidCrystal

Control de LCDs con chipset Hitachi HD44780 o compatibles.19 La biblioteca soporta los modos de 4 y 8 bits.

Servo

Control de servo motores.20 A partir de la versión 0017 de Arduino la biblioteca soporta hasta 12 motores en la mayoría de placas Arduino y 48 en la Arduino Mega.

• • attach(), write(), writeMicroseconds(), read(), attached(), detach()

El manejo de la biblioteca es bastante sencillo. Mediante attach(número de pin) añadimos un servo y mediante write podemos indicar los grados que queremos que tenga el motor (habitualmente de 0 a 180).

SoftwareSerial

Comunicación serie en pines digitales.21 Por defecto Arduino incluye comunicación sólo en los pines 0 y 1 pero gracias a esta biblioteca podemos realizar esta comunicación con el resto de pines.

Stepper

Control de motores paso a paso unipolares o bipolares.22

• • Stepper(steps, pin1, pin2), Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4), setSpeed(rpm), step(steps)

El manejo es sencillo. Basta con iniciar el motor mediante Stepper indicando los pasos que tiene y los pines a los que esta asociado. Se indica la velocidad a la que queramos que gire en revoluciones por minuto con setSpeed(rpm) y se indican los pasos que queremos que avance con step(pasos).

Wire

Envío y recepción de datos sobre una red de dispositivos o sensores mediante Two Wire Interface (TWI/I2C).23

Además las bibliotecas Matrix y Sprite de Wiring son totalmente compatibles con Arduino y sirven para manejo de matrices de leds.

También se ofrece información sobre diversas bibliotecas desarrolladas por contribuidores diversos que permiten realizar muchas tareas.

Creación de bibliotecas

Además de las bibliotecas base, las que son compatibles y las que han aportado otras personas tenemos la posibilidad de escribir nuestra propia biblioteca.24 Esto es muy interesante por varias razones: permite disponer de código que puede reutilizarse en otros proyectos de forma cómoda; nos permite mantener el código fuente principal separado de las bibliotecas de forma que sean mantenibles de forma separada; y la organización de los programas construidos es más clara y elegante.

Veamos un ejemplo de la creación de una biblioteca que envía código Morse:

Creamos el fichero Morse.h que incluye la definición de la clase Morse que tiene 3 funciones: un constructor (Morse()), una función para enviar 1 punto (dot()) y una función para enviar una raya (dash()). La variable _pin permite indicar el pin que vamos a utilizar.

/*   Morse.h - Library for flashing Morse code.   Created by David A. Mellis, November 2, 2007.   Released into the public domain. */   # ifndef Morse_h# define Morse_h   # include "WProgram.h"   class Morse {   public:     Morse(int pin);     void dot();     void dash();   private:     int _pin;};   # endif

Además necesitaremos un fichero Morse.cpp con el código de las funciones declaradas. A continuación se muestra el código:

/*   Morse.cpp - Library for flashing Morse code.   Created by David A. Mellis, November 2, 2007.   Released into the public domain. */   # include "WProgram.h"# include "Morse.h"   Morse::Morse(int pin){   pinMode(pin, OUTPUT);   _pin = pin;}   void Morse::dot(){   digitalWrite(_pin, HIGH);   delay(250);   digitalWrite(_pin, LOW);   delay(250);}   void Morse::dash(){   digitalWrite(_pin, HIGH);   delay(1000);   digitalWrite(_pin, LOW);   delay(250);}

Y con esto ya podríamos utilizar la biblioteca mediante el correspondietne #include. Si quisieramos enviar un SOS por el pin 13 bastaría con llamar a Morse(13) y ejecutar

morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();  morse.dash(); morse.dash(); morse.dash();  morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();

Instalación

Windows

Para la instalación de la placa Arduino en el sistema operativo Windows conviene seguir los siguientes pasos: Con la placa desconectada:

• • Descargar e instalar el Java Runtime Enviroment (J2RE).

  • Descargar la última versión del IDE Arduino.

Nota: Es recomendable descomprimir el fichero en el directorio raíz (c:\) manteniendo la estructura original.

• • Entre todas las carpetas creadas en el directorio Arduino conviene destacar las siguientes:

c:\arduino-0012\hardware\bootloader:

Ésta contiene el software necesario para cargar el firmware en el chip Atmega168, para trabajar con Arduino. Sólo se utiliza si os habéis montado vosotros mismos la placa, o en el caso que se haya estropeado el chip y hayáis comprado uno nuevo.

c:\arduino-0012\drivers:

Contiene los drivers necesarios para el funcionamiento de la placa Arduino con el PC con S.O. Windows: FTDI USB Drivers.

Instalar FTDI USB Drivers

Ahora sí, conectar la placa USB. Se abrirá automáticamente el asistente de Windows para nuevo hardware encontrado:

• 1. Seleccionar "No por el momento" y presionar "Siguiente".

  2. Seleccionar "Instalar desde una lista o ubicación específica (avanzado)" y presionar "Siguiente".

  3. "Buscar el controlador más adecuado en estas ubicaciones" presiona "Examinar".Seleccionar la carpeta donde hayas descomprimido el driver y presiona “Siguiente”.

Si no habido ningún problema el driver de la placa estará instalado.

Abrir el IDE Arduino

Ejecutamos el fichero Arduino.exe para abrir la interficie. Aquí configuramos el puerto USB donde tenemos conectada la placa para empezar a trabajar.

GNU/Linux

Para instalar Arduino en un sistema GNU/Linux necesitamos los siguientes programas para resolver las dependencias:

• • Sun java runtime, jre.

  • avr-gcc, compilador para la familia de microcontroladores avr de atmel.

  • avr-libc, libc del compilador avr-gcc.

Para instalarlos, podemos utilizar el gestor de paquetes o el terminal de comandos:

apt-get install sun-java5-jre gcc-avr avr-libc

En algunas distribuciones conviene desinstalar, si no es necesario, el programa "brltty". Éste se encarga de permitir el acceso al terminal para personas ciegas a través de un dispositivo especial en braille.

killall brltty

apt-get remove brltty

Los dos síntomas de este problema son:

• • No aparece la opción /dev/tty/USB0 en el menú Tools, Serial Port.

  • Si se observa el LED Rx de la placa Arduino, éste se ilumina de 3 a 5 veces cada 5 ó 6 segundos.

Por último, descargamos el framework de arduino. Lo descomprimimos en la carpeta deseada y lo ejecutamos:

./arduino

Si todo ha ido bien ya lo tendremos en funcionamiento.