Un Term�metro Digital o Comunicarte en I2C Con Tu Microcontrolador
Atmel
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Hardware
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original in en Guido
Socher
en to es Gabriela Gonz�lez
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A Guido le gusta Linux porque es realmente un buen sistema para desarrollar
tu propio hardware.
Abstract:[Here you write a little summary]
El microcontrolador Atmega8 de Atmel presenta muchos circuitos digitales
y an�logos de entrada/salida. Es el dispositivo ideal para
desarrollar cualquier clase de equipo de medici�n.
En este art�culo vemos c�mo interconectar el microcontrolador
a un ordenador Linux sobre una interfaz f�sica RS232 sin el chip extra
MAX232.
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Introducci�n
Un prerequisito para este art�culo es que tengas instalado el entorno de programaci�n GCC AVR
como se describi� en mi art�culo ("Programando el microcontrolador AVR con GCC, libc 1.0.4") "Programming the AVR
microcontroller with GCC, libc 1.0.4".
Si quieres evitar dificultades con la instalaci�n, por supuesto, puedes usar el CD de
progamaci�n AVR de http://shop.tuxgraphics.org/
Cuando utilizas un dispositivo tan avanzado como un microcontrolador para
medir se�ales an�logas o digitales, por supuesto, quieres interfaces
para evaluar los datos o enviar comandos al
microcontrolador. En todos los art�culos presentados aqu� anteriormente
siempre utilizamos comunicaci�n rs232 con el UART (Receptor/Transmisor Universal As�ncrono)que se encuentra incluido
en el microcontrolador. El problema es que esto requiere un chip
MAX232 adicional y 4 condensadores extra.
Atmel tambi�n sugiere la requisici�n de un oscilador de cristal externo
para que la comunicaci�n UART funcione de modo confiable. En todo caso, se trata de muchas partes
extra... �y podemos evitarlo!
La cantidad de datos a transferir entre el ordenador y el microcontrolador
es generalmente muy peque�a (s�lo unos pocos bytes). La velocidad, por lo tanto,
no nos preocupa. Esto hace que el bus/protocolo I2C sea apropiado para esta
tarea.
I2C (pronunciaci�n "eye-square-see" o "I cuadrado C" en espa�ol) es una interfaz de comunicaci�n
bidireccional de dos cables. Fue inventada por Philips y el nombre se encuentra
protegido. Esta es la raz�n por la cual otros fabricantes utilizan otro nombre para el
mismo protocolo. Atmel lo llama I2C "two wire
interface" (TWI) o "interfaz de dos cables".
Muchos de ustedes podr�an ya estar utilizando I2C en sus ordenadores
sin saberlo. Todas las placas madres modernas tienen un bus I2C para leer
temperaturas, la velocidad del ventilador, informaci�n acerca de la memoria disponible...
toda clase de informaci�n sobre hardware. Este bus I2C lamentablemente no se encuentra en
la parte externa del ordenador (no hay una conexi�n
f�sica). Por lo tanto, tendremos que inventar algo nuevo.
Pero primero veamos c�mo la "interfaz de dos cables" (=TWI =
un nombre alternativo para I2C) funciona.
C�mo Funciona I2C/TWI
La hoja de datos de Atmega8 (ver referencias) ya cuenta con una
descripci�n muy detallada que comienza en la p�gina 160. Por lo tanto
yo s�lo presentar� un resumen aqu�. Despu�s de este resumen, t� podr�s
comprender la descripci�n en la hoja de datos.
En el bus I2C siempre tienes un dispositivo maestro y uno o varios
dispositivos esclavo. El maestro es el dispositivo que inicia la
comunicaci�n y controla el reloj. Los dos cables de este bus
se llaman SDA (l�nea de datos) y SCL (l�nea de reloj). Cada uno de los
dispositivos del bus deben recibir energ�a en forma independiente (lo mismo que sucede con
la comunicaci�n tradicional rs232). Las dos l�neas del bus se encuentran normalmente
conectadas v�a resistencias ascendentes 4.7K pullup a, logicamente,
"High" ("Alto") (+5V por 5V ICs). Esto da una conexi�n el�ctrica "or" ("o")
entre todos los dispositivos. Un dispositivo simplemente extrae una l�nea a
GND cuando quiere transmitir un 0 o lo deja en "Alto" cuando env�a
un 1.
El maestro comienza una comunicaci�n enviando un patr�n llamado
"start condition" ("condici�n de inicio") y luego se dirige al dispositivo con
el que quiere hablar. Cada dispositivo del bus tiene una direcci�n 7 bit �nica.
Luego de esto, el maestro env�a un bit que indica si quiere leer o
escribir datos. El esclavo ahora reconocer� que ha comprendido al maestro
enviando un bit de reconocimiento. En otras palabras,
ahora hemos visto 9 bits de datos en el bus (7 bits dirigidos +
bit de lectura + bit de reconocimiento):
| start | 7-bit slave adr | read_data bit | wait for ack | ... data comes here
�Qu� Sigue Ahora?
Ahora podemos recibir o transmitir datos. Los datos son siempre un m�ltiplo
de 8 bits (1 byte) y deben ser reconocidos por un bit de reconocimiento. En
otras palabras, siempre veremos paquetes de 9-bit en el bus. Cuando la comunicaci�n
ha finalizado, el maestro debe transmitir una "stop
condition" ("condici�n de finalizaci�n"). En otras palabras, el maestro debe saber c�antos datos vendr�n
cuando lea datos de un esclavo. No obstante, esto no es un problema
dado que puedes transmitir esta informaci�n dentro del protocolo
del usuario. Usaremos, por ejemplo, el byte cero al final de una
cadena para indicar que no hay m�s datos.
Los datos en el cable SDA son v�lidos mientras que el SCL es 1. Resulta
as�:
SDA H -\ /---\ /---\ /---\
L \-----/ \---/ \--------/ \------....
SCL H ----\ /-\ /-\ /-\ /-\ /-\
L \---/ \-----/ \---/ \--/ \--/ \-....
| START | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
Una de las mayores ventajas de este protocolo es que no necesitas
una se�al de reloj precisa y s�ncrona. El protocolo a�n funciona
cuando hay un peque�o soplido de un magnetr�n en la se�al
del reloj.
Exactamente esta propiedad es la que hace posible implementar el protocolo I2C
en una aplicaci�n de espacio de un usuario sin necesidad de un controlador del
n�cleo o hardware especial (como un UART). Fant�stico, �no?
El Plano
Como se coment� anteriormente, no podemos utilizar el bus I2C interno del ordenador pero
podemos usar cualquier interfaz externa donde podamos enviar y recibir
datos bits individuales. Simplemente utilizaremos la interfaz de hardware RS232
de nuestro ordenador. En otras palabras, nuestra interfaz de comunicaci�n
sigue siendo la misma de art�culos anteriores pero ahorramos el hardware
MAX232, condensadores, etc...
La parte dif�cil es, por supuesto, implementar el protocolo I2C del
scratch. Me llev� 5 semanas aprenderlo y depurarlo pero ahora ya est� hecho
y t� simplemente puedes copiarlo :-). Espero que recuerdes el valor de este
c�digo cuando lo uses.
Como ejemplo de aplicaci�n vamos a construir un term�metro. Puedes, por supuesto,
medir algo m�s o simplemente prender y apagar luces.
Depende de t�.
En un segundo art�culo, vamos a agregar una pantalla local LCD. En otras palabras,
tendr�s un term�metro en donde podr�s leer la temperatura directamente
de la pantalla y/o leerla con tu ordenador
Linux. La pantalla la veremos en un segundo art�culo a fin de no
sobrecargar �ste.
NTCs son peque�os, econ�micos y lo suficientemente apropiados |
El Sensor de la Temperatura
Ya es posible conseguir sensores calibrados de temperatura
(algunos ya se comunican con I2C ;-) pero son bastante caros. Los NTCs
son m�s baratos y casi tan buenos a�n sin calibraci�n
individual. Si los calibras un poco, entonces es posible
alcanzar la precisi�n detr�s del punto decimal.
Un problema con los NTCs es que son no lineales. Sin embargo, esto es solamente
un tema de f�sica semiconductora encontrar la f�rmula correcta
para corregir la curva no lineal. El microcontrolador es una peque�a computadora
por lo cual las operaciones matem�ticas
no son un problema. Los NTCs son resistencias que dependen de la temperatura. El
valor R del NTC a una temperatura dada es:
T o Tc es el valor de temperatura que estamos buscando. Rn es el valor
de resistencia del NTC a 25'C. Puedes comprar NTCs 4k7, 10K,
... entonces Rn tendr� este valor.
El Circuito
Diagrama del circuito. Haz click en el diagrama para obtener una
vista detallada.
|
Ahora tenemos todo lo que necesitamos para construir un term�metro digital. Agregamos
dos sensores NTC, uno para la temperatura interior y otro para la exterior.
Si quieres, puedes agregar m�s (conn3, pin PC2 por ejemplo, es gratuito). En el diagrama de
circuito yo ya agrego los cables necesarios para la conexi�n de una pantalla
LCD porque no quiero que construyas un circuito nuevo completo
para el pr�ximo art�culo.
Tambi�n hay conectado un LED (diodo emisor de luz). No cuesta mucho es realmente
�til para una depuraci�n b�sica. Yo lo us�, por ejemplo, para depurar la m�quina de estado
I2C cuando desarroll� la comunicaci�n I2C entre el ordenador
y el microcontrolador. Durante la operaci�n normal, simplemente podemos
dejarlo parpadeando para indicar que las mediciones son tomadas.
De otro modo el circuito es directo. El an�logo al adaptador digital
en el microcontrolador se utiliza para medir el voltage en el
NTC el que entonces ser� convertido en un valor de
temperatura.
El Atmega8 tiene dos opciones en lo que se utiliza como referencia de
voltage para el an�logo al adaptador digital. Puede utilizar tanto el
5V (AVcc) como una referencia interna 2.56V. Para las temperaturas internas
no necesitaremos un rango de temperatura que sea tan grande como
para el sensor externo. +10'C a +40'C normalmente deber�a ser
suficiente. Por lo tanto podemos usar la referencia 2.56V cuando midamos
el sensor interno. Esto proporciona una alta precisi�n ya que los
1024 valores digitales posibles s�lo se expanden sobre 0-2.56V
con lo que obtenemos una resoluci�n de 2.5mV (�m�s precisa que en la mayor�a de los
volt�metros digitales!).
El CD-pin en RS232 es una l�nea de entrada y se encuentra conectada a
SDA en el bus I2C. Lo utilizamos para leer datos del
microcontrolador. DTR y RTS son l�neas de salida. Cuando el ordenador coloca
datos bits en la l�nea SDA entonces simplemente alterna DTR. El maestro
I2C (aqu� el ordenador Linux) controla la l�nea SCL (reloj).
En otras palabras, la l�nea reloj es una l�nea de salida en el rs232.
El 78L05 se utiliza para generar un suministro estable de energ�a y
referencia de voltage. Puedes utilizar casi cualquier tipo de suministro de energ�a AC
o DC entre 7.5V y 12V. 9V es una buena elecci�n.
Construyendo la Placa
tuxgraphics.org vende todas las piezas que se necesitan para este art�culo
junto con una placa grabada apropiada. |
Por supuesto, puedes reutilizar la placa de prototipo que usamos
en el art�culo anterior. Simplemente reconecta el LED al pin 11 y
agrega todas las cosas nuevas.
Si deseas tener un circuito que luzca bien entonces ser�a mejor
usar una placa nueva. Dado que el circuito es mucho m�s complicado,
conviene grabar apropiadamente una placa de circuito
impreso. Despu�s de leer el art�culo de Linuxfocus de Iznogood sobre
gEDA yo tambi�n decid� usar gEDA en lugar de Eagle. gschem, la herramienta
de dibujo esquem�tica para gEDA es muy buena. No tiene una biblioteca de
s�mbolos tan grande como Eagle y tuve que crear el s�mbolo para
Atmega8 pero es muy f�cil de usar y es tan buena como
Eagle. Un poco problem�tica es pcb, la herramienta para dibujar
PCBs. Cuando has utilizado Eagle, primero notar�s que es imposible
desconectar las partes de las bandas
el�sticas. Para estar seguro de que la banda el�stica correcta est� conectada al
pin correcto, tienes que ejecutar
Connects->Optimize rats-nest de una vez. Primero tendr�s que completar el
diagrama de circuito y luego construir la placa. La anotaci�n entre ambos es
solamente manual. 
Yo us� la capa pintada de naranja para dibujar. De alg�n modo, las otras capas
no generan ninguna salida al imprimir. El problema es que la capa pintada de
de color naranja ya se encuentra del lado de la placa
en donde est�n las partes. Si escribes texto en esta capa,
tendr� que ser duplicado cuando lo imprimas en la placa f�sica.
Por lo tanto hice el dise�o b�sico con pcb y todo el resto
con gimp.
Gracias a shop.tuxgraphics.org no tendr�s que
trabajar con qu�micos peligrosos ni recorrer la ciudad para
encontrar los componentes correctos. Ellos venden todas las partes necesarias
para este art�culo. De este modo, s�lo tendr�s que concentrarte en la parte
divertida y ensamblar este circuito con �xito.
Colocando Todo Junto
Cuando ensamblas el circuito, presta atenci�n a las piezas
en las que la polaridad es importante: Electrocondensadores, diodo,
diodos Z, 78L05, LED y el microcontrolador.
Antes de colocar el microcontroladore en el casquillo, debes verificar
la parte de suministro de energ�a. Si esta no funciona, t� no s�lo obtendr�s
lecturas de temperatura incorrectas sino que tambi�n podr�as llegar a
destruir el microcontrolador. Por lo tanto, conecta energ�a exterior
(por ejemplo, una bater�a 9V) y verifica con un volt�metro que tienes exactamente
5V en el pin del casquillo del microcontrolador. Como siguiente paso, conecta
el circuito al puerto rs232 de tu ordenador Linux y ejecuta el programa
i2c_rs232_pintest con varias combinaciones de
se�ales.
i2c_rs232_pintest -d 1 -c 1
i2c_rs232_pintest -d 0 -c 1
i2c_rs232_pintest -d 1 -c 0
Este programa establece los niveles de voltage en los pins RTS (usado como SCL,
opci�n -c) y DTR (usado como SDA, opci�n -d) del puerto
rs232. El puerto rs232 tiene niveles de voltage de aproximadamente +/- 10V.
Detr�s del diodo Z deber�as medir unicamente -0.7 para un cero
l�gico y +4-5V para un uno l�gico.
Inserta el microcontrolador solamente despu�s de que tu circuito haya pasado las pruebas
descriptas anteriormente.
Utilizando la Comunicaci�n I2C
Descarga (ver referencias) el archivo linuxI2Ctemp tar.gz y
desempaqu�talo. La comunicaci�n I2C est� implementada en 2 archivos:
i2c_avr.c -- the i2c statemachine for the atmega8
i2c_m.c -- the complete i2c protocol on the linux side
Yo le he dado a atmega8 la direcci�n esclava "3". Para enviar la cadena
"hello" ("hola") a atmega8 ejecutar�as las siguientes funciones
C:
address_slave(3,0); // tell the slave that we will send something
i2c_tx_string("hello");
i2cstop(); // release the i2c bus
on the microcontroller side you would receive this "hello" string with
i2c_get_received_data(rec_buf);
Muy f�cil. Leer datos del microcontrolador es similar.
Mira el archivo i2ctemp_avr_main.c para ver c�mo funciona cuando
las lecturas de temperaturas est�n hechas.
�C�an c�lido es?
Para compilar y cargar el c�digo para el microcontrolador, ejecuta los siguientes
comandos del paquete de directorio linuxI2Ctemp.
make
make load
Compila los dos programas i2c_rs232_pintest y i2ctemp_linux
make i2c_rs232_pintest
make i2ctemp_linux
... o simplemente usa las versiones precompiladas en el "recipiente"
subdirectorio.
Para leer las temperaturas simplemente ejecuta:
i2ctemp_linux
... e imprimir� las temperaturas internas y externas. Para hacer que estos datos
se encuentren disponibles en un sitio web, sugiero no ejecutar directamente
i2ctemp_linux desde el servidor web porque la comunicaci�n i2c es muy
lenta. En cambio, ejec�talo desde un cron job y escribe desde all� a un
archivo html. Un ejemplo de secuencia de comandos se incluye en el archivo
README del paquete linuxI2Ctemp.
Conclusi�n
El protocolo I2C requiere muy poco hardware extra y es �ptimo para
transmitir o recibir peque�as cantidades de datos.
Esto es exactamente lo que necesitamos cuando queremos comunicarnos con
nuestro propio hardware de controlador. �Es realmente una muy buena
soluci�n!
En este art�culo he puesto mucho �nfasis en la parte de hardware.
Si te gusta este art�culo entonces escribir� un segundo en el que
describo c�mo funciona el software. Especialmente veremos c�mo hacer
la conversi�n an�loga a digital y c�mo funciona la implementaci�n del
protocolo I2C. En el pr�ximo art�culo tambi�n podemos agregar una pantalla
LCD y conversi�n entre Farenheit y Celsius.
Referencias
