Ampliar la cantidad de entradas de Arduino

Para expandir la capacidad de entradas digitales se utilizan registros de desplazamiento (Shift Register en inglés) con entradas en paralelo y salida serie.

Para este ejemplo, utilizamos tres pines digitales de la placa Arduino en conjunto con el circuito integrado 74HC165 (puede ser, también, 74LS165), que nos aportará 8 entradas.

Diagrama de pines:

Se pueden conectar varios de estos chips en cadena, lo que le nos aporta 16, 24, 32 o más entradas, sin usar ningún pin digital adicional de Arduino, simplemente conectando la salida QH de un registro a la entrada de datos serie SER del otro.

En el diagrama que sigue se ve cómo es la conexión completa de dos 74HC165. Los conjuntos de llaves de corredera, llamados DIP Switch en inglés, representan a las diversas entradas que se podrían ingresar. Si son llaves que se cierran (pulsadores, microswitches, relés, salidas de colector abierto), corresponde el circuito tal como se lo ve, con un resistor de polarización (pull-up) conectado a +5V. Si se trata de salidas digitales de otros chips y placas con salidas compatible con lógica TTL, no es necesario colocar el resistor.

Con línea de puntos se indica la conexión para continuar la cadena indefinidamente. La señal CLK (pata 2) va unida entre chips, e igual la señal SH/LD (pata 1), con la única salvedad de que hay que leer la hoja de datos del microcontrolador (según cuál sea) para saber cuántas entradas de este tipo de chip TTL HC se le pueden conectar a una salida digital de Arduino.

La tabla que sigue, y el diagrama interno del chip, los agrego para ofrecer más información y mejor comprensión del funcionamiento. Se pueden encontrar más detalles en su hoja de datos.

Diagrama de tiempo

La señal SH/LD se mantiene en ALTO durante las operaciones de desplazamiento. Un pulso a BAJO en este pin ingresa nuevos datos desde las entradas al registro de desplazamiento. Cuando el pulso vuelve a ALTO, queda todo dispuesto para aplicar pulsos de CLK y desplazar uno a uno los bits del registro hacia la salida serie QH. Si hemos usado un solo chip 74HC165, con 8 pulsos se habrán leído todas las entradas a través de QH (luego de haberlo conectado a una entrada digital del Arduino). Cada chip adicional requiere 8 pulsos más. En los programas se puede entender claramente cómo se ingresan los datos a variables dentro de nuestro microcontrolador.

Leer una de las entradas del 74HC165 – Diseño del programa:

■ Se aplica un pulso de alto a bajo y luego de regreso a alto en SH/LD, y así las entradas ingresan al registro de desplazamiento (condición “LOAD”, o de carga).

■ Aplicar a la salida CLK la cantidad de pulsos necesarios, desplazando los datos, para que el bit que deseamos leer quede ubicado en la línea de salida QH.

■ Leer el valor del pin digital de entrada del Arduino.

Primer programa de prueba

Este programa lee de a un pin e indica su estado en el LED incluido en el Arduino UNO, pin 13 = LED_BUILTIN. Para determinar qué entrada queremos leer para conocer su estado, se lo indicamos tipeando los números 1 a 8 desde el teclado de la computadora a la que esté conectado el Arduino por USB.

Incluso, usando comparaciones con IF se podría elegir como comando cualquier caracter. Puede ser “a”, “b”, “c”, o “A”, “B”, “C”, o lo que usted elija. Si la entrada proviene de sensores de puertas o ventanas abiertas, o de luces encendidas, se puede usar, por ejemplo, “C” para cocina, “B” para baño, “P” para pasillo, “p” para patio, “E” para entrada, “H” para una habitación y “h” para otra habitación. Y así. Además, estas letras de comando se pueden enviar a través de un módulo Bluetooth HC-06 o HC-05 y controlar desde el teléfono celular, recibiendo la respuesta por el mismo medio.

En este programa —para simplificar— se eligió tipear un número desde el teclado para leer cada entrada. Lo más interesante es la función que lee las entradas y las desplaza hacia la salida. Se le envía como parámetro un valor numérico y entero de 1 a 8, y devuelve un 1 o un 0 según el estado de la entrada. No es difícil ampliar el código hasta la cantidad de entradas que desee.

Agregando esta función a su programa, puede usarla del modo que usted quiera.

Utilizamos este circuito, que es el mismo que servirá para todos los programas excepto el de manejo por SPI, que requiere conectar dos señales del circuito a las entradas MOSI y SCLK de esta interfaz, como luego veremos.

Disculpen si tiene un aspecto un poco antiestético, pero ocurre que es difícil cablear un conjunto de llavecitas DIP al chip 74HC165 con el programa de dibujo sin hacer cruces de cables, y que sea todo visible. Ya verán en la foto que el circuito real, en la protoboard, quedó más prolijo.

Programa para leer de a una entrada

 


 
Segundo ejemplo: ingresar todas las entradas a variables

El siguiente programa permite listar en el Monitor Serie el estado de los pines de entrada del circuito del ejemplo, o de una cadena de chips para ampliar 16, 24, 32 o más entradas. Tampoco necesita biblioteca. El listado se actualiza cada vez que cambia una entrada. Los comentarios explican en detalle su funcionamiento.

El Monitor Serie mostrará este mensaje, y se renovará cada vez que se cambie el valor de una entrada.


 


 
Biblioteca ShiftIn

Esta es una biblioteca que permite leer 8 o más entradas. Y también, si bien la biblioteca tiene una función que define 4 pines, se pueden usar sólo 3 pines al Arduino. Además, se puede conectar en cadena varios registros de desplazamiento utilizando la misma cantidad de pines digitales, o sea 3. El cableado es con la misma configuración que en el diagrama de protoboard mostrado arriba.

Instalación fácil (importar zip)

La forma más fácil de instalar esta biblioteca es descargar la última versión y luego importarla. No tiene que descomprimirlo. Simplemente abra su IDE de Arduino y navegue a Programa > Incluir Librería > Añadir Biblioteca .ZIP… y luego seleccione el archivo zip, que puede bajar desde aquí.

Instalación manual

Por supuesto también se puede instalar esta biblioteca manualmente. Para hacerlo, descargue la versión más reciente y descomprímala. Luego tiene que copiar la carpeta ShiftIn (NO la carpeta ShiftIn-x.y.z) y colocarla en la carpeta de la biblioteca Arduino:

Windows: Documentos\Arduino\libraries\
Mac and Linux: Documents/Arduino/libraries/

Después de esto solo hay que reiniciar el IDE de Arduino.

Uso de ShiftIn

Si ha instalado esta biblioteca, puede incluirla navegando a Programa > Incluir Librería > ShiftIn. Esto agregará la línea #include <ShiftIn.h> a su programa (por supuesto, también puede escribir esta línea manualmente).

Ahora se puede usar esta biblioteca:

Los datos en el Monitor Serie se verán así:

Si usted necesita usar dos shift registers, sólo tiene que cambiar la declaración de ShiftIn<1> shift; a ShiftIn<2> shift;, y así sucesivamente.

El diagrama para 2 chips – 16 entradas es este:

Detalle de las funciones de la biblioteca ShiftIn

Dependiendo de la cantidad de chips, esta biblioteca utilizará diferentes tipos de datos. Si solo está utilizando un chip, el tipo ShiftType será un unsigned byte (uint8_t). Para dos chips será un unsigned int (uint16_t). Para tres o cuatro chips será un unsigned long (uint32_t) y para 5 a 8 chips será un unsigned long long (uint64_t). La biblioteca todavía no maneja más de ocho chips.

Esta función debe ser llamada en la función de configuración. Se utiliza para indicar a la biblioteca los pines que debe usar.

void begin(int ploadPin, int clockEnablePin, int dataPin, int clockPin)

GetPulseWidth() define el retardo para el pin de clock en microsegundos. Este valor está fijado en 5 us y en general no habrá necesidad de cambiarlo, aunque teniendo en cuenta el tiempo de programa transcurrido entre la ejecución de el inicio del pulso y de su final, puede ser tan pequeño como 1 us, incluso 0.

uint8_t getPulseWidth()
void setPulseWidth(uint8_t value)

Retorna la cantidad de entradas (bits en el estado)
uint16_t getDataWidth()

Retornan VERDADERO si ha cambiado alguna entrada durante la última lectura.
boolean hasChanged()
boolean hasChanged(int i) // lo mismo de arriba, pero solo para la entrada i

Retornan el estado completo del actual y el último grupo de bits
ShiftType getCurrent()
ShiftType getLast()

Retornan el estado de una sola entrada en el grupo actual de bits y el último grupo de bits
boolean state(int i)
boolean last(int i)

Indica cuando una entrada ha cambiado. En el ejemplo de los esquemas, se ha presionado o se ha soltado un pulsador
boolean pressed(int id) // no estaba presionado en la última lectura, pero ahora sí
boolean released(int id) // estaba presionado en la última lectura, pero ahora fue liberado

Esta función (la función para actualizar) debe ser llamada una vez por cada grupo de bits. Leerá todos los valores de los shift registers y retornará el nuevo estado.
ShiftType read()

Esta función es básicamente la misma que la función read, pero retorna VERDADERO si ha cambiado de estado alguna entrada, y FALSO en el caso contrario
boolean update()
 


 
Ingresando datos por SPI

Conectando el 74HC165 a la interfaz SPI se puede leer rápidamente 8 entradas digitales, ingresando los 8 bits en una sola instrucción de SPI. Se los puede encadenar para leer 16, 24, 32 o más entradas a la vez.

Podría usarse, por ejemplo, para examinar la configuración de un interruptor DIP de 8 interruptores (donde se fijaría la configuración del dispositivo).

En el 74HC165 se tiene que pulsar el pin de “cargar” (pin 1 del chip) para que el registro ingrese las entradas externas en sus registros internos.

La habilitación del chip, en esta prueba, es fija. El pin de activación de chip (/CLK INH) está a tierra, ya que el chip también puede funcionar estando siempre habilitado. Tenga en cuenta que la línea MISO siempre está activa, por lo que no es posible compartir este chip con otros dispositivos SPI utilizando el hardware SPI. Se puede solucionar agregando un circuito selector, pero no lo describiré en este artículo ya que si necesita usar otro dispositivo SPI, puede utilizar los otros ejemplos de programa, sin necesidad de SPI.

Código de programa

Es fácil de leer desde el registro. La biblioteca SPI se ocupará de todo.

Los pasos importantes son (dentro de la función de bucle):

1. Aplique un pulse al pin de carga paralela para cargar el registro desde las entradas.
2. Haga una transferencia SPI para leer el registro del chip.

Si desea leer más de 8 interruptores, simplemente use más registros, conecte en paralelo los pines 1, 2 y 15 de los chips, y la salida de cada chip “anterior” en la secuencia (QH) a la entrada del siguiente (SER).

Para leer cuatro bancos de interruptores, se cambia la sección de lectura del programa:

digitalWrite(LATCH, LOW);
digitalWrite(LATCH, HIGH);
bancoEntradas1 = SPI.transfer(0);
bancoEntradas2 = SPI.transfer(0);
bancoEntradas3 = SPI.transfer(0);
bancoEntradas4 = SPI.transfer(0);

NOTA: OBSERVE QUE HAY QUE CAMBIAR, EN EL DIAGRAMA DEL PROTOBOARD DE ARRIBA, LOS PINES QUE IBAN A SALIDA DIGITAL 11 Y SALIDA DIGITAL 12 DEL ARDUINO. LA CONEXIÓN QUE ESTABA EN 12 SE DEBE PASAR A 13, Y LA QUE ESTABA EN 11 SE DEBE PASAR A 12.

Resultados en Monitor Serie. Muestra una indicación del estado al inicio, y luego lista cada cambio que se produce en las entradas:


 


 
Otras opciones

Por último, existen dos librerías relacionadas, llamadas bitBangedSPI y bitBangedSPIfast, que permiten operar las múltiples entradas desde 74HC165 con un SPI implementado por software, y dejar libre el módulo SPI de hardware para otros dispositivos. Entiendo que es lo que hicimos con los programas de ejemplo anteriores, pero les dejo la inquietud de investigarlos y probarlos.


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