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Walbi, el bípedo que aprende a caminar

Conozca a Walbi, un humanoide a escala 50% con programas Arduino para captura y reproducción de movimiento. Se mueve a mano, graba y reproduce luego los movimientos. El WALink BIped es un robot creado por Pedro y Gil Tavares, de Lisboa, para un proyecto de aprendizaje automático que no se concretó.

Walbi usa un Arduino Nano como “cerebro”, servos LX-16A de “músculos”, y partes plásticas impresas en 3D como “huesos”. Los servos LewanSoul LX-16A son servos ideales para pequeños proyectos robóticos, ya que son livianos, pueden mover cargas de más de 19 kg/cm, y se conectan con un solo cable que va de servo a servo, lo que hace que el cableado del robot sea un juego de niños.

Walbi es un humanoide a escala 50%: sus piernas miden 55 cm de altura desde el talón hasta la cintura, y pesan 1,1 kg. Las partes blancas de su cuerpo fueron impresas en 3D, pero podrían haberse hecho fácilmente con madera resistente y liviana.

La programación de Walbi es muy sencilla. Usted puede descargar los dos programas necesarios para realizar la captura y reproducción de movimientos, y entonces puede hacer que Walbi camine, se arrastre, suba, salte o baile. Solo tiene que mover sus piernas a una postura deseada, registrar esa postura, darle forma a Walbi en otra postura, grabarla y así sucesivamente, y luego, cuando haya grabado la secuencia completa, puede sentarse y ver cómo se desempeña hábilmente siguiendo los movimientos que aprendió.

Qué se necesita

Componentes de hardware (sí, siempre hay que comprar algunas cosas):

Aplicaciones de software y/o servicios en línea: Arduino IDE

Herramientas manuales y máquinas de fabricación: Impresora 3D (genérica)

Construyendo a Walbi

Las piezas de Walbi se imprimieron en 3D, con plástico PLA, utilizando una impresora FlashForge Creator Pro. Descargar los archivos STL de Thingiverse, o usar un método alternativo para construir los pies, los “huesos” de las piernas y la cintura, utilizando madera o metal. Los soportes de los servos encajan en estas partes, y unen los servos con ellas.

Como se muestra en el dibujo de abajo, necesitará soportes metálicos de los cuatro tipos diferentes disponibles para adjuntar los servos a las partes impresas, y entre sí.

Conexionado

Para controlar los servos LX-16A se necesita una placa de LewanSoul llamada Bus Linker.

Ésta recibirá comandos desde un puerto serie en el Arduino Nano. Como utilizamos la USART del hardware de Arduino para comunicarnos con la computadora, recurrimos a la biblioteca SoftwareSerial para crear un segundo puerto serie en el Nano, que nos sirve para conectarnos a la placa Bus Linker.

El cableado se minimiza con estos servos serie. Hay un cable que va de cada servo al siguiente (un cable serie provisto con los servos) y los servos se enchufan directamente a la placa de depuración. Su computadora se conecta al puerto USB de Arduino, y Arduino se conecta a la placa de depuración mediante tres cables (TX, RX y GND) conectados a los pines de Arduino que fueron configurados para SoftwareSerial.

Los servos utilizan una velocidad de comunicación serie en baudios de 115200 (que es demasiado alto y falta investigar si se modificar). Esta velocidad en baudios es alta para SoftwareSerial, por lo que tuvimos que implementar funciones de comprobación de errores y reintento. En algunos casos se necesitaba persistencia para obtener una lectura correcta.

Fuerza

Los servos pueden proporcionar 19,5kg.cm a 7,4v. Usamos 6v y la corriente en estado quieto resultó inferior a tres amperios.

   

Programación

Puedes obtener el código Arduino en el repositorio de Github del proyecto.

Se utilizan dos programas para la captura y reproducción de movimiento, una técnica similar a la que se usa en las películas. Empiezas poniendo al robot en una pose. Como los servos están predeterminados para apagar el motor, se pueden girar los servos a mano. Una vez que se tiene el robot en la posición deseada, se usa el programa Walbi_record para leer y mostrar todos los ángulos de servo. Usted luego alimenta esas lecturas de ángulo en la variable poseAngles en Walbi_play, y usa el programa para reproducir la secuencia de poses grabadas a una velocidad establecida por la variable timeToMove (en milisegundos).



Aquí hay algunos consejos y trucos aprendidos al crear Walbi:

  • Los soportes para el LX-16A solo se acoplan al servo en UNA posición, por lo que es muy fácil conectarlos incorrectamente, especialmente a las partes impresas en 3D. Tuvimos que reensamblar a Walbi un par de veces para corregir errores de montaje que eran bastante difíciles de detectar.
  • Los servos vienen con identificación ID 1 por defecto. Asigne a cada servo una ID diferente antes de montarlos en el robot, o será imposible comunicarse con varios servos serie conectados con la misma ID.
  • El uso de bridas para cables realmente mejora la apariencia.

  • Los servos vienen con los tornillos necesarios para conectar el disco de acoplamiento de los servos, y el disco a los soportes. Los soportes vienen con los tornillos necesarios para sujetarlos a los servos. Tendrá que comprar tornillos por separado para sostener las conexiones y para el soporte de las piezas de plástico. Se utilizan tornillos y tuercas DIN912 M2-6 y M2-10.
  • Es posible mejorar la tracción pegando almohadillas de silicona en las plantas de los pies del robot.

  • Es preferible usar discos de acoplamiento de metal para servo, ya que las de plástico que vienen provistas con los servos se romperán en el caso de que las piernas se golpeen durante las pruebas. Si estas piezas se rompen, el robot se aflojará y la reproducción del movimiento perderá precisión. De otra manera, es esta reproducción es sorprendentemente buena.

Piezas a medida

STL para piezas impresas en 3D (Originalmente impreso en un Flash Forge Creator Pro.)

Código Programas Arduino para control de movimiento y reproducción

En Alienexpress encontré algunas publicaciones que pueden servir de guía para obtener los elementos:

SERVO
JUEGO DE SERVO Y ACCESORIOS
SERVO Y PIEZAS DE MONTAJE

VL53L0X: Sensor de distancia que mide por la velocidad de la luz (Time-of-Fly)

El VL53L0X es un producto novedoso basado en el sistema FlightSense de la empresa ST Microelectronics. Es una tecnología innovadora que permite medir distancia con independencia de la reflectividad del objetivo.

En lugar de calcular la distancia midiendo la cantidad de luz reflejada desde el objeto (en lo que influye significativamente el color y tipo de superficie), el VL53L0X mide con precisión el tiempo que tarda la luz en viajar desde el objeto más cercano y volver reflejada hasta el sensor (un proceso llamado Time-of-Fly, o Tiempo de vuelo).

Debido a que utiliza una fuente de luz con un haz muy estrecho, es bueno para determinar la distancia de solamente la superficie que está directamente delante. A diferencia de los sonares ultrasónicos que hacen rebotar sus ondas de sonido, en este caso el “cono” de la detección es muy estrecho. A diferencia de los sensores de distancia IR que intentan medir la cantidad de luz que regresa, el VL53L0x es mucho más preciso y no tiene problemas de linealidad o “imágenes dobles”, en las que no se puede saber si un objeto está muy lejos o muy cerca.

Puede medir distancia con un alcance de hasta 2 m.

El control del procesador y la lectura de los resultados se realizan por medio de una interfaz I2C.

Características clave

  • Emisor infrarrojo: 940 nm
  • Distancia: hasta 2000 mm
  • Dirección I2C: Programable
  • Fuente de luz VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser = Láser de emisión de superficie de cavidad vertical)
  • Sensor de rango con avanzado microcontrolador
  • El chip mide sólo 4,4 x 2,4 x 1,0 mm
  • Medición de distancia rápida y precisa
  • Mide rango absoluto hasta 2 m.
  • El rango reportado es independiente de la reflectividad del objetivo
  • Compensación óptica cruzada integrada avanzada para simplificar la selección del vidrio de cobertura
  • Seguro para el ojo humano
  • Dispositivo láser de clase 1 que cumple con la última norma IEC 60825-1: 2014 – 3ª edición
  • Fácil integración por el sistema de montaje de soldadura del chip
  • No tiene óptica adicional
  • Fuente de alimentación individual
  • Regulador de voltaje integrado en la plaqueta
  • Interfaz I2C para control de dispositivos y transferencia de datos
  • Pines de entrada salida de uso general Xshutdown (para reinicio) e Interrupt (interrupción)
  • Dirección I2C programable

Conexión con Arduino

  • VCC (en algunos fabricantes VIN) es la fuente de alimentación, el módulo acepta de 3 a 5V de alimentación. Use el mismo voltaje en el que se basa la lógica del microcontrolador. Para la mayoría de los Arduinos es 5V.
  • Conecte GND a tierra/alimentación común (marcado también GND en el Arduino).
  • Conecte el pin SCL al pin SCL (señal de reloj I2C en su Arduino. En un Arduino UNO también se conoce como pin A5, aunque está disponible del lado de los pines digitales. En un Mega es el digital 21 y en un Leonardo es el digital 3.
  • Conecte el pin SDA al pin SDA (datos I2C) en su Arduino. En un Arduino UNO también se conoce como pin A4, en un Mega es el digital 20 y en un Leonardo es el digital 2.

Los pines adicionales son:

GPIO1: este es un pin que usa el sensor para indicar que están listos los datos. Es útil para cuando se realiza una detección continua. Tenga en cuenta que no hay ajuste de nivel en este pin, es posible que no se pueda leer el voltaje de nivel lógico de 2,8V en un microcontrolador de 5V (podríamos en un Arduino UNO, pero no es seguro). La biblioteca de Adafruit no hace uso de este pin, pero está ahí para usuarios avanzados.

XSHUT – es el pin de apagado/reinicio para el sensor. Por defecto es alto. Hay un diodo de cambio de nivel para que se pueda usar la lógica de 3,3 – 5 V en este pin. Cuando el pin va a nivel bajo, el sensor entra en modo de apagado.




Abra el IDE de Arduino. Mantenga siempre actualizado a la última versión.

Abra en el menú HERRAMIENTAS la opción ADMINISTRAR BIBLIOTECAS.

Búsqueda y carga en el IDE Arduino de la biblioteca del VL53L0X

La elección ADMINISTRAR BIBLIOTECAS abrirá la siguiente ventana del Gestor de Bibliotecas:

En esa ventana tenemos, en la parte superior derecha una ventana de editor con la leyenda “Filtre su búsqueda…“, donde debemos escribir el nombre del dispositivo:

Esta búsqueda nos ofrece varias bibliotecas. Para Arduino UNO y relacionados tenemos la de Adafruit y la de Pololu. En artículos en la web recomiendan la de Pololu, porque es más simple que la del otro fabricante. De todos modos, podemos instalar ambas. No hay conflictos en esto. El botón que dice “Instalar” aparece cuando se coloca el puntero del mouse en la biblioteca elegida. Si no aparece, es porque ya está instalada. Si no fuese así, recurra a el enlace “More info” y descargue la biblioteca desde el sitio GitHub, en formato ZIP, y proceda a instalarla con las instrucciones que ofrecen AQUÍ.

El gestor nos indicará que la biblioteca está lista con un cartel remarcado “INSTALLED”.

Las bibliotecas quedan listas para ser utilizadas. La que corresponde a Pololu se llama VL53L0X, mientras que la de Adafruit se llama igual y está dentro de todas las bibliotecas de este fabricante, que llevan su nombre comercial como prefijo.

Dirección para el bus I2C

La dirección por defecto de I2C es 0x29, pero recuerde que es posible programar esta dirección en el VL53L0X. Con la biblioteca Adafruit, hay dos maneras de establecer la nueva dirección. Durante la inicialización, en lugar de llamar a lox.begin(), se llama a lox.begin(0x30) para establecer la dirección en 0x30. O se puede, más adelante, llamar a lox.setAddress(0x30) en cualquier momento. Es importante realizar esta operación con una sola placa VL53L0X conectada al bus I2C, o todas quedarán cambiadas.

Programas de prueba

“Continuous”, de Pololu
(Este ejemplo muestra cómo usar el “modo continuo” para tomar mediciones de distancia con el VL53L0X. La información se muestra en la pantalla emergente del Monitor Serie, que debe estar fijado en 9600 baudios.)

Y el que sigue es un ejemplo con la biblioteca de Adafruit, con los comentarios traducidos. Siempre con la misma conexión del diagrama de arriba.

En el programa que sigue, para reducir el ruido de la medición se muestra el promedio de varias medidas. Las líneas comentadas muestran los distintos modos de funcionamiento.

Imprimen en 3D partes mecánicas útiles con polvo similar al de la Luna

Un futuro en la luna

Para respaldar una base lunar futura y potencial, los investigadores de la Agencia Espacial Europea (ESA) imprimen en 3D y hornean polvo similar al de la Luna para formar tornillos, engranajes e incluso una moneda.

Tanto las agencias espaciales privadas como las gubernamentales han expresado serias intenciones y comenzaron a desarrollar planes para construir una base habitada por humanos en la Luna. Pero se necesita mucho combustible, capacidad de carga y dinero para lanzar cosas al espacio y bajarlas en la luna. Y construir una base lunar desde cero requerirá una gran cantidad de materiales. Por lo tanto, sería extremadamente caro llevar todas estas partes de la Tierra a la Luna, especialmente porque el mantenimiento requerirá piezas de respaldo para las reparaciones.

Es por esto que los investigadores están investigando una opción más sostenible. En lugar de llevar cosas, podríamos hacerlas usando polvo de Luna o regolito, como alimentación para una impresora 3D. De esta manera podrían crear materiales de construcción de forma económica y sencilla en la propia Luna.

Para practicar, el equipo de la ESA imprimió en 3D artículos como tornillos y engranajes con polvo lunar falso. Aunque sus propiedades difieren de las del suelo terrestre, el regolito lunar no es demasiado difícil de simular, y se le puede dar forma de objetos utilizables a los óxidos de silicio, aluminio, calcio y hierro presentes.

Cómo imprimir en 3D con polvo lunar

Para imprimir en 3D con polvo de luna falso, el equipo comenzó con un regolito hecho por el hombre. El polvo se trituró hasta el tamaño de partícula y los granos resultantes se mezclaron con un agente aglutinante que reacciona a la luz. Luego, una impresora 3D colocó la mezcla en capas hasta que tomó forma el objeto deseado. Luego se expuso el artículo a la luz para que se endureciera, y se coció en un horno para solidificarlo por completo.

El producto terminado es como una pieza de cerámica de polvo de Luna, dice la ESA en un comunicado. Estas piezas iniciales han demostrado que es probable que se impriman con el regolito real de la Luna en una base lunar, y son parte del proyecto URBAN, más grande, que examina cómo la impresión 3D podría ayudar a la colonización lunar.

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“Si uno necesita imprimir herramientas o piezas de maquinaria para reemplazar las piezas rotas en una base lunar, la precisión en las dimensiones y la forma de los elementos impresos será vital”, dijo el ingeniero de materiales de la ESA Advenit Makaya en el comunicado.

Esta será una ventaja crítica para futuras misiones con destino a la Luna. Especialmente, para estadías prolongadas proyectadas en el satélite terrestre, aquellas cosas están destinadas a romperse o fallar. Si un solo tornillo se pierde o se rompe, es posible que la cuadrilla no tenga tornillos adicionales con la forma y el tamaño exactos necesarios. Al crear la pieza exacta requerida usando el regolito que los rodea, la tripulación podría mantener de manera sostenible las reparaciones en una base lunar.


Descripción y funcionamiento del Bus I2C

Introducción

DEFINICIÓN DE I2C (I2C): Abreviatura de Inter-IC (inter integrated circuits), un tipo de bus diseñado por Philips Semiconductors a principios de los 80s, que se utiliza para conectar circuitos integrados (ICs). El I2C es un bus con múltiples maestros, lo que significa que se pueden conectar varios chips al mismo bus y que todos ellos pueden actuar como maestro, sólo con iniciar la transferencia de datos. Este bus se utiliza dentro de una misma placa de un dispositivo.

El bus I2C, un estándar que facilita la comunicación entre microcontroladores, memorias y otros dispositivos con cierto nivel de “inteligencia”, sólo requiere de dos líneas de señal y un común o masa. Fue diseñado a este efecto por Philips y permite el intercambio de información entre muchos dispositivos a una velocidad aceptable, de unos 100 Kbits por segundo, aunque hay casos especiales en los que el reloj llega hasta los 3,4 MHz.

La metodología de comunicación de datos del bus I2C es en serie y sincrónica. Una de las señales del bus marca el tiempo (pulsos de reloj) y la otra se utiliza para intercambiar datos.

Descripción de las señales

  • SCL (System Clock) es la línea de los pulsos de reloj que sincronizan el sistema.
  • SDA (System Data) es la línea por la que se mueven los datos entre los dispositivos.
  • GND (Masa) común de la interconexión entre todos los dispositivos “enganchados” al bus.

Las líneas SDA y SCL son del tipo drenaje abierto, es decir, un estado similar al de colector abierto, pero asociadas a un transistor de efecto de campo (o FET). Se deben polarizar en estado alto (conectando a la alimentación por medio de resistores “pull-up”) lo que define una estructura de bus que permite conectar en paralelo múltiples entradas y salidas.

El diagrama es suficientemente autoexplicativo. Las dos líneas del bus están en un nivel lógico alto cuando están inactivas. En principio, el número de dispositivos que se puede conectar al bus no tiene límites, aunque hay que observar que la capacidad máxima sumada de todos los dispositivos no supere los 400 pF. El valor de los resistores de polarización no es muy crítico, y puede ir desde 1K8 (1.800 ohms) a 47K (47.000 ohms). Un valor menor de resistencia incrementa el consumo de los integrados pero disminuye la sensibilidad al ruido y mejora el tiempo de los flancos de subida y bajada de las señales. Los valores más comunes en uso son entre 1K8 y 10K.

Protocolo de comunicación del bus I2C

Habiendo varios dispositivos conectados sobre el bus, es lógico que para establecer una comunicación a través de él se deba respetar un protocolo. Digamos, en primer lugar, lo más importante: existen dispositivos maestros y dispositivos esclavos. Sólo los dispositivos maestros pueden iniciar una comunicación.

La condición inicial, de bus libre, es cuando ambas señales están en estado lógico alto. En este estado cualquier dispositivo maestro puede ocuparlo, estableciendo la condición de inicio (start). Esta condición se presenta cuando un dispositivo maestro pone en estado bajo la línea de datos (SDA), pero dejando en alto la línea de reloj (SCL).

El primer byte que se transmite luego de la condición de inicio contiene siete bits que componen la dirección del dispositivo que se desea seleccionar, y un octavo bit que corresponde a la operación que se quiere realizar con él (lectura o escritura).

Si el dispositivo cuya dirección corresponde a la que se indica en los siete bits (A0-A6) está presente en el bus, éste contesta con un bit en bajo, ubicado inmediatamente luego del octavo bit que ha enviado el dispositivo maestro. Este bit de reconocimiento (ACK) en bajo le indica al dispositivo maestro que el esclavo reconoce la solicitud y está en condiciones de comunicarse. Aquí la comunicación se establece en firme y comienza el intercambio de información entre los dispositivos.

Si el bit de lectura/escritura (R/W) fue puesto en esta comunicación a nivel lógico bajo (escritura), el dispositivo maestro envía datos al dispositivo esclavo. Esto se mantiene mientras continúe recibiendo señales de reconocimiento, y el contacto concluye cuando se hayan transmitido todos los datos.

En el caso contrario, cuando el bit de lectura/escritura estaba a nivel lógico alto (lectura), el dispositivo maestro genera pulsos de reloj para que el dispositivo esclavo pueda enviar los datos. Luego de cada byte recibido el dispositivo maestro (quien está recibiendo los datos) genera un pulso de reconocimiento.

El dispositivo maestro puede dejar libre el bus generando una condición de parada (o detención; stop en inglés).

Si se desea seguir transmitiendo, el dispositivo maestro puede generar otra condición de inicio en lugar de una condición de parada. Esta nueva condición de inicio se denomina “inicio reiterado” y se puede emplear para direccionar un dispositivo esclavo diferente o para alterar el estado del bit de lectura/escritura.

Definición de términos:

  • Maestro (Master): Dispositivo que determina los tiempos y la dirección del tráfico en el bus. Es el único que aplica los pulsos de reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios dispositivos maestros a un mismo bus la configuración obtenida se denomina “multi-maestro”.
  • Esclavo (Slave): Todo dispositivo conectado al bus que no tiene la capacidad de generar pulsos de reloj. Los dispositivos esclavos reciben señales de comando y de reloj generados desde el maestro.
  • Bus libre (Bus Free): Estado en el que ambas líneas (SDA y SCL) están inactivas, presentando un estado lógico alto. Es el único momento en que un dispositivo maestro puede comenzar a hacer uso del bus.
  • Comienzo (Start): Se produce cuando un dispositivo maestro ocupa el bus, generando la condición. La línea de datos (SDA) toma un estado bajo mientras que la línea de reloj (SCL) permanece alta.
  • Parada (Stop): Un dispositivo maestro puede generar esta condición, dejando libre el bus. La línea de datos y la de reloj toman un estado lógico alto.
  • Dato válido (Valid Data): Situación presente cuando un dato presente en la línea SDA es estable al tiempo que la línea SCL está a nivel lógico alto.
  • Formato de Datos (Data Format): La transmisión de un dato a través de este bus consiste de 8 bits de dato (1 byte). A cada byte transmitido al bus le sigue un noveno pulso de reloj durante el cual el dispositivo receptor del byte debe generar un pulso de reconocimiento.
  • Reconocimiento (Acknowledge): El pulso de reconocimiento, conocido como ACK (del inglés Acknowledge), se logra colocando la línea de datos a un nivel lógico bajo durante el transcurso del noveno pulso de reloj.
  • Dirección (Address): Todo dispositivo diseñado para funcionar en este bus posee su propia y única dirección de acceso, preestablecida por el fabricante. Hay dispositivos que permiten definir externamente parte de la dirección de acceso, lo que habilita que se pueda conectar en un mismo bus un conjunto de dispositivos del mismo tipo, sin problemas de identificación. La dirección 00 es la denominada “de acceso general”; a ésta responden todos los dispositivos conectados al bus.
  • Lectura/Escritura (Bit R/W): Cada dispositivo tiene una dirección de 7 bits. El octavo bit (el menos significativo) que se envía durante la operación de direccionamiento, completando el byte, indica el tipo de operación a realizar. Si este bit es alto el dispositivo maestro lee información proveniente de un dispositivo esclavo. Si este bit es bajo, el dispositivo maestro escribe información en un dispositivo esclavo.

La comunicación en más detalle

Cuando el dispositivo maestro quiere comunicarse con un esclavo, produce una secuencia de inicio en el bus. La secuencia de inicio es una de las dos secuencias especiales que se han definido en el bus I2C; la otra es la secuencia de parada. Las secuencias de inicio y la de parada son especiales porque son los dos únicos casos en que se permite que la línea de datos (SDA) cambie cuando la línea de reloj (SCL) está alta. Cuando se están transmitiendo datos, la línea SDA debe permanecer estable, y jamás cambiar, mientras la línea SCL está alta. Las secuencias de inicio y de parada señalan el comienzo y el final de una transacción con los dispositivos esclavos.

Los datos se transfieren en secuencias de 8 bits. Estos bits se colocan en la línea SDA comenzando por el bit de más peso (o más significativo). Una vez puesto un bit en SDA, se lleva la línea SCL a alto. Debemos recordar que el chip no puede llevar la línea a un estado alto, en realidad, lo que hace es “soltarla”, y el que la pone en nivel lógico alto es el resistor de polarización. Por cada 8 bits que se transfieren, el dispositivo que recibe el dato envía de regreso un bit de reconocimiento, de modo que en realidad por cada byte de dato se producen 9 pulsos sobre la línea SCL (es decir, 9 pulsos de reloj por cada 8 bits de dato). Si el dispositivo que recibe envía un bit de reconocimiento bajo, indica que ha recibido el dato y que está listo para aceptar otro byte. Si retorna un alto, lo que indica es que no puede recibir más datos y el dispositivo maestro debería terminar la transferencia enviando una secuencia de parada.

Direccionamiento de dispositivos en el bus I2C

Lo más común en los dispositivos para el bus I2C es que utilicen direcciones de 7 bits, aunque existen dispositivos de 10 bits. Este último caso es raro.

Una dirección de 7 bits implica que se pueden poner hasta 128 dispositivos sobre un bus I2C, ya que un número de 7 bits puede ir desde 0 a 127. Cuando se envían las direcciones de 7 bit, de cualquier modo la transmisión es de 8 bits. El bit extra se utiliza para informarle al dispositivo esclavo si el dispositivo maestro va a escribir o va a leer datos desde él. Si el bit de lectura/escritura (R/W) es cero, el dispositivo maestro está escribiendo en el esclavo. Si el bit es 1 el maestro está leyendo desde el esclavo. La dirección de 7 bit se coloca en los 7 bist más significativos del byte y el bit de lectura/escritura es el bit menos significativo.

El hecho de colocar la dirección de 7 bits en los 7 bits más significativos del byte produce confusiones entre quienes comienzan a trabajar con este bus. Si, por ejemplo, se desea escribir en la dirección 21 (hexadecimal), en realidad se debe enviar un 42, que es un 21 desplazado un bit hacia arriba. También se pueden tomar las direcciones del bus I2C como direcciones de 8 bit, en las que las pares son de sólo escritura y las impares son de sólo lectura. Para dar un ejemplo, el integrado de brújula magnética CMPS03 es fijado en fábrica en la dirección 0xC0 ($C0). La dirección 0xC0 se utiliza para escribir en él y la dirección 0xC1 es para leer de él.

Protocolo de programación para el bus I2C

Lo primero que ocurre en un bus I2C es que el dispositivo maestro envía una secuencia de inicio. Esto alerta a los dispositivos esclavos, poniéndolos a la espera de una transacción. Éstos quedan atentos para ver si se trata de una solicitud para ellos. A continuación el dispositivo maestro envía la dirección de dispositivo. El dispositivo esclavo que posee esa dirección continuará con la transacción, y los otros ignorarán el resto de los intercambios, esperando la próxima secuencia de inicio.

Habiendo direccionado ya el dispositivo esclavo, lo que debe hacer ahora el maestro es enviar la ubicación interna o número de registro desde el que desea leer o al que va a escribir. La cantidad depende, obviamente, de qué dispositivo es y de cuántos registros internos posee. Algunos dispositivos muy simples no tienen ninguno, pero la mayoría sí los poseen.

Siguiendo con el ejemplo del CMPS03, éste posee 16 ubicaciones internas, numeradas desde el 0 al 15. Otro dispositivo, el medidor ultrasónico de distancia SRF08, tiene 36 registros.

Una vez que el maestro ha enviado la dirección del dispositivo en el bus I2C y la dirección del registro interno del dispositivo, puede enviar ahora el byte o bytes de datos. El dispositivo maestro puede seguir enviando bytes al esclavo, que normalmente serán puestos en registros con direcciones sucesivas, ya que el esclavo incrementa automáticamente la dirección del registro interno después de recibir cada byte. Cuando el maestro ha terminado de escribir datos en el esclavo, envía una secuencia de parada que concluye la transacción.

Escritura en un dispositivo esclavo:

  • 1. Enviar una secuencia de inicio
  • 2. Enviar la dirección de dispositivo con el bit de lectura/escritura en bajo
  • 3. Enviar el número de registro interno en el que se desea escribir
  • 4. Enviar el byte de dato
  • 5. [Opcionalmente, enviar más bytes de dato]
  • 6. Enviar la secuencia de parada

Como ejemplo, veamos un SRF08, que tiene una dirección de bus fijada en fábrica de 0xE0. Para comenzar una medición de distancia con el SRF08 se debe escribir 0x51 en el registro de comando, ubicado en la dirección interna 0x00. La secuencia es la que sigue:

  • 1. Enviar una secuencia de inicio
  • 2. Enviar 0xE0 (La dirección de dispositivo del SRF08 con el bit de lectura/escritura en bajo)
  • 3. Enviar 0x00 (dirección interna del registro de comando)
  • 4. Enviar 0x51 (el comando para comenzar la medición del SRF08)
  • 5. Enviar la secuencia de parada

Lectura desde un dispositivo esclavo:

Esta operación es algo más complicada, pero no demasiado. Antes de leer datos desde el dispositivo esclavo, primero se le debe informar desde cuál de sus direcciones internas se va a leer. De manera que una lectura desde un dispositivo esclavo en realidad comienza con una operación de escritura en él. Es igual a cuando se desea escribir en él: Se envía la secuencia de inicio, la dirección de dispositivo con el bit de lectura/escritura en bajo y el registro interno desde el que se desea leer. Ahora se envía otra secuencia de inicio nuevamente con la dirección de dispositivo, pero esta vez con el bit de lectura/escritura en alto. Luego se leen todos los bytes necesarios y se termina la transacción con una secuencia de parada.

Volviendo al ejemplo del módulo de brújula CMPS03, veamos cómo se lee el registro de ángulo:

  • 1. Enviar una secuencia de inicio
  • 2. Enviar 0xC0 (La dirección de dispositivo del CMPS03 con el bit de lectura/escritura en bajo)
  • 3. Enviar 0x01 (dirección interna del registro de ángulo en valor 0-255)
  • 4. Enviar una secuencia de inicio (inicio reiterado)
  • 5. Enviar 0xC1 (La dirección de dispositivo del CMPS03 con el bit de lectura/escritura en alto)
  • 6. Leer un byte de dato desde el CMPS03
  • 7. Enviar la secuencia de parada

La secuencia se verá así:


Un caso un poco más complicado

Esto es todo cuando se trata de comunicaciones simples, pero debemos considerar una posible complicación: Cuando el dispositivo maestro está leyendo desde el esclavo, quien pone los datos en la línea SDA del bus es el dispositivo esclavo, y el maestro es el que controla el pulso de reloj. ¿Qué pasa si el esclavo no está listo para enviar un dato? Con dispositivos como una EEPROMs esto no sería problema, pero si el dispositivo esclavo es un microprocesador, que tiene otras tareas que realizar, pueden surgir inconvenientes.

Para atender la transacción, el microprocesador debe pasar a una rutina de interrupción, guardar sus registros de trabajo, determinar qué dirección desea leer el dispositivo maestro, obtener el dato y ponerlo en su registro de transmisión. Esto puede llevar varios microsegundos, lo que implica que el dispositivo maestro podría estar enviando pulsos de reloj ciegamente por la línea SCL sin que el dispositivo esclavo pueda responderle. El protocolo I2C ofrece una solución para esto: el esclavo puede mantener la línea SCL en bajo. A esto se le llama estiramiento del reloj. Cuando el esclavo recibe el comando de lectura lo primero que hace es poner la línea de reloj en bajo. Entonces sí, obtiene el dato solicitado, lo pone en el registro de transmisión, y recién entonces libera la línea de reloj, que pasará de inmediato a alto debido al nivel que aporta el resistor de polarización.

Desde el punto de vista del dispositivo maestro, éste tratará de enviar el primer pulso de reloj para la lectura de datos liberando la línea SCL para que pase a alto, pero antes de continuar comprobará que ésta realmente haya ido al nivel lógico 1. Si la línea SCL permanece en bajo, el dispositivo maestro interpreta que el esclavo la mantiene así y espera a que SCL vaya a alto antes de continuar. Por suerte, la mayoría de los puertos I2C de los microprocesadores manejan esto de manera automática.

Sin embargo, a veces el manejo de I2C en el dispositivo maestro no está implementado por circuito, sino que es un juego de subrutinas que maneja dos líneas de un puerto. Algunas implementaciones ignoran este estiramiento del reloj. Estas soluciones trabajarán bien con dispositivos tales como las EEPROM, pero no podrán intercambiar datos correctamente con microprocesadores esclavos que utilizan el estiramiento del pulso de reloj. Como resultado, se obtendrán datos erróneos.

Especificaciones de Philips sobre el bus I2C (PDF)

Auxiliares para control y digitalización de señales analógicas

Muchas de las señales que ingresan a un sistema digital, que provienen del mundo real y que por eso en pocas ocasiones se pueden considerar “binarias” (digital “0 y 1”, “Sí y No”, “valor” o “no valor”), son en su mayoría lecturas analógicas.

Si bien los microcontroladores incluyen entradas para señales analógicas, a veces no alcanza la precisión de lectura que poseen, o no alcanza la cantidad de entradas disponibles, y para esto necesitamos elementos auxiliares que nos ayuden a direccionarlas y leerlas, como los que presento aquí.

Convertidor analógico a digital ADS1115

Para los microcontroladores sin convertidor analógico a digital o cuando se quiere un ADC de mayor precisión, el ADS1115 proporciona una precisión de 16 bits a 860 muestras/segundo sobre I2C. El chip se puede configurar como 4 canales de entrada de un solo extremo, o dos canales diferenciales. Como una buena ventaja, incluso incluye un amplificador de ganancia programable, hasta X16, para ayudar a aumentar las señales individuales / diferenciales más pequeñas al rango completo. El ADC puede funcionar de 2 V a 5 V de alimentación lógica, puede medir un amplio rango de señales y es súper fácil de usar. Es un gran convertidor de 16 bits de propósito general.

La interconexión se realiza a través de la interfaz I2C. La dirección se puede cambiar a una de cuatro opciones para que pueda tener hasta 4 ADS1115 conectados en un solo bus I2C de 2 hilos para 16 entradas de terminación simple.

Especificaciones técnicas

Amplio rango de alimentación: 2,0V a 5,5V
Consumo de corriente bajo: Modo continuo: solo 150μA
Modo de disparo único: apagado automático
Tasas de datos programables: 8 SPS a 860 SPS (SPS = senseos por segundo)
Referencia interna de baja tensión de deriva interna: Sí
Oscilador interno: Sí
PGA incorporado: Sí (PGA = Amplificador de Ganancia Programable)
INTERFAZ I2C: Direcciones seleccionables por pines
Número de entradas analógicas: 4 simples o 2 Diferenciales
Comparador programable
Direcciones I2C: direcciones de bits entre 0x48-0x4B, seleccionables con puentes
Dimensiones mecánicas: 26.0 mm (L) x 9.4 mm (W) x 2.2 mm (H)
Separación de los pines: estándar 2,54 mm / 0,1 pulgada

Compatible con:

Placas Arduino como UNO, MEGA2560, DUE, Leonardo, Pro-mini, Pro-Micro, Nano, etc.
Raspberry Pi
ESP32, ESP8266, NodeMCU, WeMOS,
Microcontroladores PIC32, STM8, STM32, AVR, ATMEGA

Documentos y descargas:

ADS1115 Hoja de datos
ADS1115 Librería Python
ADS1115 Librería Arduino
ADS1115 Tutorial (Módulo similar, en breve publicaré nuestro propio tutorial)

Circuito típico

Conexiones

Selector analógico bidireccional CD74HC4067

Selector analógico bidireccional (multiplexor / demultiplexor) de 16 canales. Funciona como direccionador de 16 entradas analógicas a 1 vía de salida, o como 1 entrada analógica a 16 vías de salida.

Opera con alimentación entre 1,2 a 6 V.

Controla voltajes analógicos dentro del rango entre cero y el voltaje de alimentación.

Al ser bidireccionales permiten que las señales analógicas controladas sean, indistintamente, entradas o salidas. Estos selectores tienen baja resistencia al estar en estado de conducción, y alta resistencia al estar cerrados.


Ejemplos

Múltiples señales analógicas dirigidas a una entrada del microcontrolador

Múltiples Led controlados desde un único pin digital del microcontrolador

Hoja de datos:

CD74HC4067: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc4067.pdf