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¿Qué es la comunicación serie?

La electrónica integrada se conforma con circuitos interconectados (procesadores u otros circuitos integrados) para crear un sistema en el que están repartidas las funciones. Para que esos circuitos individuales intercambien su información, deben compartir un protocolo de comunicación común. Se han definido muchos protocolos de comunicación para lograr este intercambio de datos y, esencialmente, cada uno puede ubicarse en una de dos categorías: 1. Paralelo o 2. Serie.

Paralelo versus serie

Las interfaces paralelas transfieren múltiples bits simultáneamente. Por lo general, requieren barras (buses) de datos, que se transmiten a través de ocho, dieciséis o más cables. Los datos se transfieren en amplios oleajes de 1s y 0s.

Un bus de datos de 8 bits, controlado por un reloj,
que transmite un byte por cada pulso de reloj. Se utilizan 9 líneas


En cambio, las interfaces serie transmiten sus datos un bit a la vez. Estas interfaces pueden operar con tan solo un cable, por lo general nunca más de cuatro.

Ejemplo de una interfaz serie, transmitiendo un bit cada pulso de reloj. Solo se requieren 2 cables


Piense en las dos interfaces como una fila de automóviles: una interfaz paralela sería una autopista de 8 carriles o más, mientras que una interfaz en serie es más parecida a una carretera de dos carriles. Durante un lapso determinado, la autopista tiene el potencial de llevar a más personas a destino, pero en muchos casos ese sistema sencillo de dos carriles responde a su propósito, y construirlo cuesta una fracción de los fondos.

La comunicación paralela ciertamente tiene sus beneficios. Es rápida, directa y relativamente fácil de implementar. Pero requiere muchas más líneas de entrada/salida (E/S). Si alguna vez ha tenido que traspasar un proyecto de un Arduino Mega a un Arduino UNO básico, sabe que las líneas de E/S en un microprocesador pueden ser preciosas por lo limitadas. Por lo tanto, cada vez más optamos por la comunicación en serie, sacrificando una velocidad potencial para ahorrar pines.

Serie asíncrono (asincrónico)

A lo largo de los años, se han creado docenas de protocolos en serie para satisfacer las necesidades particulares de los sistemas integrados. USB (Universal Serial Bus = Bus Serie Universal) y Ethernet son dos de las interfaces serie de computación más conocidas en la actualidad. Otras interfaces serie muy comunes son SPI (del inglés Serial Peripheral Interface), I²C (del inglés Inter-Integrated Circuit) y el interfaz serie estándar TX/RX, del que hablaremos aquí. Estas interfaces serie pueden clasificarse en uno de dos grupos: sincrónico o asincrónico.

Una interfaz serie sincrónica siempre necesita tener una señal de reloj junto a las líneas de datos, por lo que todos los dispositivos en un bus serie sincrónico comparten un pulso común de reloj. Esto hace que en una transferencia en serie más directa, a menudo más rápida, también se requiera al menos un cable adicional entre los dispositivos de comunicación. Entre los ejemplos de interfaces sincrónicas están SPI e I²C.

Asincrónico significa que los datos se transfieren sin el respaldo de una señal de reloj conectada entre sistemas. Este método de transmisión es ideal para minimizar los cables necesarios, y en consecuencia la cantidad de pines de E/S utilizados, pero implica que debemos poner un poco de esfuerzo adicional en transferir y recibir datos de manera confiable. El protocolo en serie que analizaremos es la forma más común para las transferencias asincrónicas. De hecho, es tan común que cuando la mayoría de la gente dice «en serie», “o serial”, están hablando sobre este protocolo.

El protocolo serie sin reloj que analizaremos se usa ampliamente en electrónica integrada. Si está buscando agregar un módulo serie GPS, Bluetooth, XBee, LCD, o muchos otros dispositivos externos a su proyecto, es probable que necesite un interfaz serie.

Reglas de la comunicación serie

El protocolo serie asincrónico tiene una serie de reglas integradas: mecanismos que ayudan a garantizar transferencias de datos sólidas y sin errores. Estos mecanismos, que obtenemos para evitar la señal del reloj externo, son:

   ■ Bits de datos
   ■ Bits de sincronización
   ■ Bits de paridad
   ■ Velocidad en baudios

Teniendo en cuenta la variedad de estos mecanismos de señalización, vemos que no hay una sola manera de enviar datos en serie. El protocolo es altamente configurable. La parte crítica es asegurarse de que ambos dispositivos en una línea serie estén configurados para usar exactamente los mismos protocolos.

Velocidad en baudios

La especificación de velocidad de transmisión indica qué tan rápido se envían los datos a través de una línea serie. Normalmente se expresa en unidades de bits por segundo (bps). Si se invierte la velocidad en baudios, se puede averiguar cuánto tiempo se tarda en transmitir cada bit. Este valor determina durante cuánto tiempo el transmisor mantiene en alto/bajo una línea serie, o a qué velocidad muestrea su línea el dispositivo receptor.

Las velocidades en baudios pueden ser casi cualquier valor dentro de lo que permite el hardware. El único requisito es que ambos dispositivos funcionen a la misma velocidad. Una de las velocidades en baudios más comunes, especialmente para cosas simples donde la velocidad no es crítica, es de 9600 bps. Otras velocidades en baudios «estándar» son 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600 y 115200.

Cuanto mayor sea la velocidad en baudios, más rápido se envían/reciben los datos, pero existen límites para la velocidad a la que se pueden transferir los datos. Por lo general, no verá velocidades superiores a 115200, lo que es suficientemente rápido para la mayoría de los microcontroladores. Aumente demasiado y comenzará a ver errores en el extremo receptor, ya que los pulsos de reloj y los períodos de muestreo no pueden mantenerse.

Estructurando los datos

Cada bloque de datos (generalmente un byte) que se transmite se envía en realidad en un paquete de bits. Los paquetes se crean agregando bits de sincronización y paridad a nuestros datos.

Algunos símbolos en la estructura del paquete tienen tamaños de bits que son configurables.

Vamos a entrar en los detalles de cada una de estas partes de la estructura del paquete, o bloque.

Bloque de datos

La verdadera sustancia de cada paquete serie es la información que lleva. Ambiguamente llamamos a este bloque de datos un “bloque”, porque su tamaño no está específicamente establecido. En este estándar, la cantidad de datos en cada paquete se puede establecer en valores de 5 a 9 bits. Ciertamente, el tamaño de datos clásico es un byte de 8 bits, pero se usan otros tamaños. Un bloque de datos de 7 bits puede ser más eficiente que 8 si solo está transfiriendo caracteres ASCII de 7 bits.

Después de acordar la longitud para un caracter, ambos dispositivos serie también tienen que acordar el formato de sus datos. ¿Se envían los datos desde el bit más significativo (most significative bit = msb) al menos significativo, o viceversa? Si no se indica lo contrario, generalmente se puede asumir que los datos se transfieren enviando primero el bit menos significativo (least significative bit = lsb).

Bits de sincronización

Los bits de sincronización son dos o tres bits especiales transferidos con cada porción de datos. Son el bit de inicio y el(los) bit(s) de parada. Tal como indica su nombre, estos bits marcan el principio y el final de un paquete. Siempre hay un único bit de inicio, pero la cantidad de bits de parada se puede configurar en uno o dos (aunque normalmente se deja en uno).

El bit de inicio siempre se indica mediante una línea de datos inactiva que pasa de 1 a 0 (ALTO a BAJO). Los bits de parada volverán al estado inactivo manteniendo la línea en 1 (ALTO).

Bits de paridad

La paridad es una forma de comprobación de errores muy simple y de bajo nivel. Se presenta en dos variantes: impar o par. Para generar el bit de paridad, se suman todos los bits del byte de datos (5 a 9), y el resultado de la suma define si el bit es 1 o 0. Por ejemplo, suponiendo que la paridad se establece en par y se agrega a un byte de datos como 0b01011101, que tiene una cantidad impar de 1s (5), el bit de paridad quedaría en 1. Por el contrario, si el modo de paridad se configuró en impar, el bit de paridad sería 0.

La paridad es opcional, y no se usa mucho. Puede ser útil para transmitir a través de medios ruidosos, pero también ralentizará un poco la transferencia de datos y requiere que tanto el transmisor como el receptor implementen el manejo de errores (generalmente, si se detecta error, los datos recibidos con falla deben reenviarse).

Un ejemplo

9600 8N1 – 9600 baudios, 8 bits de datos, sin paridad y 1 bit de parada: es uno de los protocolos serie más utilizados. Entonces, ¿cómo se vería un paquete o dos de datos de 9600 8N1?

Un dispositivo que transmita los caracteres ASCII ‘O’ y ‘K’ tendría que crear dos paquetes de datos. El valor ASCII de O (en mayúsculas) es 79, que se divide en un valor binario de 8 bits de 01001111, mientras que el valor binario de K es 01001011. Todo lo que queda es agregar bits de sincronización.

No se establece específicamente, pero la norma más aceptada es que los datos se transfieren enviando primero el bit menos significativo. Observe cómo se envía cada uno de los dos bytes a medida que se lee de derecha (bit 0) a izquierda (bit 7).

Dado que estamos transfiriendo a 9600 bps, el tiempo empleado en mantener cada uno de esos bits alto o bajo es 1/9600 (bps) o 104 µs por bit.

Por cada byte de datos transmitidos, en realidad como mínimo se envían 10 bits: un bit de inicio, 8 bits de datos y un bit de parada. Entonces, a 9600 bps, en realidad estamos enviando 9600 bits por segundo o 960 (9600/10) bytes por segundo.

Ahora que sabemos cómo construir paquetes serie, podemos pasar a la sección de hardware. Allí veremos cómo esos 1s y 0s, y la velocidad de transmisión, se implementan a un nivel de señal.

Cableado y Hardware

Un bus serie consta de solo dos cables, uno para enviar datos y otro para recibir. Entonces, los dispositivos serie deben tener dos pines serie: el receptor: RX y el transmisor: TX.

Cableado en serie

Es importante tener en cuenta que esas etiquetas RX y TX son con respecto al dispositivo en sí. Entonces, el RX de un dispositivo debe ir al TX del otro y viceversa. Es extraño si uno está acostumbrado a conectar Vcc con Vcc, GND con GND, MOSI con MOSI, etc., pero —pensándolo— tiene sentido. El transmisor debe estar comunicándose con un receptor, no con otro transmisor.

Una interfaz en serie en la que ambos dispositivos pueden enviar y recibir datos es dúplex completo (full-duplex) o semidúplex. Full-duplex significa que ambos dispositivos pueden enviar y recibir simultáneamente. La comunicación semidúplex significa que los dispositivos serie deben turnarse para enviar y recibir.

Algunas conexiones serie pueden implementarse con una sola línea entre un dispositivo de transmisión y un dispositivo de recepción. Por ejemplo, los LCD que tienen conexión serie son solo receptores, y realmente no tienen ningún tipo de información para devolver al dispositivo de control. Esto es lo que se conoce como comunicación serie simplex. Todo lo que necesita es un solo cable desde la transmisión del dispositivo maestro a la línea RX del que recibe.

Implementación de hardware

Hasta ahora fue una cobertura de la comunicación serie asíncrona desde un lado conceptual. Sabemos qué cables necesitamos, pero, ¿cómo se implementa realmente la comunicación en serie a nivel de señal? En una variedad de formas, en realidad. Hay todo tipo de estándares para la comunicación en serie. Veamos algunas de las implementaciones de hardware más populares de serie: nivel lógico o TTL, y RS-232.

Cuando los microcontroladores y otros circuitos integrados de bajo nivel se comunican en serie, generalmente lo hacen a un nivel TTL (Transistor Transistor Logic = Lógica Transistor-Transistor). Las señales serie TTL están en el rango del voltaje que alimenta a un microcontrolador, generalmente de 0V a 3,3V, 0V o 5V. Una señal en el nivel VCC (3,3V, 5V, etc.) indica una línea inactiva, un bit de valor 1 o un bit de parada. Una señal de 0V (GND) representa un bit de inicio o un bit de datos de valor 0.

El protocolo RS-232, que se puede encontrar en algunas de las computadoras y periféricos más antiguos, es como una interfaz serie TTL puesta cabeza abajo. Las señales RS-232 generalmente oscilan entre -13V y 13V, aunque la especificación permite cualquier cosa desde +/- 3V a +/- 25V. En estas señales, un voltaje bajo (-5V, -13V, etc.) indica la línea inactiva, un bit de parada o un bit de datos de valor 1. Una señal RS-232 alta significa un bit de inicio o un bit de datos de valor 0. Eso es lo contrario del protocolo TTL.

Entre los dos estándares de señal en serie, el TTL es mucho más fácil de implementar en circuitos integrados. Sin embargo, los niveles de baja tensión son más susceptibles a sufrir pérdidas en las líneas de transmisión largas. El RS-232 o estándares más complejos —como RS-485— son más adecuados para transmisiones en serie de largo alcance.

Cuando conecte dos dispositivos serie juntos, es importante asegurarse de que coincidan los voltajes de su señal. No se puede conectar directamente un dispositivo serie TTL con una línea RS-232. Se deben adaptar esas señales.

Continuando, exploraremos la herramienta que usan los microcontroladores para convertir sus datos que se encuentran presentes en un bus paralelo desde y hacia una interfaz serial: se llama UART.

UARTs

La última pieza de este armado en serie es encontrar algo para crear los paquetes en serie y controlar las líneas de hardware físico. Esto se concreta con un módulo llamado UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmiter = Receptor/Transmisor Asíncrono Universal).

Un receptor/transmisor asíncrono universal es un bloque de circuitos responsable de implementar la comunicación en serie. En esencia, este UART actúa como un intermediario entre las interfaces paralelas y seriales. En un extremo del UART hay un bus de ocho o más líneas de datos (más algunos pines de control), en el otro lado están los dos cables serie: RX y TX.

UART simplificado
UART
Los UART existen como circuitos integrados independientes, pero en la actualidad es más común que se encuentren dentro de los microcontroladores. Debemos consultar la hoja de datos de un microcontrolador para ver si tiene algún UART. Algunos no tienen, otros tienen uno, otros tienen varios. Por ejemplo, el Arduino UNO, basado en el «antiguo y fiel» ATmega328, tiene un solo UART, mientras que el Arduino Mega, construido sobre un ATmega2560, tiene cuatro UART.

Como lo indican las letras R y T en el acrónimo, los UART son responsables de enviar y recibir datos en serie. En el lado de transmisión, un UART debe crear el paquete de datos —agregando la sincronización y los bits de paridad— y enviar ese paquete por la línea TX con una sincronización precisa (de acuerdo con la velocidad de transmisión establecida). En el extremo de recepción, el UART tiene que muestrear la línea de RX a velocidades acordes con la velocidad de transmisión que se espera, seleccionar los bits de sincronización y entregar como resultado los datos.

UART interno

Los UART más avanzados pueden enviar los datos que reciben a un archivo de memoria de respaldo, llamado búfer, donde pueden permanecer hasta que el microcontrolador vaya a buscarlos. Los UART generalmente publicarán sus datos almacenados en un búfer con un sistema de “el primero que entra es el primero que sale” (First In First Out = FIFO). Los búfer pueden tener apenas unos pocos bits, o pueden ser de gran tamaño, como miles de bytes.

Diagrama de bloques de un UART con FIFO


UARTs de software

Si un microcontrolador no tiene un UART, o no tiene suficientes, se puede implementar la interfaz en serie en bits que son controlados directamente por el procesador. Este es el enfoque que tienen las bibliotecas de Arduino como SoftwareSerial. El uso de bits es intensivo en el procesador, y no suele ser tan preciso como un UART, pero funciona en caso de necesidad.

Errores comunes

Eso fue todo lo básico sobre la comunicación en serie. Podemos dejar señalados algunos errores comunes que un ingeniero, de cualquier nivel de experiencia, puede llegar a cometer:

RX a TX, / TX a RX

Parece bastante simple, pero es un error que algunos cometen un par de veces. Por mucho que desee que sus etiquetas coincidan, siempre asegúrese de cruzar las líneas RX y TX entre los dispositivos serie.

FTDI Basic programando un Pro Mini. Note que RX y TX están cruzados


Discrepancia en la velocidad de transmisión

Los valores de baudios son como claves en lenguajes de la comunicación en serie. Si dos dispositivos no están hablando a la misma velocidad, los datos pueden ser mal interpretados o completamente perdidos. Si todo lo que el dispositivo receptor ve en su línea de recepción está compuesta de caracteres extraños, llamados “basura” en el ambiente, verifique que coincidan las velocidades en baudios definidas en ambos extremos.

Datos transmitidos a 9600 bps, pero recibidos a 19200 bps. Desajuste de baudios = basura


Contención de transferencia en la línea

La comunicación en serie está diseñada para permitir que solo dos dispositivos se comuniquen a través de un bus en serie. Si más de un dispositivo está intentando transmitir en la misma línea serie, podría encontrarse con una contención de bus.

Por ejemplo, si está conectando un módulo GPS a su Arduino, puede conectar la línea de transmisión de ese módulo a la línea RX de Arduino. Pero ese pin Arduino RX ya está conectado al pin TX del convertidor de USB a serie (por ejemplo un chip FTDI) que se usa cada vez que se programa el Arduino, o se usa el Monitor Serie. Esto establece la situación potencial en la que tanto el módulo GPS como el chip FTDI intentan transmitir en la misma línea al mismo tiempo.

Ejemplo de contención de línea (o bus)

No es bueno que dos dispositivos intenten transmitir datos al mismo tiempo en la misma línea. En el mejor de los casos, ninguno de los dispositivos podrá enviar sus datos. En el peor de los casos, las líneas de transmisión de ambos dispositivos se volverán locas (aunque eso es raro y generalmente están protegidos contra esta situación).

Puede ser seguro conectar varios dispositivos receptores a un solo dispositivo de transmisión. Realmente no cabe dentro de las especificaciones, y probablemente esté mal visto por un ingeniero experimentado, pero funcionará. Por ejemplo, si conectamos un LCD serie a un Arduino, el método más sencillo puede ser conectar la línea RX del módulo LCD a la línea TX del Arduino. El TX de Arduino ya está conectado a la línea RX del programador USB, pero eso deja solo un dispositivo controlando la línea de transmisión.

Implementación segura pero dudosa de un transmisor y dos receptores

La distribución de una línea de transmisión de este tipo puede ser peligrosa desde la perspectiva del firmware, ya que no puede elegir qué dispositivo recibe cual transmisión. La pantalla LCD terminará recibiendo datos que no están destinados a ella, lo que podría ordenarle que pase a un estado desconocido.

Hay formas de implementarlo, usando un poco de hardware adicional, pero esto es tema para otro artículo.

Manejo preciso de servos en Arduino: grados y milisegundos

Siendo miembro de grupos donde uno se entera de diversos problemas que se les presentaron a otros, a veces uno que resulta básico pero nunca se le ha presentado. En este caso se trató de un problema con el manejo de un servo que es el más vendido para los que se inician, y que a demás viene con los kits básicos de Arduino: el mini o micro servo SG90. El problema se presenta con la biblioteca Servo, pero también puede ocurrir con otro programa.

Me dije —ya que he manejado servos desde antes de que apareciera Arduino— que el problema debía ser una señal de posicionamiento incorrecta. Para entender bien de qué hablo, le pueden dar una mirada al artículo Servos: características básicas.

Una señal se comprueba con osciloscopio. Por suerte dispongo tanto de uno antiguo, con pantalla CRT, como de los que se pueden comprar ahora dentro de la familia Arduino, dotado de un pantalla TFT.

Después de algunas mediciones, me di cuenta de que el funcionamiento de la biblioteca Servo.h de Arduino deja un poco que desear, ya veremos por qué. Pero también ofrece una herramienta (en la función servo.attach) que, bueno, puede ser que no hayamos investigado y que por algo está disponible. Esto puede parecer algo para principiantes, pero hasta que uno empieza a tener estas complicaciones no se da cuenta, y luego de tener una comprensión mejor se logra usar la biblioteca de servo de Arduino con facilidad y dominando lo que hace.

Función write()

La razón de ser de una biblioteca es que uno se pueda desentender del manejo de programa específico de un elemento conectado a una placa de microcontrolador, y bueno, la biblioteca Servo de Arduino fue hecha para facilitar el control de los servos con un mínimo de código y complicaciones. La página de referencia de Arduino para el comando write(), que es parte de la biblioteca Servo.h, trae el siguiente código de ejemplo:

Este código de ejemplo le indica a un servo, conectado en este caso al pin 9, que se mueva a su posición central (que se define como 90°). Si se tratara de un servo de rotación continua, esto detendrá el movimiento del servo… pero este es tema para otro artículo.

Al correr este pequeño programa de demostración, los servos que se han conectado a ese pin se colocarán en sus posiciones centrales. Pero bueno, si lo consideramos desde la faceta mecánica, este punto medio puede que en algunos servos no sea exactamente el centro del arco completo del recorrido.

Un pulso con un ancho de 1.500 microsegundos debe corresponder a 90°, posición definida como el punto central del recorrido. Los servos más comunes aceptan entradas de 1.000 µs (1 ms) a 2.000 µs (2 ms), y 1.500 µs (1,5 ms) correspondientes a la posición central. Para un servo con un recorrido de 0 a 180°, esto sería 90°.





Ahora me toca aclarar que siempre utilicé valores en microsegundos para controlar servos, ya que la precisión del posicionamiento es mucho mayor. La biblioteca de servos permite usar el comando writeMicroseconds, que define el ancho de pulso exacto que se desea enviar a un servo. Los problemas comienzan cuando se usan ejemplos —ya escritos— en los que se utiliza el comando de escritura con un parámetro en grados (en el ejemplo de arriba, 90°).

Parecería lógico que un comando de escritura que instruye a un servo para que se ajuste a 90° debería enviar los mismos pulsos que un comando writeMicroseconds que envía pulsos de 1.500 µs. Es decir, write(90) y writeMicroseconds(1500) deberían enviar pulsos idénticos de 1500 µs. Pero resulta que esta suposición puede llevarnos a problemas.

Basándome en un ejemplo de internet, subí el siguiente código a un Arduino UNO R3, y visualicé las señales con osciloscopio.

Aquí es cómo se ven las salidas de los pines 3, 4 y 5:

■ El pin 3 de Arduino, fijado en 90°, da un pulso de 1,472 ms
■ El pin 4 de Arduino produce un pulso de 1.500 µs: 1,500 ms
■ El pin 5 de Arduino, fijado en 90°, da un pulso de 1,500 ms

El ancho de pulso se mide con el programa del osciloscopio. Por las dudas de que sea un problema técnico del osciloscopio, midiendo con un papel superpuesto sobre la pantalla se puede observar que sí existe la diferencia.

Y también al superponer señales, se observa la diferencia.

Esta diferencia entre 1.472 µs y 1.500 µs es pequeña y puede ser que ni siquiera implique diferencias en las posiciones del servo.

Si se observa la señal de servo3, que también programa el movimiento del servo con el parámetro de colocarse en posición de 90°, se nota que el ancho del pulso es correcto, 1.500 µs, el mismo que para servo2, para el que se fijó el pulso en forma directa en 1.500 µs.

El comando write(90) es el mismo en la primera y la tercera señal de servo, así que… ¿por qué uno envía un pulso de 1,472 ms y el otro 1,500 ms?

Arduino attach()

La respuesta está en el comando attach de la librería Servo. La página de referencia de Arduino enumera dos formas del comando:

La primera versión es el código mínimo que requiere un programa para designar un pin de E/S para el control de un servo. El segundo formato incluye dos parámetros muy importantes, pero opcionales, que determinan el rango mínimo y máximo de ancho de pulso para el programa. Es posible que en el ejemplo de arriba, el uso de límites en el segundo servo haya acomodado los valores de tiempo para que el tercero reciba un pulso correcto; pero al volver el bucle al principio y correr la función para 90º sin topes definidos, se vuelve a desacomodar.

Tanto en la página de referencia del comando attach en arduino.cc como en la propia biblioteca Servo, se establece claramente que las configuraciones mínimas y máximas predeterminadas son 544 y 2.400 µs, respectivamente. Pero como hay servos con diferentes extremos de carrera, se pueden fijar estos límites “opcionales” de ancho de pulso, que en realidad —para evitar dolores de cabeza y roturas de los servos— sería bueno acostumbrarse a usar.

Si uno está habituado a usar el comando writeMicroseconds en lugar de write, es posible que nunca haya pensado en los parámetros de ancho de pulso mínimo y máximo. Pero si se usa el comando write y se establecen las posiciones de los servos con ángulos y grados, entonces DEBEMOS definir explícitamente estos parámetros en los programas de Arduino que usan Servo.h, previa lectura de los datos indicados en la hoja de datos del servo utilizado. O si no, definiéndolos experimentalmente; porque hasta existen diferencias entre servos del mismo modelo.

Para definir los valores correctos de extremos de recorrido de un servo, puede utilizar un montaje como el que sigue, que se trata de una cartulina impresa y una aguja señaladora de cartón en el eje del servo, y enviar comandos con writeMicroseconds() hasta lograr el valor para el ángulo cero y el ángulo 180. El disco lo imprimí con un programa on-line muy útil para crear imágenes de discos de encoder.

Ingrese a esta página y pruebe primero con los siguientes parámetros:

Luego puede jugar con los valores hasta lograr el dibujo que usted necesite. Hay otras opciones en internet, incluso hay generadores de código postscript que se puede leer en Corel y que corren en Windows. Es cuestión de buscar.

Solución para la librería Servo

En el código de ejemplo, para la tercera señal de servo no dejaremos los anchos de pulso predeterminados y fijaremos los límites con los valores 1.000 y 2.000 µs. Esta es la razón por la que las señales del primero y tercer servo envían pulsos diferentes aunque se utilicen comandos idénticos.

Además de que no lograremos posicionamientos correctos de los servos con señales ligeramente descentradas, un servo podría interpretar de manera impredecible los anchos de pulso por encima o por debajo de los límites para los que fue diseñado. Los pulsos por debajo y por encima del límite también pueden dañar físicamente un servo.

Si un servo con recorrido de 0 a 180° está diseñado para responder a pulsos de 1.000-2.000 µs, interpretará 1.000 µs como 0°, y 2.000 µs como 180°. Pero, con un rango de límites de ancho de pulso predeterminado de 544 a 2.400 µs, el Arduino enviará una señal de ~1.000 µs para un ángulo de 44°. Un rango de pulsos de 1.000 a 2.000 µs se convertirá en un recorrido mecánico total de ~90° del eje del servo en lugar de 180°. Este y otros problemas potenciales pueden evitarse si se usan microsegundos en lugar de ángulos en grados, o si los parámetros opcionales de ancho de pulso para los extremos se definen en la configuración de pines para cada servo.

Es muy común que se dé por sentado que las bibliotecas de Arduino funcionan correctamente con sólo unos simples parámetros. La próxima vez que sus servos actúen de forma impredecible en un nuevo proyecto, vuelva a verificar que ha establecido los límites de ancho de pulso en la configuración del pin. Puede que con esto sea suficiente y se ahorre gran cantidad de tiempo.



Translatotron, el primer traductor simultáneo

La tecnología, elemento indispensable para romper las barreras, también idiomáticas. La evolución de los servicios basados en Inteligencia Artificial supera nuevos desafíos. Varias décadas después de desarrollar los primeros «convertidores» de audio, Google ha sido capaz de desarrollar un software que puede traducir la voz humana -de un idioma- a otro directamente sin necesidad de realizar ninguna conversión a texto.

Su nombre, sin embargo, suena a película de ciencia-ficción; Translatotron. No oculta sus intenciones porque está concebido para mejorar la relación entre el humano y la máquina, pero, como extensión, mejorar las comunicaciones entre personas igualando así sus condiciones (y limitaciones) idiomáticas. Un sistema que, en un futuro, puede dar pie a traductores automáticos como si se tratase de un teléfono móvil y que supone un nuevo paso en la traducción simultánea.

Esta herramienta combina diferentes tecnologías ya desarrolladas que empiezan, además, a formar parte de la jungla electrónica en la que reside el usuario. Tradicionalmente, estos sistemas eran independientes. Ahora, al separar la conversación en tres escenarios se pueden combinar. Así, el funcionamiento de Translatotron se basa en un solo proceso: en lugar de dividirlo en distintas fases como sucede en los sistemas de traducción actuales, que se apoyan en mecanismos de síntesis de voz a texto: reconocimiento de voz automático que transcriben la voz de origen como texto, los sistemas de traducción automática que convierten el texto transcrito al idioma de destino y, por último, la capacidad de sintetizar texto y voz para generar audio. Es decir, una traducción simultánea y sin apenas intermediarios, aunque no es perfecto: cada uno de estos pasos va arrastrando pequeños errores.

Google va más allá; ahora ha ideado el mecanismo para traducir de manera automática y realizar una traducción de voz a voz, con resultados muy precisos e, incluso, intentar «imitar» el habla de la persona. «Este sistema evita dividir la traducción en etapas separadas, con lo que aporta algunas ventajas sobre otras soluciones, incluido una mayor velocidad y evitando errores de composición entre el reconocimiento y la traducción, lo que facilita la retención de la voz del hablante original después de la traducción y un mejor manejo de palabras que no necesitan ser traducidas, por ejemplo, nombres propios», señalan en un comunicado fuentes del gigante de internet.

El proyecto, todavía en fase de pruebas, se basa en una red de secuencia a secuencia que procesa el audio de origen en espectrogramas -desgloses detallados de frecuencias del audio- y lo trata como un código de entrada, generando otros nuevos modelos de audio con contenido traducido para, posteriormente, convertir en idioma de destino. La gran aportación es que este proceso retiene el carácter de la voz original, por lo que la traducción, al final, no se realiza de forma robótica y enlatada sino intentando conservar algunos detalles del timbre de la voz, su color, la cadena e, incluso, el tono de la frase original.

Así, puede añadirse un mecanismo adicional que aprende las características del habla de una persona y que las codifica para lograr mantener su tono para utilizarlo posteriormente en la sintetización de la traducción de voz. En todo el proceso, la Inteligencia Artificial de Google utiliza objetivos multitarea para predecir los movimientos de la fuente, al mismo tiempo que genera los espectogramas de la traducción.La compañía ha expuesto, además, algunos logros alcanzados por este ingenio a través de varios clips de audio.



Chip de cómputo basado en luz funciona similar a las neuronas

¿Una tecnología que funciona como un cerebro? En estos tiempos de inteligencia artificial, esto ya no parece tan inverosímil; por ejemplo cuando un teléfono móvil puede reconocer caras o idiomas. Sin embargo, con aplicaciones más complejas, las computadoras aún se enfrentan rápidamente a sus propias limitaciones. Una de las razones de esto es que una computadora tradicionalmente tiene unidades separadas de memoria y procesador, cuya consecuencia es que todos los datos deben enviarse entre los dos. En este sentido, el cerebro humano está muy por delante incluso de las computadoras más modernas porque procesa y almacena información en el mismo lugar, en las sinapsis o conexiones entre neuronas, de las cuales hay trillones en el cerebro. Un equipo internacional de investigadores de las Universidades de Münster (Alemania), Oxford y Exeter (ambos del Reino Unido) han tenido éxito en el desarrollo de una pieza de hardware que podría abrir camino para crear computadoras que se parezcan al cerebro humano. Los científicos lograron producir un chip que contiene una red de neuronas artificiales que funciona con la luz y puede imitar el comportamiento de las neuronas y sus sinapsis.

Los investigadores pudieron demostrar que una red neurosináptica óptica es capaz de «aprender» la información y usarla como base para calcular y reconocer patrones, al igual que un cerebro. Como el sistema funciona solo con luz y no con electrones tradicionales, puede procesar datos muchas veces más rápido. «Este sistema fotónico integrado es un hito experimental», dice el profesor Wolfram Pernice de la Universidad de Münster y socio principal del estudio. «El abordaje podría usarse más adelante en muchos campos diferentes para evaluar patrones en grandes cantidades de datos, por ejemplo, en diagnósticos médicos». El estudio se publica en el último número de la revista «Nature».

La historia en detalle – financiación y método utilizado

La mayoría de los abordajes existentes relacionados con las llamadas redes neuromórficas se basan en la electrónica, mientras que los sistemas ópticos, en los que se utilizan fotones, es decir, partículas de luz, aún están en su infancia. El principio que los científicos alemanes y británicos han presentado ahora funciona de la siguiente manera: las guías de ondas ópticas que pueden transmitir luz y pueden fabricarse en microchips ópticos se han integrado con los llamados materiales de cambio de fase, que ya se encuentran en medios de almacenamiento como el DVD regrabable. Estos materiales de cambio de fase se caracterizan por el hecho de que cambian dramáticamente sus propiedades ópticas dependiendo de si son cristalinos, cuando sus átomos se organizan de manera regular, o amorfos, cuando sus átomos se organizan de manera irregular. Este cambio de fase puede ser activado por la luz si un láser calienta el material. «Debido a que el material reacciona con tanta fuerza y cambia sus propiedades dramáticamente, es muy adecuado para imitar las sinapsis y la transferencia de impulsos entre dos neuronas», dice el autor principal Johannes Feldmann, quien realizó muchos de los experimentos como parte de su tesis doctoral en la universidad de Munster.

En su estudio, los científicos lograron por primera vez fusionar muchos materiales de cambio de fase nanoestructurados en una red neurosináptica. Los investigadores desarrollaron un chip con cuatro neuronas artificiales y un total de 60 sinapsis. La estructura del chip, que consta de diferentes capas, se basó en la llamada tecnología multiplex de división de longitud de onda, que es un proceso en el que la luz se transmite a través de diferentes canales dentro del nanocircuito óptico.

Para probar en qué medida puede reconocer patrones el sistema, los investigadores lo «alimentaron» con información en forma de pulsos de luz, utilizando dos algoritmos diferentes de aprendizaje automático. En este proceso, un sistema artificial «aprende» de ejemplos y puede, en última instancia, generalizarlos. En el caso de los dos algoritmos utilizados, tanto en el llamado aprendizaje supervisado como en el no supervisado, la red artificial pudo, en última instancia, y sobre la base de determinados patrones de luz, reconocer un patrón que se estaba buscando, uno de los cuales era cuatro letras consecutivas.

«Nuestro sistema nos ha permitido dar un paso importante hacia la creación de hardware para computadoras que se comporta de manera similar a las neuronas y las sinapsis en el cerebro, y que también puede trabajar en tareas del mundo real», dice Wolfram Pernice. «Al trabajar con fotones en lugar de electrones, podemos aprovechar al máximo el potencial conocido de las tecnologías ópticas, no solo para transferir datos, como ha sido hasta ahora, sino también para procesar y almacenarlos en un solo lugar», agrega el coautor, Prof. Harish Bhaskaran, de la Universidad de Oxford.




Un ejemplo muy específico es que, con la ayuda de dicho hardware, se podrían identificar automáticamente las células cancerosas. Sin embargo, habrá que trabajar bastante para que estas aplicaciones se conviertan en realidad. Los investigadores necesitan aumentar la cantidad de neuronas artificiales y sinapsis, y aumentar la profundidad de las redes neuronales. Esto se puede hacer, por ejemplo, con chips ópticos fabricados con tecnología de silicio. «Este paso se debe tomar en el proyecto conjunto ‘Fun-COMP’ de la UE mediante el uso del procesamiento de fundición para la producción de nanochips», dice el coautor y líder del proyecto Fun-COMP, el profesor C. David Wright de la Universidad de Exeter.

Este trabajo de colaboración fue financiado por la DFG de Alemania, la EPSRC del Reino Unido y el ERC de la Comisión Europea, y los programas H2020 (el proyecto Fun-COMP).

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• Fuente de la historia: Materiales proporcionados por la Universidad de Münster. Referencia de la publicación: J. Feldmann et al. “All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities” (Redes neurosinápticas totalmente ópticas con capacidades de autoaprendizaje). Nature, 2019 DOI: 10.1038 / s41586-019-1157-8. Universidad de Münster. «Step towards light-based, brain-like computing chip» (Paso hacia un chip de computación similar a un cerebro basado en la luz). ScienceDaily, 8 de mayo de 2019.



Investigadores belgas muestran cómo esconderse de la vigilancia con cámaras de IA

El software de reconocimiento de imágenes con aprendizaje automático puede ser engañado con una impresión a color.

La tecnología de video controlada por Inteligencia Artificial (IA) se está volviendo ubicua, rastreando nuestras caras y cuerpos en comercios, oficinas y espacios públicos.

En algunos países, la tecnología constituye un nuevo y poderoso instrumento de vigilancia policial y gubernamental.

Afortunadamente, como algunos investigadores de la universidad belga KU Leuven han demostrado recientemente, a menudo es posible que alguien se esconda de un sistema de video con IA con la ayuda de una simple impresión en color.

¿Quien lo dijo?

Los investigadores demostraron que la imagen que diseñaron puede esconder a una persona completa de un sistema de visión computarizado controlado por IA. Lo demostraron en un popular sistema de reconocimiento de objetos de código abierto llamado YoLo v2.

Esconderse

El truco podría permitir que los delincuentes se escondan de las cámaras de seguridad, u ofrecer a los disidentes una manera de esquivar el escrutinio del gobierno. «Lo que nuestro trabajo demuestra es que es posible eludir los sistemas de vigilancia de cámaras con parches ‘adversarios’», dice Wiebe Van Ranst, uno de los autores.

Piérdete

Van Ranst dice que no debería ser demasiado difícil adaptar la orientación del diseño de los sistemas de videovigilancia estándar.

“En este momento también necesitamos saber qué detector está en uso. «Lo que nos gustaría hacer en el futuro es generar un parche que funcione con varios detectores al mismo tiempo», dijo a MIT Technology Review. «Si esto funciona, hay muchas posibilidades de que el parche también funcione en el detector que está en uso en el sistema de vigilancia».




Misión de tontos

El engaño demostrado por el equipo belga explota lo que se conoce como aprendizaje automático adversarial. La mayoría de la visión por computador se basa en entrenar una red neuronal (convolucional) para reconocer diferentes cosas al proporcionarle ejemplos y ajustar sus parámetros hasta que clasifique los objetos correctamente.

Al alimentar ejemplos en una red neuronal profunda entrenada y monitorear la salida, es posible inferir qué tipos de imágenes confunden o engañan al sistema.

Ojos en todas partes

El trabajo es importante porque cada vez se encuentra más IA en las cámaras y el software de vigilancia habitual.

Incluso se está utilizando para obviar la necesidad de una línea de pago en algunas comercios experimentales, incluidos los operados por Amazon.

En China, la tecnología está emergiendo como un nuevo y poderoso medio para atrapar delincuentes. Y, lo que es más preocupante, también se utiliza mundialmente para rastrear a ciertos grupos étnicos.

Artículo original: MIT Technology Review, 23 de abril de 2019

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