Dotata di 32 ingressi/uscite sia digitali che analogici e supportata da un protocollo di comunicazione ad hoc, si programma con l’IDE Arduino.
Nonostante l’esistenza di molte schede embedded, le interfacce USB per Personal Computer sono ancora molto richieste, soprattutto nelle applicazioni in cui bisogna eseguire dei controlli tramite software.
Per questo vogliamo proporvi una scheda in grado di comandare degli utilizzatori tramite relé, acquisire segnali analogici o digitali tramite specifici ingressi, che sia gestibile da PC mediante un protocollo di comunicazione e infine che sia integrabile nelle vostre applicazioni in maniera semplice e veloce. Per poter fornire l’alimentazione a tutti gli elementi circuitali, la nostra periferica non viene alimentata dai 5V della connessione USB ma da un ingresso dedicato a 12 Vcc.
Altra caratteristica rilevante di questo circuito è che la gestione degli utilizzatori è affidata ad un microcontrollore ATmega2560 montato su un modulo “protoboard” (disponibile con codice MEGA2560PRODB) che ci dà la possibilità sia di programmarlo con l’IDE Arduino sia di implementare facilmente il protocollo di comunicazione nello sketch.
La compatibilità con il mondo Arduino porta vantaggi in termini di facilità di scrittura e debug dei programmi, per coloro che non dispongono di costosi sistemi di sviluppo dedicati. Per quanto riguarda le linee di ingresso e uscita, questo circuito dispone di ben 32 I/O così ripartiti: 8 ingressi digitali, 8 uscite digitali, 8 uscite analogiche, altrettanti ingressi ed eventualmente può essere abbinato ad un modulo relé ad 8 canali. Per gli otto ingressi analogici, la gestione è affidata a convertitori ADC e DAC a 10 bit. Per il funzionamento dell’interfaccia è disponibile un apposito protocollo attraverso il quale è possibile leggere i livelli dei segnali presenti sugli ingressi e comandare tutte le uscite.
Per facilitare il test dei programmi, abbiamo previsto sulla scheda alcune risorse hardware (essenzialmente dei LED) che consentono di verificare immediatamente il corretto funzionamento della scheda e dei programmi caricati; in sostanza l’interfaccia si comporta anche come una demoboard.
Schema elettrico della scheda I/O USB
Per meglio comprendere il funzionamento della scheda diamo subito un’occhiata allo schema a blocchi. La sezione di comunicazione col PC fa capo alla board basata su ATmega2560 (siglata IC7 nello schema elettrico), la quale integra un transceiver USB/TTL di tipo CP2102/9 della Silabs, che provvede all’interfacciamento USB tra il microcontrollore (le linee dell’UART, per l’esattezza…) ed il computer; la scheda, quando collegata ad un PC, viene alimentata tramite i 5 V forniti dalla porta USB ed è galvanicamente accoppiata attraverso la massa, comune a quella dello stadio di alimentazione.
Dispone di 54 ingressi/uscite digitali (di cui 14 possono essere utilizzate come uscite PWM), 4 UART (porte seriali), 16 ingressi analogici, un oscillatore quarzato a 16 MHz, un connettore micro USB, un header per l’ICSP e un pulsante di reset.
Come accennato, la scheda può essere alimentata direttamente tramite il connettore microUSB (per la programmazione o la simulazione di applicazioni a basso assorbimento di corrente) o tramite il pin 5V. Due LED a bordo e LD1 e LD2 sulla scheda, segnalano il colloquio sull’USB attraverso il convertitore USB/TTL della Silabs.
Mentre la sezione d’ingresso dell’IC7 viene alimentata con i 5 volt presenti sulla porta USB, tutto il resto del circuito viene fatto funzionare con l’alimentazione esterna proveniente dalla presa jack PWR, la quale alimenta un regolatore di tensione lineare (VR1) che ricava 5V ben stabilizzati e può erogare la corrente richiesta.
Questa parte circuitale alimenta direttamente i buffer degli ingressi (IC3), il DAC (IC4), gli operazionali e anche parte del modulo basato sull’ATmega2560. Gli otto ingressi analogici fanno capo ciascuno ad un amplificatore operazionale in configurazione non-invertente, di cui è possibile scegliere tra due valori del guadagno in tensione: 1 e 2. Infatti, prendendo a riferimento l’operazionale IC2a (fermo restando che quanto spiegato per questo vale per tutti gli altri operazionali presenti nel circuito…) le resistenze R37 ed R53 sono di ugual valore (10 kohm ciascuna) quando il jumper AD8 è aperto l’amplificatore ha guadagno unitario, mentre con il predetto jumper chiuso il guadagno è pari a:
Gv = (10+10) kohm / 10 kohm
quindi, appunto, 2 volte in tensione.
L’uscita di ciascuno degli operazionali fornisce la propria tensione unidirezionale ad un ingresso analogico del modulo IC7, ovvero A7 legge l’uscita di IC2a, A6 quella di IC2b, A5 quella di IC2c e via di seguito.
Per effetto di questa configurazione e dell’A/D converter a 10 bit integrato nel modulo Arduino, il valore della tensione di ciascun ingresso INADC (0÷5V o 0÷10V a seconda di come viene impostato il dip switch sulla retroazione, che ad esempio per IC2a è l’AD8) viene convertito in un valore numerico, con la possibilità di apprezzare valori dell’ordine di 10 mV, vale a dire con risoluzione di 10 mV.
Le otto uscite analogiche utilizzano, invece, un comune DAC a 8 bit; anche in questo caso l’escursione della tensione (questa volta d’uscita) può essere compresa tra 0 e 5 V o tra 0 e 10 V, a seconda di come viene impostato il dip switch sulla retroazione dell’operazionale sulle uscite OUTDAC. Come desumibile dallo schema elettrico, mentre l’acquisizione dei segnali agli ingressi analogici viene effettuata internamente al modulo Arduino, la conversione digitale/analogico viene effettuata da un DAC esterno, pilotato dall’IC7 attraverso tre linee binarie che sono le D10, D51 e D52, utilizzate rispettivamente come LOAD, DATA e CLK (clock) per il latch d’ingresso dell’IC4.
Quest’ultimo è un DAC ad ingresso seriale, dove si caricano 8 bit alla volta inviati serialmente all’input DATA e scanditi dal clock, ogni volta che il piedino LOAD commuta a livello alto.
Il DAC utilizzato nella scheda è un TLC5628C capace di fornire in uscita una tensione da 0 a 5V in funzione del valore che la relativa stringa ad 8 bit ricevuta sul pin DATA presenta; ogni volta che viene completato il caricamento di una stringa di 8 bit, avviene la conversione in blocco e la rispettiva uscita presenta il valore corrispondente.
Essendo, ciascuna tensione, espressa con 8 bit e quindi con valore decimale compreso fra 0 e 255, sono possibili 256 valori discreti e quindi si ottiene una risoluzione di 40 mV, nel senso che la tensione all’uscita analogica può variare a scatti di 40mV.
Più esattamente, il DAC è a otto canali, tante quante vogliamo che siano le nostre uscite analogiche, pertanto il modulo Arduino ATmega2560 invia una stringa complessivamente formata da 64 bit di dati: 8 per ciascun canale.
Il controllo digitale del TLC5628C avviene tramite un semplice bus seriale a tre fili compatibile con livelli CMOS/TTL e facilmente interfacciabile a tutti i più diffusi dispositivi a microprocessore e microcontrollore. La word di comando è in realtà a 12 bit e comprende gli 8 bit di dati, tre bit di selezione canale DAC e un bit che consente la selezione della gamma di tensione d’uscita: nel nostro caso la stringa imposta un valore massimo della tensione di uscita pari a Vref (x1) e quindi, con i valori attuali di R62 ed R63, un’escursione compresa fra 0 e 2,5V.
I registri DAC sono a doppio buffer, consentendo un set completo di nuovi valori da scrivere sul dispositivo, tutte le uscite DAC vengono aggiornate contemporaneamente tramite il controllo interno LDAC. La funzione di refresh simultaneo implementata nel componente fa in modo che i dati degli 8 canali siano memorizzati fino alla successiva ricezione dei dati e quindi aggiornati simultaneamente alle uscite.
Un’interessante funzione offerta dal nostro DAC è il ripristino all’accensione, che consente di memorizzare gli ultimi valori e riproporli all’accensione.
I singoli stati DAC producono una tensione di uscita che varia tra uno o due volte la tensione di riferimento applicata a REF1-REF2 rispetto a GND.
Come vedete nello schema elettrico del circuito, ciascuna uscita del DAC pilota l’ingresso di uno stadio amplificatore ad operazionale in configurazione non-invertente con guadagno in tensione selezionabile fra 1 e 4, rispettivamente lasciando lo switch aperto oppure chiudendolo; prendendo ad esempio IC5d (ma quanto esposto vale per tutti gli altri operazionali posti sull’uscita…) se DA1 viene lasciato aperto, l’operazionale guadagna 1 (funziona da buffer) mentre se si chiude il guadagno diviene pari a:
Gv = (30+10) kohm / 10 kohm
quindi 4 volte in tensione.
Gli operazionali relativi alle otto linee di uscita sono contenuti a quattro per volta in integrati di tipo TLV274 della Texas Instruments, i quali sono dei quadrupli operazionali con uscita rail-to-rail, ossia capaci di sfruttare praticamente l’intera tensione di alimentazione, quindi di avere l’uscita la cui tensione spazia tra massa e il potenziale applicato al piedino 4 (12V). L’utilizzo degli operazionali consente di disporre su ciascuna uscita di una corrente di circa 100 mA che il convertitore DAC integrato nel modulo Atmega (IC7) impiegato in questa sezione non sarebbe in grado di erogare.
Passiamo adesso agli 8 ingressi e alle 8 uscite digitali, che sono abbastanza veloci da spiegare: gli ingressi accettano livelli TTL (0/5V) e nel caso di tensioni più alte è sufficiente fare ricorso a dei partitori resistivi; i DIGITAL INPUTS, come vedete, si avvalgono di resistori di pull-up integrati nella rete resistiva RA2 e di un line-driver ULN2803, composto da un Darlington NPN per ciascuna delle 8 linee che gestisce.
Il pull-up è necessario perché ciascun ingresso è considerato attivo a zero logico (ossia chiuso a massa) in quanto il line-driver inverte lo stato logico e lo presenta alla rispettiva linea dell’IC7, inizializzata come input; siccome ciascun Darlington dell’ULN2803 è open-collector, viene mantenuto a livello alto quando è interdetto, mediante una resistenza della rete resistiva RA3, in serie alla quale abbiamo posto un LED per rendere visibile lo stato logico, secondo questa convenzione: LED acceso significa ingresso aperto (e Darlington in saturazione), mentre LED spento significa input a zero logico. Per quanto riguarda le 8 uscite digitali (DIGITAL OUTPUTS) corrispondono ciascuna ad una linea di I/O dell’IC7 inizializzata come output ed ognuna pilota un LED attraverso il rispettivo resistore di limitazione della corrente, facente parte della rete resistiva RA1. Considerato l’assorbimento di ciascun LED, ogni uscita può erogare circa 30 mA massimi.
Volendo pilotare utilizzatori elettrici che devono essere galvanicamente isolati dalla scheda o che necessitino di una certa corrente, è possibile collegare al pin-strip delle uscite (OUTDIG) una scheda a relè, come ad esempio la Modulo 8 relè 5 Vdc 10A della Futura Elettronica, reperibile con il Codice prodotto RELAY8CH.
A riguardo considerate che la nostra scheda d’interfaccia prevede già dei fori per poter applicare, tramite colonnine distanziali da 25 mm, la scheda relè, non a caso nelle foto in queste pagine potete vedere l’insieme delle due unità.
Concludiamo la descrizione della scheda con il blocco di alimentazione, che prende tensione (tipicamente 12Vcc) dalla presa jack PWR e la filtra mediante i condensatori C1 e C2 prima di inviarla al regolatore lineare VR1, un comune 7805, affinché esso ricavi 5Vcc con i quali funziona l’intera logica, oltre alla “batteria” di amplificatori operazionali degli input analogici.
Gli operazionali d’uscita, invece, sono alimentati direttamente con i 12V presenti all’ingresso del regolatore, ragion per cui la tensione applicata a PWR dovrebbe essere stabilizzata o comunque non dovrebbe scendere al disotto degli 11V, per assicurare la piena ampiezza della tensione alle uscite analogiche (10V). Completano questa sezione i condensatori di filtro sparsi opportunamente e in gran quantità in varie zone del circuito stampato, in prossimità dei circuiti integrati più sensibili ai disturbi e chiaramente della board Arduino ATmega 2560, che è un componente critico, dato che contiene il “cervello” della demoboard.
Collaudo
Per alimentare la nostra scheda è necessario fare uso di una fonte (non necessariamente stabilizzata) di alimentazione che eroghi una tensione di 12÷13 volt in continua ed una corrente di 500 mA; tale corrente è sufficiente per il funzionamento, anche con a bordo una scheda relè a 8 canali.
La verifica del funzionamento del circuito va svolta in due fasi; in un primo tempo va controllato il funzionamento dell’hardware mentre successivamente andremo a verificare che il circuito risponda ai comandi software, almeno di quelli base.
Alimentiamo dunque il circuito e, con un cavo USB, colleghiamo l’interfaccia al PC.
Se tutto funziona correttamente i LED LD3 (presenta alimentazione esterna) e LD4 si illumineranno, mentre LD1 e LD2 (connessione USB) inizieranno a lampeggiare dopo il corretto riconoscimento della scheda da parte del PC.
Gli altri sedici LED di bordo che segnalano lo stato delle uscite e degli ingressi digitali si illuminano quando le uscite sono attive o gli ingressi vengono posti a massa.
Per quanto riguarda i jumper presenti nel circuito, ricordate che vanno utilizzati per modificare (da 5 a 10 volt) l’escursione delle tensioni analogiche di ingresso e uscita.
Elenco Componenti:
R1:1,2 kohm (0603) R2 R3, R4: 470 ohm (0603) R5: 4,7 kohm (0603) R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13: 47 ohm (0603) R22÷R61: 10 kohm (0603) R14÷R21: 30 kohm (0603) R62, R63: 1 kohm (0603) RA1, RA3: Array resistenze 8x1 kohm + C RA: Array resistenze 8x10 kohm + C C1, C3, C5: 100 nF 50 VL ceramico (0603) C2: 470 F 16 VL elettrolitico (ø 8 mm) C4, C6, C11: 220 µF 6,3 VL elettrolitico (ø 6.3 mm) C7, C8, C10: 100 nF 50 VL ceramico (0603) C9: 4,7 µF 25 VL elettrolitico (ø 4 mm) LD1: LED giallo (0805) LD2, LD6÷LD21: LED rosso (0805) LD3, LD4: LED verde (0805) VR1: L7805CD2T-TR IC3: ULN2803ADW IC4: TLC5628CDW IC1, IC2, IC5, IC6: TLV274IDR IC7: Modulo Atmega2560 DA1÷DA8: Strip maschio 2 vie (16 pz.) AD1÷AD8: Strip maschio 2 vie (16 pz.) INADC, OUTDAC, INDIG: Strip maschio 10 vie (3 pz.) OUTDIG: Strip maschio 12 vie RESET: Microswitch SKQGAKE010 PWR: Plug DC 5.5/2.1 Varie - Strip femmina 21x2 vie - Strip femmina 16x2 vie - Strip femmina 3x2 vie - Jumper (16 pz.) - Circuito stampato S1568 (140x110 mm)
Utilizzo della scheda
Per una prova più approfondita delle funzionalità della scheda è possibile ricorrere semplicemente alla gestione da un qualsiasi programma di terminale, dopo aver impostato la comunicazione sulla porta COM virtuale assegnata alla porta USB del modulo Arduino ATmega2560; in alternativa è possibile impartire i comandi, secondo lo stesso protocollo che descriveremo tra breve, nella finestra del Monitor Seriale dell’IDE Arduino.
Di tale protocollo e dei comandi corrispondenti dovete tenere conto nella stesura degli sketch delle applicazioni che andrete a realizzare.
Protocollo di comunicazione
Per la nostra scheda abbiamo creato un protocollo ad-hoc ed un set di comandi impartibili dall’IDE Arduino (aprendo una sessione di Monitor Seriale) o da terminale (Mobaxterm, Telnet, Terminale di Windows o Hyper Terminal, Shell Bash di Linux ecc.) che descriveremo distinti per sezione del circuito: ingressi analogici e digitali, impostazione uscite analogiche e digitali e via di seguito.
Richiesta stato delle uscite digitali
Il comando corrispondente è composto da 8 caratteri i cui primi 4 non devono subire variazioni, mentre i successivi 3 sono dinamici in base al tipo di richiesta che si vuole fare, ovvero richiesta di stato o commutazione uscita.
La struttura del comando è quella proposta qui:
In questo formato:
• n: rappresenta l’uscita. Se si imposta X il comando riguarda tutte le uscite
• s: può assumere H (stato alto), L (stato basso), ? (richiesta stato)
Esempio di comandi:
Impostare l’uscita 5 allo stato alto: * * D O 5 H #
Impostare l’uscita 1 allo stato basso: * * D O 1 L #
Impostare tutte le uscite allo stato basso: * * D O X L #
Richiedere lo stato dell’uscita 7: * * D O 7 ? #
Richiedere lo stato di tutte le uscite: * * D O X ? #
Richiesta stato ingressi digitali
Il comando del caso è composto da 8 caratteri i cui primi 4 non devono subire variazioni, come pure l’ultimo, mentre gli altri 2 sono dinamici in base al numero dell’ingresso interessato.
La risposta indicherà con “H” se l’ingresso è alto (chiuso verso 5V), oppure “L” se è basso (chiuso verso GND o non collegato).
La struttura del caso è quella proposta di seguito.
In questo comando, n: rappresenta l’ingresso.
Se si imposta X il comando riguarda tutti gli ingressi.
Esempio di comando:
Richiedere lo stato dell’ingresso 7: * * D I 7 ? #
Richiedere lo stato di tutti gli ingressi: * * D I X ? #
Richiesta stato della porta per gli ingressi analogici
Il comando in questione effettua la richiesta del valore della corrispondente porta del microcontrollore (0÷255) ed è composto da 8 caratteri i cui primi 4 non devono subire variazioni, come pure l’ultimo, mentre gli altri 2 sono dinamici in base al numero dell’ingresso interessato.
La riposta indicherà il valore da 0 a 1.024 relativa all’ingresso scelto, ovvero alla porta di I/O del modulo ATmega2560 corrispondente.
Se il ponticello dell’operazionale associato all’ingresso è chiuso, si potrà fornire all’ingresso fino a 5V, quindi il valore 1.024 corrisponderà a 5V.
Se il ponticello rimarrà aperto si potrà applicare una tensione massima di 10V, pertanto in tal caso leggendo 500 si avrà la corrispondenza a 5V.
Il formato di questo comando è quello schematizzato nella tabella qui di seguito.
In questo comando, che prevede una risposta, n: rappresenta l’ingresso. Come per gli altri comandi, se si imposta X il comando riguarda tutti gli ingressi.
Esempio di comando:
Richiedere lo stato dell’ingresso 7: * * A I 7 ? #
Richiedere lo stato di tutti gli ingressi: * * A I X ? #
Un esempio di risposta è:
# A I 0 2 0 5 0 6 #
dove 0506 è il valore letto per l’ingresso 2.
Richiesta tensione agli ingressi analogici
Questo comando richiede il valore in tensione 00.00V-10.00V presente all’ingresso specificato ed è composto da 7 caratteri, i cui primi 4 non devono subire variazioni, come pure l’ultimo, mentre il successivo è dinamico in base al numero dell’ingresso interessato. La risposta indicherà il valore da 0 a 1.024 dell’ingresso scelto. Se il ponticello dell’ingresso è chiuso, si potrà collegare all’ingresso massimo 5V, quindi il valore 1.024 corrisponderà a 5V. Se il ponticello rimarrà aperto si potrà collegare massimo 10V, pertanto in tal caso leggendo 500 si avrà la corrispondenza a 5V.
Il formato è del tipo proposto qui di seguito.
Nella sintassi del comando, il parametro n: rappresenta l’ingresso da 1 a 8. Se si imposta X, il comando viene eseguito per tutti gli ingressi della scheda contemporaneamente.
Esempio di comando:
Richiedere lo stato dell’ingresso 7:
* * A V 7 ? #
Richiedere lo stato di tutti gli ingressi:
* * A V X ? #
Un esempio di risposta è il seguente:
# A V 4 0 7 . 0 6 #
dove 07.06 è il valore letto per l’ingresso 4
Imposta uscita analogica da valore intero 000-255
Il comando in questione è composto da 10 caratteri, i cui primi quattro non devono subire variazioni, come pure l’ultimo: da protocollo sono fissi e proprietari. Invece gli altri 5 devono essere impostati in base all’operazione da eseguire, come spiegheremo tra breve. Se il ponticello legato all’ingresso viene chiuso, il valore di tensione corrispondente spazierà tra 0V e 10V (Vmax); invece se il ponticello si tiene aperto, la tensione corrispondente varierà tra 0V e 5V (Vmax).
Il formato di detto comando è quello schematizzato qui di seguito.
In questo tipo di comando:
• n: rappresenta l’uscita, obbligatori (da 1 a 8). Se si imposta X il comando riguarda tutte le uscite
• ddd: da 000 a 255 rappresenta il valore che si desidera impostare all’uscita. 000=0V – 255=Vmax.
Esempio di comando:
Impostare uscita 7 al valore 200: * * A O 7 2 0 0 #
Impostare tutte le uscite al valore decimale 100:
* * A O X 1 0 0 #
Un esempio di risposta è quello proposto qui di seguito:
# A O 7 2 0 0 #
200 è il valore impostato sull’uscita 7
Imposta uscita analogica tramite valore in tensione 00.00V-10.00V
Questo comando è composto da 11 caratteri, i cui primi quattro non devono subire variazioni, come pure l’ultimo, mentre il successivo è dinamico e si imposta in base al numero dell’ingresso interessato. I successivi 5 bit rappresentano la tensione da impostare all’uscita corrispondente.
Se il ponticello dell’ingresso è chiuso, si potranno avere al massimo 5V, altrimenti all’uscita si arriverà fino a una tensione di 10V; pertanto in tal caso, impostando il valore 500 si avranno in uscita 5 volt.
Il formato della stringa è quello proposto qui di seguito.
In questo caso:
• n: rappresenta l’ingresso da 1 a 8. Se si imposta X il comando riguarda tutti gli ingressi
• dd.dd: rappresenta il valore di tensione compreso tra 00.00 e 10.00
Esempio di comando:
Imposta l’uscita 7 a 2.3V: * * A V 7 0 2 . 3 0 #
Imposta tutte le uscite a 2,3V: * * A V X 0 2 . 3 0 #
Un esempio di risposta è il seguente:
# A V 4 0 7 . 0 6 #
dove 07.06 è il valore letto per l’ingresso 4
Conclusioni
La scheda d’interfaccia che vi abbiamo proposto in queste pagine è una periferica di I/O completa e idonea ad eseguire l’acquisizione, il comando ed anche il controllo a 360° di apparati e utilizzatori; si integra molto bene nella domotica ed anche nella gestione di sistemi d’allarme, d’illuminazione e di processi automatizzati tramite Personal Computer.
Come già esposto in questo articolo, le uscite digitali sono a livello TTL per poter sia essere lette da altri dispositivi e sistemi, sia essere impiegate per comandare schede attuatrici, delle quali la board a relé da 8 canali è solo un esempio.
