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Arduino y los Shift Registers

El registro de desplazamiento 74HC595
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Objetivos

Para más comodidad todo el material necesario para seguir este curso lo tienes en nuestro kit arduino uno.

 

 

    • Presentar los shift registers, o registros de desplazamiento.
    • Mostrar como ampliar el número de salidas de Arduino.
    • Conocer un chip muy práctico: el 74HC595.

 

 

Material requerido.

Imagen de Arduino UNOArduino UNO o equivalente.
Protoboardconexiones

Una Protoboard más cables.

componentecomponente8 diodos LED y 8 resistencias de 330Ω.
74HC595Un chip 74HC595. Comprobad el rotulo del lomo.
tienda arduino

El problema del número de pines de salida

 

Ya sabemos que Arduino UNO dispone de 14 pines digitales que podríamos usar para entrada y salida y que además disponemos de 6 puertas de entrada analógicas de A0 hasta A5. Lo que no suele ser muy conocido es que las puertas analógicas también se pueden usar como pines digitales en caso necesario. Podemos leer y escribir valores digitales exactamente como lo hacemos con los pines digitales normales:

      pinMode (A1, OUTPUT) ;

Y después escribir tranquilamente:

      digitalWrite(A1, HIGH) ;

Nuestras puertas analógicas se comportarán gentilmente como puertas digitales (Si, también podemos hacer lo mismo para la lectura). Os animo a que hagáis el blinking LED con una puerta analógica.

 
  • Aqui teneis que hace el parpadeo de un LED con la puerta A1   Blinking LED y el Prog_20_2 que lee en digital el pin A1 Lectura digital
 

Así pues, en realidad, disponemos de 20 puertas digitales para nuestras cosas. Pero en la vida de toda persona, siempre hay un momento en que esto nos suficiente.

Podemos pasarnos a un Arduino Mega que con 54 pines digitales más 16 puertas analógicas hacen el impresionante numero de 60 puertas disponibles. Pero al final, la combinación entre la ley de Murphy y la segunda ley de la termodinámica (La de que todo tiende al caos) garantizan que aparezca alguien que quiere un cuadro de luces con 64 LEDs (o 128 ya puestos) y la catástrofe nos acecha porque no hay Arduinos con más pines.

Afortunadamente la industria electrónica nos provee con una forma sencilla de aumentar el número de salidas digitales de nuestros Arduinos sin demasiada complicación. Unos pequeños chips llamados Shift Registers fáciles de encontrar como el 74HC595.

El 74HC595 es un Shift Register de 8 bits serial-in, parallel-out, pertenece a una familia de chips que aceptan una entrada de bits en serie y los sacan en 8 pines paralelos.  Solo sirve para escribir señales digitales y no para leerlas.

 
  • Si lo que necesitas es aumentar los pines digitales de entrada, prueba a usar 74HC165 que es un shift register de entrada
  • Si lo que necesitas es aumentar los pines analógicos puedes usar un multiplexor / demultiplexor como el 74HC4051.
 

Aunque ahora todo parezca un poco confuso (no me extraña) son bastante sencillos de manejar una vez que entiendes lo que hacen y son sorprendentemente útiles en cantidad de situaciones.

Como funciona un Shift Register

 

En la Sesión 7 vimos que para comunicar dos puntos con una conexión serie necesitábamos  pactar una velocidad de envío para saber cuándo hay que leer los datos que llegan.

A este sistema le llamamos comunicación serie asíncrona porque la sincronía va implícita en la velocidad. Un Shift Register funciona mediante la comunicación  serie síncrona. Es decir que usamos un pin para enviar los bits en serie (el Data pin) y usamos un segundo pin (el Clock pin) para indicar cuando hay que leer el bit.

Cuando los 8 bits se han leído en el registro un tercer pin (Latch pin) escribe estos bits en los pines de salida del chip y los mantiene hasta que se reciban nuevos datos. Diagrama de tiempo 595 Fíjate en el gráfico superior. Nuestro Arduino envía la señal de Clock Pin de modo regular para indicar cuando hay que leer (Se lee en el flanco de subida, cuando Clock sube de 0 a 1).

A medida que Arduino va poniendo valores en el Data Pin(DS), el chip los va leyendo en el flanco de subida del Clock pin y por eso va a ir leyendo 1 1 1 0 0 0 1 1 sucesivamente.

Cada uno de estos valores se van pasando en orden a los pines de salida de Q0 hasta Q7, pero aún no se activan. Cuando el Latch Pin se activa (también por flanco de subida) los valores pasan a los pines de salida y se memorizan.

Vamos a montar un circuito que use estas salidas para gobernar un conjunto de 8 LEDs, usando solo 3 pines de Arduino que corresponden a Clock, Data y Latch.

 

Diagramas del circuito

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Vamos con el esquema por cortesía de Fritzing: Img_22_5 Y aquí tenemos el esquema de protoboard. Sesion_22___bb

El Programa de escritura en el 74HC595

 

Vamos a empezar con las definiciones de pines lo primero: Descargar:

int latchPin = 8 ;        //Pin conectado a ST_CP of 74HC595 (Verde)
int clockPin = 12;        //Pin conectado a SH_CP of 74HC595 (Amarillo)
int dataPin = 11;          //Pin connected to DS of 74HC595  (Azul)

Y despues el setup

void setup()
   {      pinMode(latchPin, OUTPUT);
          pinMode(clockPin, OUTPUT);
          pinMode(dataPin, OUTPUT);
   }

Las comunicaciones síncronas son tan frecuentes, que nuestro Arduino las soporta de fábrica con una serie de funciones. La que nos interesa, se llama shiftOut(). (Podeis Goglear el manual) Para iniciar la comunicación síncrona basta poner el Latch en LOW

DigitalWrite(latchPin, LOW);

Y ahora enviar los 8 bits llamando a shiftOut() y pasándole que pines usamos para Data y Clock además indicándole el valor que queremos enviar a la salida:

shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, Num) ;
 
  • Lo de MSBFIRST significa Most Significant Bit First, o sea, enviar el número binario empezando por la izquierda. También podría ser al revés como LSBFIRST (Least Significant Bit First) . Solo es una forma de que los informáticos se hagan los interesantes y en  este caso nos da absolutamente  lo mismo.
 
Y por último fijar los valores en la salida poniendo HIGH el Latch de nuevo.

void loop() 
   {
       for (int Num = 0; Num < 256; Num++)
          {
             digitalWrite(latchPin, LOW) ; // Latch a LOW para que no varíe la salida
             shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, Num);  // Aqui va Num

             digitalWrite(latchPin, HIGH) ; // Latch a HIGH fija valores en la salida
             delay(500);
          }
   }

Veremos que los LEDs irán contando mostrando los valores de Num en binario.  Aquí tenéis otro ejemplo con este mismo circuito en el que leemos la puerta serie para recibir un número entre 0 y 9 y lo pasamos a los pines LEDs de salida: https://www.youtube.com/watch?v=7lk-gNXV1Y0  

Más sobre los shift registers

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Una curiosidad del 74HC595, es que si le metemos un tren de más bits de los 8 que puede almacenar, sencillamente los va empujando hacia la salida por su pin 9 (que os habréis fijado no hemos utilizado en el ejemplo anterior) y los va dejando caer al olvido.

Pero si conectamos este pin 9, al pin 14 de entrada de datos de un segundo chip 74HC595, y compartimos entre ellos el Clock y el Latch, en lugar de caer en el olvido entrará en el siguiente chip de la cadena y seguirá en el juego.

Hemos conseguido una ampliación de otras 8 salidas digitales sin utilizar pines adicionales de nuestro Arduino. Y naturalmente una vez visto el truco, no hay límite en principio al número de chips que podemos concatenar.

Si ese que quería un cuadro de luces de 128 LEDS vuelve, lo podríamos arreglar con 128/8 = 16 chips. O si preferís, también existen estos chips en 16 bits: SN74LS67474F675A que son 16-Bit Serial-In, Serial/Parallel-Out Shift Register, y lo arreglaríamos con solo 8 chips.

Y ya que estamos ¿Existen Shift registers de 32 o de 64 bits? Pues sí.

Si buscáis en internet encontrareis que existe casi cualquier cosa que os imaginéis en chips digitales, pero tomároslo con precaución porque mientras que un 74HC595 lo compras por 1€,  el SN74LS674 de 16 bits se va a 4€ y los demás no he mirado pero me lo imagino.

Aumentando las salidas de arduino

Resumen de la sesión

Hoy en nuestro curso arduino hemos aprendido lo siguiente:

 
    • Hemos visto que los pines analógicos también se pueden usar como digitales.
    • Hemos presentado nuestro primer chip comercial, el 74HC595, que es un shift register serial-in, parallel-out de 8 bits, y que se puede conectar en cascada.
    • Hemos apuntado muy brevemente a que existen otros chips en el mercado, literalmente miles o decenas de miles.
    • Vimos la diferencia entre comunicación serie asíncrona y síncrona y vimos un ejemplo de cómo se sincronizan los datos.
    • Hemos conocido otra función de Arduino shiftOut().
 

 

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