Los Arduino y en general los microcontroladores tienen puertos de entrada y salida y de comunicación. En Arduino podemos acceder a esos puertos a través de los pines.

• Pines digitales:  pueden configurarse como entrada (para leer, sensores) o como salida (para escribir, actuadores)
• Pines analógicos de entrada: , usan un conversor analógico/digital y sirven para leer sensores analógicos como sondas de temperatura.
• Pines analógicos de salida (PWM):  la mayoría de Arduino no tienen conversor digital/analógico y para tener salidas analógicas se usa la técnica PWM. No todos los pines digitales soportan PWM.
• Puertos de comunicación: USB, serie, I2C y SPI

Otro aspecto importante es la memoria, Arduino tiene tres tipos de memoria:

• SRAM: donde Arduino crea y manipula las variables cuando se ejecuta. Es un recurso limitado y debemos supervisar su uso para evitar agotarlo.
• EEPROM:  memoria no volátil para mantener datos después de un reset o apagado. Las EEPROMs tienen un número limitado de lecturas/escrituras, tener en cuenta a la hora de usarla.
• Flash: Memoria de programa. Usualmente desde 1 Kb a 4 Mb (controladores de familias grandes). Donde se guarda el sketch.

Placa Arduino Uno a fondo:

Especificaciones detalladas de Arduino UNO

Microcontroller & USB-to-serial converter	ATmega328P & Atmega16U2
Operating Voltage	5V
Input Voltage (recommended)	7-12V
Input Voltage (limits)	6-20V
Digital I/O Pins	14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins	6
DC Current per I/O Pin	40 mA
DC Current for 3.3V Pin	50 mA
Flash Memory	32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader
SRAM	2 KB (ATmega328)
EEPROM	1 KB (ATmega328)
Clock Speed	16 MHz

Veamos todos los componentes del Arduino UNO:

Pin mapping Arduino UNO:

Componentes en la placa:

Componentes:

• No necesita de un cable FTDI para conectarse al MCU, en su lugar uso una MCU ATMEGA16U2 especialmente programado para trabajar como conversor de USB a serie.
• Alimentación: vía USB, batería o adaptador AC/DC a 5V, seleccionado automáticamente. Arduino puede trabajar entre 6 y 20V, pero es recomendado trabajar entre 7 y 12V por las características del regulador de tensión.
• Puerto Serie en los pines 0 y 1.
• Interrupciones externas en los pines 2 y 3.
• Built-in LED en el pin 13.
• Bus TWI o I2C en los pines A4 y A5 etiquetados como SDA y SCL o pines específicos
• El MCU ATmega328P tiene un bootloader precargado que permite cargar en la memoria flash el nuevo programa o sketch sin necesidad de un HW externo.
• Fusible rearmable de intensidad máxima 500mA. Aunque la mayoría de pc’s ya ofrecen protección interna se incorpora un fusible con la intención de proteger tanto la placa Arduino como el bus USB de sobrecargas y cortocircuitos. Si circula una intensidad mayor a 500mA por el bus USB(Intensidad máxima de funcionamiento), el fusible salta rompiendo la conexión de la alimentación.
• Regulador de voltaje LP2985 de 5V a 3.3V que proporciona una corriente de alimentación máxima de 150 mA.
• Regulador de voltaje NCP1117 que proporciona un valor estable de 5V a la placa y soporta por encima de 1 A de corriente.
• ATMEGA16U2 => Es el chip encargado de convertir la comunicación del puerto USB a serie.
• Condensadores de 47µF de capacidad
• Diodo M7 en la entrada de alimentación de la placa. Con este diodo conseguimos establecer el sentido de circulación de la intensidad, de esta forma si se produce una contracorriente debido a la apertura de un relé u otros mecanismos eléctricos, el diodo bloquea dicha corriente impidiendo que afecte a la fuente de alimentación.
• DFU-ICSP. Puerto ICSP para el microcontrolador ATMEGA16U2, como en el caso del ATMEGA328P-PU se emplea para comunicarnos con el microcontrolador por el serial, para reflashearlo con el bootloader, hacer algunas modificaciones, ponerlo en modo DFU, etc..
• JP2. Pines libres del ATMEGA16U2, dos entradas y dos salidas para futuras ampliaciones.
• Encapsulados de resistencias.
• RESET-EN: Significa Reset enabled o reset habilitado. Está habilitado el auto-reset, para deshabilitar por cualquier tipo de seguridad (por ejemplo un proyecto que tenemos funcionando y no queremos que nadie lo reinicie al conectar un USB y detecte un stream de datos) debemos desoldar los pads RESET-EN y limpiarlos de forma que estén aislados el uno del otro.
• Cristal oscilador de 16MHz necesario para el funcionamiento del reloj del microcontrolador ATMEGA16U2.
• Resonador cerámico de 16 Mhz para el microcontrolador ATMEGA328P-PU. Los resonadores cerámicos son menos precisos que los cristales osciladores, pero para el caso hace perfectamente la función y ahorramos bastante espacio en la placa. Se trata del pequeño, porque el cristal grande es para el 16U2

Diferencias entre las diversas versiones de HW

 

Esquemático Arduino UNO

En este pdf podemos ver el esquema de un Arduino UNO, muy importante conocerlo para evitar hacer maniobras que lo dañen:

Los dos microcontroladores:

Partes del esquemático:

Conexión de los puertos serie de loas os MCUs de un Arduino UNO

También es importante conocer cómo están distribuidos los pines del MCU en Arduino:

Para saber todo sobre el HW de Arduino ver este tutorial donde desglosa todo el HW de Arduino para construir un Arduino UNO desde cero y crear tu propio clon.

Diseño PCB Arduino

La placa de Arduino:

Microcontroladores Arduino

Un microcontrolador es un integrado capaz de ser programado desde un ordenador y seguir la secuencia programada.

Arduino es una plataforma para programar de forma sencilla algunos microcontroladores de la familia AVR de Atmel y también microcontroladores Atmel ARM Cortex-M0+, Intel

Pero también Arduino y su entorno de programación se está convirtiendo en un estándar de facto para la programación de cualquier tipo de placas de desarrollo y prototipado, es decir, de otro tipo de microcontroladores no incluidos en los productos de Arduino.

Puesto que Arduino es una plataforma open source disponemos de toda la documentación de los microcontroladores usados.

Cuando el microcontrolador ejecuta una instrucción que definimos en el sketch, internamente hace muchas operaciones y cada una de esas operaciones se ejecuta en un ciclo de reloj. Para el ATmega 328p que tiene una frecuencia de 16 MHz, es decir, cada ciclo tarda 0,0000000625 segundos = 0,0625 microsegundos = 62,5 nanosegundos

Así se ejecutaría una instrucción, en cada ciclo de reloj se ejecuta cada subinstrucción.

La importancia de conocer el ciclo de ejecución de instrucciones en un micro controlador estriba en que en ocasiones es necesario calcular de forma precisa el tiempo de ejecución de los bucles para actuar en tiempo real.