Conectando la Raspberry PI al Arduino vía Serial

De bachiller, hace ya algunos años por cierto, estudié una opción técnica en electrónica. Esto fué así porque en algún momento de mi vida quise ser ingeniero electrónico (o algo que se le asemejara). Lástimosamente, esa rama de la ingeniería no tiene mucha demanda en mi país y la verdad al descubrir la computación me di cuenta que era algo en lo que no era nada malo, me gustaba bastante y actualmente es lo que me da de comer.

Sin embargo, el pasar de los años no ha logrado hacer que pierda el cariño por la electrónica y esa magia especial que tiene el "inventar" o "armar" dispositivos que simplemente hagan cosas interesantes por muy pequeñas que sean. Actualmente, resulta muchísimo más facil el armado de prototipos para todos aquellos cuyo hobby o profesión sea la electrónica.

En esta entrada vamos a conocer al Rasberry PI, luego al Arduino y vamos a conectarlos vía puerto serial. Al final, podrán usar esta configuración para conectar sus Arduinos (o cualquier dispositivo que se comunique via Serie) al Rasperry PI y solo su imaginación será el límite para los proyectos que podrán inventar.

Conociendo a la Raspberry PI

A principios de este año, gracias a la gente de SVCommunity leí la noticia de que ya se encontraba disponible el "computador" de $25 y pronto saldría a la venta.

Para los que no conocen la "RaspPI" o "RPi", como le dicen de cariño, es una pequeña computadora completamente funcional del tamaño de una tarjeta de crédito, la cual podemos utilizar conectandole un teclado, un mouse y una TV.

Las RaspPIs son fabricadas por una "ONG" británica y su objetivo es promover un poco la informática a travez de una pequeña computadora, baráta y fácil de usar.

Muy fuera del contexto original, miles de personas alrededor del mundo han adquirido su RasPI para un sin fin de tareas, desde centros de entretenimiento hasta el control de robots.

En mi caso adquirí la mía, parte motivado por la curiosidad y parte para ver que inventaba.

 

Fotografía de una Raspberry PI

Hablando de Arduinos

Por otra parte tenemos a los Arduinos, estos dispositivos son pequeñas tabletas para el montaje de prototipos electrónicos que incluyen un pequeño microprocesador que puede programarse muy fácilmente.

Realmente desde hace muchos años que se pueden hacer cosas como las que se hacen actualmente con los Arduinos. Sin embargo, la ventaja de estas pequeñas tabletitas es que ya incluyen todo lo necesario para comenzar proyectos. Por una parte, no es necesario armar circuitería extra, solo se conectan a una fuente de poder y están funcionando. El otro punto a favor es incluyen un pequeño software que hace programar los Arduinos una "delicia". Simplemente uno escribe su programa y le da click al botón enviar al dispositivo.

Fotografía de un Arduino Mega

Si usted alguna vez intento programar un PIC: Créame, se lo garantizo, con los arduinos se sentirá en la gloria.

¿Pero el Rasberry PI es una computadora completa? ¿Para que me debería interesar conectarle un arduino?

Realmente, a mi manera de pensar el RasPI y el Arduino son dos mundos diferentes. Primero, si bien la Raspberry tiene un conjunto de pines para usos de proposito general (GPIO), estos no necesariamente son solo de conectar y ponerse a inventar, muchas veces hay que armar algo de circuitería extra y como dicen en la propia página de las Rasberrys: "La intención de esto es que la gente que realmente está seriamente interesada en hacer interfaces utilice una tableta externa con buffers, conversión de niveles y entradas análogas/digitales, en vez de soldar directamente en la tableta principal" (Fuente: elinux.org).

Los Arduinos por otra parte son un poco mas "rudos" ya que están diseñados justamente para trabajar directamente con circuitos. Esto nos da un poco más de "confianza" a la hora de crear hardware. Y justamente como recomiendan en elinux, nuestra idea es que el Arduino sea la "tableta externa" que interactua directamente con el hardware.

Otra de las razones por las que prefiero interactuar directamente con sensores, voltajes, etc. en Arduino es por su facilidad de programación. Si bien la RasPI es una computadora completa el programar a "bajo nivel" se vuelve más complicado. Es decir si bien tenemos una distribución GNU/Linux completa y fácil de usar, perdemos la simpleza de programar un Arduino.

Por último, el Arduino viene preparado de fábrica para interactuar con el hardware, varias líneas digitales de entrada y salida, convertidores análogo-digital, modulación del ancho del pulso (PWM), etc, etc. Son parte de las cosas que lo hacen ideal para trabajar a muy "bajo nivel".

Combinando lo mejor de ambos mundos

Para evitar una pelea de opiniones les quiero dar una mejor sugerencia: ¿Por qué no combinamos lo mejor de ambos mundos? ¿Qué tal si utilizamos el Arduino para cosas de bajo nivel como medir voltajes, detectar pulsadores, hacer girar motores, cambiar intensidad de leds, etc, etc, etc. y en cambio utilizamos la RasPI para cosas de muy alto nivel, como por ejemplo manejar la IA de un robót, enviar datos vía internet, control remoto, etc., etc.?

Mi propuesta es simple: dejemos que Arduino haga lo que hace mejor interactuar con los sensores y actuadores simples y que la RasPI se encargue de cosas mas complejas, como dar una interfaz de usuario bonita para controlar uno o varios arduinos.

La pregunta obvia que surge es la siguiente: ¿Cómo hacemos que se comuniquen?

El puerto GPIO de la Raspberry PI

Las Raspberry incluyen una serie de pines de propósito general que pueden ser utilizados como entradas o salidas digitales entre los cuales se incluye un pequeño puerto "serial". Este puerto puede ser utilizado para enviar o recibir datos desde y hacia otros dispositivos. De fábrica viene configurado como un puerto de "consola" para monitorear el funcionamiento del RasPI.

Antes de intentar comunicar algo por el puerto tenemos que cambiar un par de líneas de configuración.

1.  Primero en la RasPI tenemos que modificar el archivo /boot/cmdline.txt y eliminar la parte que dice:

   console=ttyAMA0,115200 kgdboc=ttyAMA0,115200
   

2. Lo siguiente que hay que hacer es comentar la siguiente línea en el archivo /etc/inittab:

   #Spawn a getty on Raspberry Pi serial line
   #T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100 

Una vez realizadas estas modificaciones reiniciamos nuestra RasPI. Estas modificaciones evitarán que el Kernel envíe mensajes a la línea serial.

Preparando el Arduino

Con el arduino es un poco más fácil, para este caso ya viene configurado un puerto serial de fábrica al cual nos comunicamos con el código que pego a continuación:

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.write("Hola Raspi!\n");
  Serial.write("Soy un Arduino Mega\n");
  delay(1000);
}

Una vez estemos listos, conectamos nuestro Arduino y hacemos clic al botón cargar.

Igualando los voltajes.

El pequeño gran problema de las RasPIs es que el puerto GPIO utiliza un voltaje de 3.3 y no tiene ningún tipo de protección contra sobre-voltajes. Si utilizaramos directamente los voltajes del Arduino de 5V corremos el riesgo de dañar permanentemente el puerto y en consecuencia terminar con nuestra RasPI achicharrada.

Para evitar sorpresas desagradables, podemos utilizar un par de transistores y unas cuantas resistencias para "igualar" los niveles de voltaje y no tener circuitos achicharrados ni de un lado ni del otro, para ello pueden utilizar el siguiente circuito que coloco a continuación:

 

En este caso he utilizado los famosos 2N2222, son unos transistores baratos que se pueden encontrar en El Salvador y las nunca bien ponderadas resistencias de 1K que son igual de baratas y fácil de conseguir.

Conexiones Físicas

Por suerte en mi casa tengo un par de computadoras sin uso y pude extraer los cables de los USB que van conectados a la motherboard. La ventaja de estos cables es que vienen marcados y son de diferentes colores así que colocarlos no es complicado y se hace todo muy fácil de recordar.

Utilizo una Breadboard para realizar la conexión de los cables y la circuitería de para equilibrar los niveles, en la siguiente imágen pueden ver las líneas que vienen de la breadboard al puerto serial del Arduino Mega:

Nota muy importante: Para evitar el riesgo de "voltajes flotantes" y/o descargas estáticas, antes de realizar cualquier conexión verifiquen que tanto la RasPI como el Arduino se encuentre apagados, luego conecten las líneas de negativo o tierra. Después de haber realizado este procedimiento procedan a conectar el resto de líneas de positivos y señales.

En la siguiente foto pueden ver el circuito. Pido disculpas por ser tan poco estético pero ya era algo tarde en la noche y tenía sueño, así que lo hice un poco a la carrera.

+Modificado: Como el circuito anterior me daba pena. Decidí ponerlo mas bonito. Esta vez utilizo el mismo cable USB para conectarme al arduino. Notaran que estoy usando Verde para TX y Blanco/Verde para RX. La línea naranja es 3.3V del RasPI y la línea Café es GND del RasPI.

(Ignoren las líneas Roja y Negra del conector de arriba, estas las uso para detectar un switch y una línea de datos de un display que tengo en la otra mitad de la breadboard.)

Por último realizamos las conexiones correspondientes del lado de la Rasperrry, esta parte es más fácil ya que los cables están marcados y ayudan mucho.

Pueden notar como utilizo el voltaje de 3.3V de la Raspberry para alimentar el transistor. De esta manera me aseguro que los voltajes nunca superaran el rango de trabajo de la RasPI.

Armando todo debería quedar más o menos de la siguiente manera, de nuevo disculpen un poco el caos pero esque me he mudado a trabajar a la cocina.

+Modificado: Luego de ordenar todo me quedó un poco más bonito, les dejo la foto, ahora tengo más cables ya que estoy utilizando un display de 7 segmentos para mostrar datos, algunos interruptores para jugar con las interrupciones y utilizo todos los cables de los conectores USB para interconectar los serial entre el arduino y la RasPI.

Probando todo

Una vez tenemos todo listo y conectado llega la hora de la verdad. Lo primero que tenemos que hacer es encender nuestra RasPI y abrir una consola. (Ojo, yo me conectó vía red a mi RasPI vía SSH.)

Dentro de la consola vamos a ejecutar el siguiente comando:

$ stty -F /dev/ttyAMA0 9600

El comando anterior se encarga de establecer la velocidad del puerto serial de la RasPI a 9600bps, algunas personas han reportado problemas de comunicación con arduinos a velocidads mayores, así que nos iremos seguros con algo que sabemos que funciona y luego pueden intentar conectarse a mayores velocidades.

Para leer los datos de la consola ejecutamos el siguiente comando:

$ cat /dev/ttyAMA0

Deberá de mostrarse una pantalla como la siguiente:

Por último encendemos nuestro Arduino y crucamos los dedos. Si todo funciona según lo esperado deberán de obtener algo como se muestra en la siguiente imágen:

Les dejo una pequeña foto del "caos" de mi escritorio de trabajo, en este caso al Arduino lo alimento desde la compu, pero pueden utilizar una fuente aparte. La RasPI es alimentada con un cargador de Nokia.

Conclusiones

Espero este post les haya sido de utilidad para conocer estas maravillosas herramientas para el armado de prototipos. Hace algunos años nisiquiera soñabamos con que podríamos programar microcontroladores en minutos ni que tendríamos una computadora completa para hacer prototipos a un costo de $35.

Lástimosamente aquí en el país nadie importa este tipo de hardware pero pueden comprarlo vía por Internet y los costos no son demasiado altos. Para el Raspberry les recomiendo enviarlo hasta un casillero ya que el courier local DHL cobra un recargo bastante alto por el manejo del envío (casi $40 solo de manejo del paquete). De igual manera para los Arduinos pueden encontrar en eBay y si tienen servicio de casillero los costos de envío son risibles ($15 de arduino + $9 de envio con impuestos).

Sería interesante que algun grupo local o colegio técnico, o universidad se animara a importar Arduinos y RasPIs con fines didácticos. El costo es sumamente bajo y estoy seguro que "en volúmen" sería una inversión muy bien aprovechada. El precio es tán bajo que cuestan menos que muchos libros de texto y abren un sin fín de oportunidades para proyectos electrónicos.

En una próxima entrada veremos como capturar interrupciones, enviarlas a travez de serial y transmitir datos desde la RasPI hasta el Arduino, una vez realizada la interconexión esto último se vuelve más un problema de "software" que de hardware, pero espero les sea también de utilidad.

Solo para animarlos un poco les dejo una fotografía del circuito en breadboard que estaremos usando la próxima entrega para hacer algunos inventos:

No habiendo nada mas que comentar por hoy solo me queda decirles ¡Hasta la próxima!

Fuentes y Recursos (La mayoría en inglés)

• RPi Low-level peripheals
• Using the GPIO Serial port ttyAMA0
• Serial Port not transmitting data (SOLVED)
• Easy Arduino - Raspberry Pi serial over GPIO
• Arduino Language Reference
• Arduino Mega
• Hoja de especificaciones del KN2222