Molte applicazioni richiedono la variazione continua di alcuni parametri, come ad esempio un alimentatore, un amplificatore audio, un termostato o un varilight che solitamente impiegano un potenziometro analogico e l’intervento manuale di una persona per effettuare queste variazioni.
Possiamo digitalizzare questi sistemi impiegando lo stesso principio di regolazione basato su potenziometro ma invece di agire fisicamente sulla manopola di regolazione possiamo utilizzare dei comandi software per incrementare decrementare il valore resistivo del potenziometro.

Il componente che andremmo ad usare è l’integrato MCP4131-103 prodotto dalla Microchip. E’ un integrato a 8 pin che possiamo comandare tramite il protocollo seriale SPI.
Al suo interno troviamo un potenziometro da 10Kohm.

Il potenziometro è composto da una rete resistiva composta da 128 elementi  il cui valore totale è, nel nostro modello, di 10Kohm. Tramite software possiamo spostare la posizione dello Wiper, che corrisponde al contatto strisciante di un potenziometro meccanico. Gli spostamenti dello Wiper vengono definiti steps e vanno dalla posizione 00H (Wiper collegato al pin P0A) alla posizione 80H(Wiper collegato al pin P0B).
Il potenziometro digitale MCP4131 permette un massimo di 129 steps.

Il datasheet è comune a diversi potenziometri digitali quindi per poter capire quale siano i comandi corretti per pilotare il nostro modello dobbiamo esaminare le parti che ci interessano. La prima sezione riguarda le Caratteristiche del dispositivo (Device Features)

Da questa tabella deduciamo che il dispositivo ha un singolo potenziometro, che i valori della posizione dello Wiper sono memorizzati in RAM (piuttosto che sulla EEPROM). L’interfaccia di comunicazione è SPI, i numeri di Steps sono 129 e il range con cui possiamo alimentare l’integrato va da 1.8Vdc a 5.5Vdc.

L’MCP4131 supporta comandi a 8 bit e a 16 bit. Il comando a 8 bit permette di incrementare o decrementare il valore dello Wiper di uno steps per volta mentre il comando a 16 bit permette di scrivere direttamente sulla RAM il valore della posizione dello Wiper.

Nella figura il comando a 8 bit è composto da 2 bit di dati (che non vengono utilizzati), 2 bit di comando (incremento – decremento)  e 4 bit che definiscono l’indirizzo di memoria che vogliamo usare (indirizzo dello Wiper 00h).
Nella figura del comando a 16 bit la prima parte è identica a quella a 8 bit con la differenza che nei 2 bit di comando possiamo specificare se scrivere o leggere dall’area di memoria del dispositivo, i restanti 8 bit compongono il Data Byte che ci permette di indicare direttamente il valore dello Wiper.

Gli indirizzi di memoria disponibili sono i seguenti:

nel nostro caso utilizzeremmo l’indirizzo 00h, che corrisponde all’unico Wiper disponibile all’interno del nostro chip.

I bit di commando invece sono i seguenti:

Passando alla pratica, se volessi inviare un comando di incremento al Wiper dell’MCP4131, usando la modalità a 8bit, invierei tramite SPI il valore decimale 4

Per decrementare il valore corrente dello Wiper bisogna spedire via SPI il valore decimale 8:

Se volessi spostare il Wiper al centro della sua corsa, utilizzerei la modalità a 16 bit, inviando per primo il dato contenente l’indirizzo di memoria che vogliamo usare e il comando di scrittura

Seguito dal valore della posizione dove vogliamo spostare lo Wiper, in questo esempio il valore 64 decimale (128/2) corrisponde a metà corsa.

Ora che conosciamo come utilizzare il chip possiamo passare alla pratica collegando la porta SPI dell’Arduino all’MCP4131. Nel mio caso ho utilizzato un Arduino Leonardo (la porta SPI è disponibile sui pin dell’header ICSP). Lo schema è il seguente:

L’uscita W è collegata all’ingresso analogico A0 della Leonardo, in questo modo posso misurare il valore di tensione disponibile su tale piedino.
Il Pin B dell’MCP4131, corrispondente alla posizione 00H è collegato a massa mentre il pin A corrispondente alla posizione 80H è collegato alla 5Vdc.
Il codice seguente posiziona lo Wiper nella posizione 00H, ottenendo cosi una tensione pressochè nulla sul pin W (poiche internamente il pin W è collegato con il pin B).

[c]
#include <SPI.h>

void setup()
{
//Definisco il pin come uscita
//il pin 2 viene usato per selezionare il
//chip all’interno di un collegamento SPI
pinMode (2, OUTPUT);

//Inizializzo la libreria SPI
SPI.begin();

//Inizializzo la porta seriale
Serial.begin(9600);

//metto alta la linea CS per
//deselezionare il chip MCP4131
digitalWrite(2, HIGH);

}

void loop()
{
//Inizializzo la posizione dello Wiper
byte Posizione = 0;

//Per selezionare l’MCP4131
//metto basso la linea CS del
//potenziometro digitale
digitalWrite(2, LOW);

//Invio il primo byte per eseguire una scrittura
//sul registro Wiper
SPI.transfer(0);
//Invio il valore della posizione dello Wiper
//valori da 00H a 80H (0-128 in decimale)
SPI.transfer(Posizione);

//metto alta la linea CS per
//deselezionare il chip MCP4131
digitalWrite(2, HIGH);

//eseguo la lettura sul pin analogico A0
//in questo pin è collegato il pin Wiper
//del potenziometro digitale
int Data = analogRead(0);

//spedisco il dato letto al serial Monitor
//Valori da 0 a 1023
Serial.println(Data);

//ritardo di mezzo secondo
delay(500);
}
[/c]

Aprendo il serial monitor otterremmo dei valori prossimi allo zero poichè la tensione in ingresso del pin A0 sarà nulla. Questo è ciò che avviene all’interno dell’MCP4131:

Per posizionare lo Wiper verso il pin A, collegato alla 5Vdc, dobbiamo scrivere sull’indirizzo 00H il valore 80H, come descritto nel codice seguente:

[c]
#include <SPI.h>

void setup()
{
//Definisco il pin come uscita
//il pin 2 viene usato per selezionare il
//chip all’interno di un collegamento SPI
pinMode (2, OUTPUT);

//Inizializzo la libreria SPI
SPI.begin();

//Inizializzo la porta seriale
Serial.begin(9600);

//metto alta la linea CS per
//deselezionare il chip MCP4131
digitalWrite(2, HIGH);

}

void loop()
{
//Inizializzo la posizione dello Wiper
byte Posizione = 128;

//Per selezionare l’MCP4131
//metto basso la linea CS del
//potenziometro digitale
digitalWrite(2, LOW);

//Invio il primo byte per eseguire una scrittura
//sul registro Wiper
SPI.transfer(0);
//Invio il valore della posizione dello Wiper
//valori da 00H a 80H (0-128 in decimale)
SPI.transfer(Posizione);

//metto alta la linea CS per
//deselezionare il chip MCP4131
digitalWrite(2, HIGH);

//eseguo la lettura sul pin analogico A0
//in questo pin è collegato il pin Wiper
//del potenziometro digitale
int Data = analogRead(0);

//spedisco il dato letto al serial Monitor
//Valori da 0 a 1023
Serial.println(Data);

//ritardo di mezzo secondo
delay(500);
}
[/c]

In questo caso aprendo il serial monitor leggeremmo dei valori prossimi a 1023 in quanto sul pin analogico A0 sarà presente la tensione di 5Vdc.
Internamente otterremo questo risultato:

Di conseguenza per avere tutti gli altri valori intermedi potremmo cambiare il valore della variabile Posizione assegnandole valori tra 0 e 128.

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La cosa che apprezzo maggiormente di Arduino è la possibilità di realizzare una propria compatible-board. Questo permette di creare soluzioni integrate che si adattano meglio alle proprie esigenze di sviluppo e di implementazione.
Una volta realizzato un prototipo funzionante con la board ufficiale possiamo rimuovere il chip Atmel per adattarlo su una nostra scheda.

Per realizzare questo lavoro è sufficiente acquistare degli Atmega328P-PU vergini, caricare il bootloader, lo sketch e montare tutto sulla scheda dedicata.

Per poter programmare i nuovi chip con gli sketch è necessario prima di tutto caricare il bootloader al loro interno, questa procedura solitamente viene eseguita tramite un programmatore dedicato che costa qualche decina di euro.

Fortunatamente esiste una tecnica che permette di utilizzare la nostra board Arduino UNO per programmare il nuovo chip. Sul web sono presenti molti esempi che illustrano i collegamenti e spiegano come caricare il bootloader, quasi tutti in lingua inglese; ho deciso, quindi, di scrivere questo articolo per dare la possibilità, soprattutto per i neofiti, di imparare questa utile tecnica.

Prima di iniziare dobbiamo realizzare il circuito seguente:

La tabella seguente riassume i collegamenti tra l’Arduino UNO e il chip ATMEGA328

Inoltre il pin1 del nuovo chip deve essere collegato alla +5Vdc tramite una resistenza da 10Kohm. I pin 9 e 10 devono essere collegati al quarzo da 16Mhz e ai due condensatori ceramici.

Lo schema proposto utilizza il canale SPI per caricare il bootloader nel chip vergine. Via software è necessario predisporre l’Arduino UNO in modo che funga da programmatore.
Non dobbiamo inventare niente, è sufficiente caricare lo sketch ArduinoISP presente nel menu File->Examples dell’ambiente di sviluppo.

Ora carichiamo lo sketch sul nostro Arduino UNO utilizzando il pulsante upload e attendiamo il messaggio di conferma

A questo punto si potrebbero caricare sul nuovo chip diversi bootloader, a seconda del tipo di board che intendiamo realizzare (l’unica raccomandazione è comunque utilizzare una board compatibile col chip ATMEGA328).
A noi, per ora, ci interessa caricare il bootloader dell’Arduino UNO, quindi dal menu Tools->Board selezioniamo Arduino UNO

Non ci resta che avviare l’operazione tramite il menu Tools->Burn Bootloader-> w/ Arduino as ISP

La scrittura del bootloader richiede qualche minuto. Durante l’operazione i led L, TX e RX sulla board Arduino Uno lampeggiano costantemente e si spengono solo quando la scrittura è completata.

dopo qualche minuto l’editor mostrerà un messaggio dell’avvenuta scrittura del bootloader

Su diversi blog ho letto che questa operazione potrebbe concludersi con l’errore avrdude: stk500_getsync(): not in sync: resp=0x00 avrdude: stk500_disable(): protocol error, expect=0x14, resp=0x51.
Ciò può dipendere da errori di connessione risolvibili controllando la corretta porta dove è collegato l’Arduino (Tools->Serial Port) o scollegando e ricollegando il cavo usb.

Se il problema persiste questo può allora dipendere all’autoreset dell’Arduino UNO. Per risolverlo è sufficiente modificare lo schema elettrico aggiungendo una resistenza da 120 Ohm e un condensatore da 10microF che hanno il compito di disabilitare l’autoreset. Ecco lo schema:

Ultimati i collegamenti eseguiamo nuovamente la procedura per il caricamento del bootloader.

Ora che il nuovo chip è dotato di bootloader possiamo montarlo sulla board Arduino Uno per programmarlo con gli sketch di esempio e verificare che tutto funziona regolarmente.

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