X-NODE / XN03 - Entradas/Salidas Analógicas

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El X-NODE Analog Inputs-Outputs es un módulo que permite generar hasta 3 señales analógicas/PWM y leer hasta 4 señales analógicas (3 entradas + 1 potenciómetro). La generación de señales analógicas pueden utilizarse para controlar sistemas proporcionales, las señales PWM para controlar drivers de luces LED, drivers de motores de escobillas (brushed), etc. La lectura de señales analógicas puede utilizarse para crear sistemas de control proporcionales, medir voltaje de baterías y reguladores. Todo a través de una interfaz digital (UART/I2C) que es configurable lo que permite conectar múltiples X-NODE Analog Inputs-Outputs simultáneamente, expandiendo la cantidad de salidas analógicas/PWM que puede generar un sistema desde 3 hasta 381 y de entradas analógicas desde 3 hasta 381 + 1 hasta 127 potenciómetros.

El X-NODE Analog Inputs-Outputs es un dispositivo que trabaja a 3.3V, antes de conectarlo a una fuente de voltaje asegúrese que el voltaje no exceda 3.3V.

TABLA DE CONTENIDO

1. ¿Cómo funciona?
2. Descripción del hardware
3. Especificaciones
4. Pinout
5. Modo de uso

   • Protocolo UART
   • Ejemplo UART Arduino Framework
   • Protocolo I2C
   • Ejemplo I2C Arduino Framework
6. Descargas

   • Esquemático
   • Dimensiones

I. ¿Cómo funciona?

El X-NODE Analog Inputs-Outputs es un módulo que integra un potenciómetro de vuelta simple, un LED RGB, 3 orificios con acceso a señales PWM y un puerto de conexión con 3 entradas y 3 salidas analógicas, 3.3V y GND. El potenciómetro cuenta con un valor de resistencia de 5 kΩ, una tolerancia de ± 20% y una potencia de 5 mW. El LED RGB es capaz de generar hasta una combinación de 16 millones de colores configurando los parámetros de intensidad de los colores primarios (Rojo, Verde y Azul), con un consumo promedio de 20 mA y funcionamiento en un rango de temperatura de 0 °C hasta 80 °C. Las salidas PWM comparten el canal con las salidas analógicas, esto debe considerarse al utilizar estas salidas, la resolución es de 8 bits y la frecuencia, en el caso de las señales PWM, es de 1.2 kHz. Las entradas analógicas tienen una resolución de 7 bits, la lectura utiliza un multiplexor por lo que la frecuencia máxima de muestreo es de hasta ~37 ksps para cada canal.

X-NODE Analog Inputs-Outputs es compatible con el estándar mikroBUS™ de Mikroe® para un uso fácil con un gran ecosistema de kits para desarrollo de hardware, también posee conectores JST compatibles con el estándar Qwiic® de SparkFun® para una comunicación entre diversos módulos y tarjetas de desarrollo por medio del protocolo I2C de manera rápida y sencilla.

II. Descripción del hardware

1. Puerto serigrafiado con pines macho y orificios para entradas y salidas analógicas

2. Potenciómetro

3. Conectores JST compatibles con Qwiic®
4. Indicador LED RGB

5. Orificios de acceso a señales PWM

6. Controlador en hardware

7. Puertos de comunicación UART <> I2C

8. Modelo de X-NODE

9. Tipo de X-NODE

10. Conectores estándar mikroBUS™
11. Versión del hardware: R1

12. Característica principal en el X-NODE

III. Especificaciones

Tipo	Entradas y salidas analógicas
Aplicaciones	Integración en proyectos de IoT con uso de propósito general como en lectura de señales y cambios de estado o secuencias con actuadores y motores. Potenciómetro útil para control de movimiento, activación de sistemas o calibración de componentes con precisión. LED RGB ideal para alertas visuales, ambientación de espacios mediante luz en hogares inteligentes, así como indicador de estado en diferentes componentes, alarmas y secuencias.
Características	Potenciómetro de vuelta simple con ángulo ajustable, valor de resistencia de 5 kΩ con tolerancia de ± 20% y una potencia de 5 mW. LED RGB capaz de generar hasta 16 millones de colores a partir de una señal PWM, con un consumo promedio de 20 mA y funcionamiento en un rango de temperatura de 0 hasta 80 °C. Puerto de conexión con pines macho y orificios para 3 entradas y 3 salidas analógicas externas, 3.3V y GND. Orificios de acceso para señales PWM.
Interfaz	UART, I2C
Compatibilidad	Estándar mikroBUS™ y estándar Qwiic®
Tamaño	65.1 x 25.38 x 26.98 mm
Voltaje	3.3 V

IV. Pinout

La siguiente tabla muestra el pinout del X-NODE Analog Inputs-Outputs con respecto al estándar mikroBUS™ (este último se encuentra en las dos columnas del centro).

V. Modo de uso

Para un uso fácil y rápido del X-NODE se puede hacer a través de los comandos en formato ASCII que proporciona el controlador en hardware integrado mediante una comunicación serial UART o de forma más avanzada a través del protocolo I2C.

Protocolo UART

La comunicación UART utiliza la siguiente configuración:

• Velocidad de comunicación: 115,200 bps

• Paridad: Ninguna

• Bits de datos: 8

• Bits de paro: 1

Sintaxis

El protocolo UART permite enviar instrucciones en texto plano ASCII, cada instrucción se compone del identificador del X-NODE, un comando y un final de línea.

Identificador

El identificador ID, se conforma por el modelo del X-NODE, que puede localizar en el punto 6 del apartado Descripción de hardware y se complementa con un índice, que puede ser una letra del abecedario, por defecto es la letra A, siendo posible configurarlo hasta la letra Z. Para poder conectar más de un módulo del mismo modelo en un sistema, deberá configurar un identificador único para cada módulo, brindando la posibilidad de conectar hasta 26 módulos del mismo modelo a través del protocolo UART.

Nota: A partir de este punto se usará el índice predeterminado del X-NODE XN03 - Analog Inputs-Outputs para el resto del manual: XN03A.

Lista de comandos

XN03A?	Verifica si se estableció una comunicación con éxito. Respuesta: OK
XN03A+V	Obtiene la versión del firmware actual que integra el X-NODE. Respuesta: XN03A=Versión Ejemplo: XN03A=0.1
XN03A+ID=(A-Z)	Cambia el índice del ID por una letra diferente del abecedario de la A a la Z, la nueva letra debe ser en mayúscula. Una vez modificado, para volver a cambiarlo es necesario colocar el ID con el nuevo índice. Respuesta: OK Ejemplo de envío: XN03C+ID=H
XN03A+TW=(1-126)	Cambia la dirección I2C que viene de fábrica por uno diferente. La nueva dirección se escribe en decimal seleccionando un valor de 1 a 126. Respuesta: OK Ejemplo de envío: XN03A+TW=28
XN03A+GP	Obtiene el valor del potenciómetro dado por su posición. Retorna con un valor relativo de 0 a 100. Respuesta: XN03A=VAL Ejemplo: XN03A=67
XN03A+S=(Out1/PWM1/Rojo),(Out2/PWM2/Verde),(Out3/PWM3/Azul)	Cambia el estado de cada una de las 3 salidas, sea directamente en el puerto de salidas analógicas, en los orificios de acceso PWM o en los colores del indicador LED RGB, con valores entre 0 a 255. Respuesta: OK<CR+LF> Ejemplo de envío: XN03A+S=0,25,100<CR+LF>

Final de línea

El X-NODE solo responderá a un comando cuando se envíe un conjunto de caracteres finalizadores de línea, cada comando debe terminar con estos caracteres: <CR+LF>

• CR significa retorno de carro (carriage return), este carácter se utiliza para indicar a un sistema que la entrada de texto debe moverse al principio.

• LF significa alimentación de línea (line feed), este carácter le indica a un sistema que la entrada de texto corresponde a una nueva línea.

La combinación de ambos caracteres es una manera común con el que las computadoras representan una nueva línea, por ejemplo, en un procesador de texto para separar párrafos.

En el caso del X-NODE los caracteres <CR+LF>, se utilizan para identificar cuando se ha terminado de enviar un comando. Si el identificador corresponde al nodo, si el comando existe y si se finalizó inmediatamente con los caracteres <CR+LF>, entonces el nodo enviará una respuesta.

Dependiendo del sistema, deberá configurar el envío de estos caracteres de maneras diferentes.

Ejemplo UART Arduino Framework

Código de ejemplo para el XC01 - R4, revisa el manual para utilizar nuestro XC01 - R4 en Arduino IDE/PlatformIO

#include "Arduino.h"

// Configura este valor para cambiar el color RGB
const uint8_t rgb_color[] = { 227, 235, 23 };

// Calcula el valor PWM para un color RGB con un brillo específico
void intensity(int brightness) {
  uint8_t red, green, blue;
  if (brightness > 100)
    brightness = 100;
  if (brightness < 0)
    brightness = 0;

  red = (rgb_color[0] * brightness) / 100;
  green = (rgb_color[1] * brightness) / 100;
  blue = (rgb_color[2] * brightness) / 100;

  Serial2.print(red);
  Serial2.print(",");
  Serial2.print(green);
  Serial2.print(",");
  Serial2.println(blue);
}

void setup() {
  // Inicializa el monitor serial
  Serial.begin(115200);

  // Inicializa la comunicación UART en el puerto MikroBUS
  Serial2.begin(115200, SERIAL_8N1, 16, 17);
}

void loop() {
  // Controla la intensidad del led RGB con el potenciómetro del XN03

  // Limpiamos el buffer
  if (Serial2.available()) {
    Serial2.read();
  }

  // Envía el comando para obtener la posición del potenciómetro
  // Los caracteres \r\n representan los caracteres
  // <CR+LF> en en lenguaje de programación C/C++
  Serial2.print("XN03A+GP\r\n");

  // Espera hasta recibir una respuesta
  String pot_value = Serial2.readStringUntil('\n');

  // Si la respuesta comienza por el ID
  // entonces la comunicación fue exitosa
  if (!pot_value.startsWith("XN03A=")) {
    Serial.println("Error");
    delay(1000);
    return;
  }

  // Convierte el valor en ASCII a un valor decimal
  int brightness = pot_value.substring(pot_value.indexOf('=') + 1).toInt();

  // Limpiamos el buffer
  if (Serial2.available()) {
    Serial2.read();
  }

  // Envía el comando para cambiar el valor de las salidas
  Serial2.print("XN03A+S=");
  intensity(brightness);

  // Espera hasta recibir una respuesta
  String success = Serial2.readStringUntil('\n');

  // Si la respuesta es "OK"
  // entonces la comunicación fue exitosa
  if (!success.startsWith("OK")) {
    Serial.println("Error");
    delay(1000);
    return;
  }

  delay(100);
}

Protocolo I2C

Para poder establecer comunicación se debe conocer la dirección I2C del X-NODE, el valor de fábrica se conforma por los dos últimos dígitos del modelo después de “XN”. Las direcciones I2C suelen representarse en sistema hexadecimal, mientras que el modelo del X-NODE está en sistema decimal, asegúrese de utilizar el sistema numérico adecuado.

Configuración

• Velocidad de comunicación: 100 kHz

• Address: 7 bits

Nota: Verifica que no cuentes con otro dispositivo con la misma dirección (Address) en el BUS I2C, de ser así recuerda que el X-NODE puede cambiar su dirección I2C con el comando XN03A+TW=(1-126).

Lista de registros

En un dispositivo I2C los registros son direcciones de memoria que permiten configurar u obtener datos del dispositivo. Existen dos tipos de operaciones: de lectura (R) y de escritura (W).

Registros de lectura

En el X-NODE Analog Inputs-Outputs existen 4 registros de lectura: potenciómetro, entrada analógica (1-3). Para leer un registro el dispositivo maestro I2C debe generar las siguientes operaciones:

1. Enviar una condición de inicio: El dispositivo maestro genera un lógico bajo (0) en el pin SDA, mientras SCL permanece en alto (1).

2. Enviar la dirección del X-NODE: El dispositivo maestro envía la dirección de 7 bits.

3. Enviar el tipo de operación escritura: El dispositivo maestro indica que la operación es de escritura (1).

4. Esperar una señal de reconocimiento (ACK): El dispositivo maestro espera a recibir un lógico bajo (0), como confirmación (Acknowledgment) que exista un dispositivo con la dirección enviada previamente en el BUS I2C. Si no se recibe respuesta (1), significa que hubo un error en la comunicación o la dirección es incorrecta.

5. Escribe la dirección del registro (1 byte): El dispositivo maestro enviará 1 byte indicando el registro a leer:

   • 0x1E: Potenciómetro

   • 0x1F: Entrada 1

   • 0x20: Entrada 2

   • 0x15: Entrada 3

6. Esperar una señal de reconocimiento (ACK): El dispositivo enviará una señal de reconocimiento (Acknowledgment) al maestro, indicando que ha recibido la dirección del registro.

7. Enviar una condición de paro: El dispositivo maestro debe liberar el BUS I2C generando un lógico alto (1) en el pin SDA mientras que SCL se encuentra en un lógico alto (1).

1. Enviar una condición de inicio: El dispositivo maestro genera un lógico bajo (0) en el pin SDA, mientras SCL permanece en alto (1).

2. Enviar la dirección del X-NODE: El dispositivo maestro envía la dirección de 7 bits.

3. Enviar el tipo de operación escritura: El dispositivo maestro indica que la operación es de lectura (0).

4. Esperar una señal de reconocimiento (ACK): El dispositivo maestro espera a recibir un lógico bajo (0), como confirmación (Acknowledgment) que exista un dispositivo con la dirección enviada previamente en el BUS I2C. Si no se recibe respuesta (1), significa que hubo un error en la comunicación o la dirección es incorrecta.

5. Recibir 1 byte de datos: El dispositivo enviará al maestro 8 bits (1 byte), donde el bit más significativo (el que se recibe primero) debe ignorarse, los 7 bits restantes representan el valor de las entradas de 0 a 100.

6. Esperar una señal de no reconocimiento (NACK): El dispositivo enviará una señal de no reconocimiento (Not Acknowledgment) al maestro, indicando que ha terminado de enviar información.

7. Enviar una condición de paro: El dispositivo maestro debe liberar el BUS I2C generando un lógico alto (1) en el pin SDA mientras que SCL se encuentra en un lógico alto (1).

Registros de escritura

En el X-NODE Analog Inputs-Outputs existen 3 registros de escritura para cada uno de los canales PWM/Analógicos. Para escribir en los registros el dispositivo maestro I2C debe generar las siguientes operaciones:

1. Enviar una condición de inicio: El dispositivo maestro genera un lógico bajo (0) en el pin SDA, mientras SCL permanece en alto (1).

2. Enviar la dirección del X-NODE: El dispositivo maestro envía la dirección de 7 bits.

3. Enviar el tipo de operación: El dispositivo maestro indica que es una operación de escritura (1).

4. Esperar una señal de reconocimiento (ACK): El dispositivo maestro espera a recibir un lógico bajo (0), como confirmación (Acknowledgment) que exista un dispositivo con la dirección enviada previamente en el BUS I2C. Si no se recibe respuesta (1), significa que hubo un error en la comunicación o la dirección es incorrecta.

5. Escribir la dirección del registro (1 byte): El dispositivo maestro debe envíar la dirección del registro del canal PWM/analógico a escribir.

6. Escribir el valor del registro (1 hasta 3 bytes): El dispositivo maestro debe escribir un valor de 0 a 255 (8 bits) para el canal PWM/analógico del registro seleccionado. Escribir más de un byte moverá la dirección del registro al siguiente: canal 1->canal 2->canal 3. Escribir más valores no tendrá ningún efecto.

7. Esperar una señal de reconocimiento (ACK): El dispositivo enviará una señal de no reconocimiento (Acknowledgment) al maestro, indicando que ha terminado de enviar información.

8. Enviar una condición de paro: El dispositivo maestro debe liberar el BUS I2C generando un lógico alto (1) en el pin SDA mientras que SCL se encuentra en un lógico alto (1).

Ejemplo I2C Arduino Framework

Código de ejemplo para el XC01 - R4, revisa el manual para utilizar nuestro XC01 - R4 en Arduino IDE/PlatformIO

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>

// Configura este valor para cambiar el color RGB
const uint8_t rgb_color[] = { 227, 235, 23 };

// Calcula el valor PWM para un color RGB con un brillo específico
bool intensity(int brightness) {
  uint8_t red, green, blue;
  if (brightness > 100)
    brightness = 100;
  if (brightness < 0)
    brightness = 0;

  red = (rgb_color[0] * brightness) / 100;
  green = (rgb_color[1] * brightness) / 100;
  blue = (rgb_color[2] * brightness) / 100;

  // Enviar condición de inicio + dirección
  // + tipo operación
  Wire.beginTransmission(0x03);

  // Escribe la dirección del registro del canal 1 (0x23)
  Wire.write(0x23);
  // Escribir el valor del canal 1 (color rojo)
  Wire.write(red);
  // Escribir de forma secuencial asigna el valor del canal 2 (verde)
  Wire.write(green);
  // Y el canal 3 (azul)
  Wire.write(blue);

  return (Wire.endTransmission() == 0);
}

void setup() {
  // Inicializa el monitor serial
  Serial.begin(115200);

  // Inicializa la comunicación I2C
  Wire.begin();
}

void loop() {
  // Controla la intensidad del led RGB con el potenciómetro del XN03

  uint8_t bytes_recv = 0;
  uint8_t pot = 0;

  // Enviar condición de inicio + dirección
  // + tipo operación
  Wire.beginTransmission(0x03);
  // Escribe la dirección del registro del potenciómetro (0x1E)
  Wire.write(0x1E);

  // Verificar si la operación fue exitosa
  if (Wire.endTransmission() != 0) {
    Serial.println("Error al solicitar el registro");
    delay(1000);
    return;
  }

  // Enviar condición de inicio + dirección
  // + tipo operación + cantidad de bytes a leer
  bytes_recv = Wire.requestFrom(0x03, 1);

  // Confirmar que se recibió 1 byte
  if (bytes_recv != 1) {
    Serial.println("Error al leer el registro");
    delay(1000);
    return;
  }

  pot = Wire.read();

  // Enviar el comando para cambiar el valor de las salidas
  if (!intensity(pot)) {
    Serial.println("Error al escribir el valor RGB");
    delay(1000);
    return;
  }

  delay(100);
}

VI. Descargas

Esquemático

Dimensiones