Entrées/sorties

GPIO

Introduction

Le terme GPIO signifie General Purpose Input/Output. Il désigne les broches sur lesquelles on peut prendre le contrôle manuellement.

Des exemples d'utilisation:

Allumer/éteindre une LED,
Vérifier l'état d'un bouton,
Activer un relais ou un transistor de puissance,
...

Les GPIO dont nous parlons ici sont digitaux. Ils ne peuvent prendre que deux états: 0 ou 1.

Dans l'ATmega328P

Les broches de l'ATmega328P sont regrouppées par paquet de 8 (ce que l'on appelle un port). Chaque port est muni de 3 registres de configuration:

DDRx: Data Direction Register. Il permet de configurer les broches du port en entrée ou en sortie.
PORTx: Permet de configurer le niveau de la broche.
PINx: Il permet de lire l'état des broches du port.

Par exemple, pour allumer puis éteindre la LED branchée sur PB5:

// On configure PB5 en sortie
DDRB |= (1 << PB5);
// On met PB5 à 1
PORTB |= (1 << PB5);
// On attend 1 seconde
_delay_ms(1000);
// On met PB5 à 0
PORTB &= ~(1 << PB5);

GPIOs de l'ATmega328P, page 59 du datasheet.

Sortie à trois états

Lorsqu'elle est configurée en entrée, son voltage n'est pas déterminé, elle est dite "flottante" (floating), comme un fil qui ne serait branché à rien.

Une broche n'est donc pas simplement configurée à "0" ou à "1", mais aussi en "entrée" ou en "sortie". Lorsqu'elle est en entrée, on dit qu'ell est en haute impédance (parfois noté Hi-Z).

Par exemple, si on branche un bouton à une broche du microcontrôleur de cette façon:

Ou GND représente la masse du circuit, c'est à dire le 0V, on s'assure de lire "0" lorsque le bouton est appuyé. Mais que se passe t-il lorsqu'il est relâché? La broche est alors en haute impédance, et peut prendre n'importe quelle valeur.

Pour remédier à cela, on utilise des résistances de tirage (pull-up ou pull-down). Elles permettent de fixer le voltage de la broche lorsqu'elle est en haute impédance.

Avec ce montage, on s'assure de lire "1" lorsque le bouton est relâché.

Bonne nouvelle: les résistances de tirage sont intégrées à l'ATmega328P! Il suffit de les activer. Ce qui nous amène à un 4ème état, l'entrée avec pull-up. (Il n'existe pas d'entrée avec pull-down, mais cela est possible avec d'autres microcontrôleurs.)

On peut donc utiliser le code suivant pour regarder la valeur d'un bouton qui serait branché en PB4:

// On configure PB4 en entrée avec pull-up
DDRB &= ~(1 << PB4);
PORTB |= (1 << PB4);
// On lit la valeur de PB4
uint8_t btn = PINB & (1 << PB4);

Voici donc les états possible d'une broche:

DDRx	PORTx	Etat
1	0	Sortie à 0
1	1	Sortie à 1
0	0	Entrée flottante
0	1	Entrée pull-up

DAC

DAC signifie Digital to Analog Converter (convertisseur numérique vers analogique), il permet de convertir un nombre représenté en mémoire par des bits (par exemple de 0 à 1023) en une tension (par exemple de 0 à 5V).

PWM-DAC

Une solution simple pour réaliser cela est d'utiliser un signal périodique qui passe à travers un filtre passe-bas, produisant un signal "moyenné":

DAC Thermomètre

Une autre méthode est d'utiliser des résistances en série, permettant de représenter toutes les valeurs possibles. La sortie peut ensuite être sélectionnée à l'aide d'un multiplexeur. Cette solution a un encombrement important, car toutes les valeurs correspondent à un point physique dans le circuit.

R2R DAC

Enfin, la méthode R2R permet de combiner des résistances pour produire une tension directement à partir de la représentation binaire:

ADC

ADC est l'inverse de DAC, il permet de convertir une tension en un nombre représenté numériquement dans le programme.

Le design des ADC est dual à celui des DAC, en comparant les tensions produites avec l'entrée à échantillonner:

Par exemple, l'ADC "flash" (ci-dessus) est le dual du DAC thermomètre, contenant toutes les valeurs possibles de tension.

Dans l'ATmega328P, l'ADC est basé sur des comparaisons successives à l'aide de valeurs provenant d'un DAC interne:

Mesure de résistance

Un ADC permet de mesurer une tension (en V). On peut mesurer une résistance (en Ω) en utilisant un pont diviseur de tension:

La tension \(V_{out}\) sera alors:

\(V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}\)

Photorésistance

Une photorésistance varie sa résistance en fonction de la lumière qu'elle reçoit. Par exemple, cette référence varie de 20kΩ dans le noir à 8kΩ à pleine lumière:

⚙️ Exercice:

On alimente en 5V, et on utilise un ADC 0-5V. La photorésistance est placée (en bas) dans un pont diviseur de tension avec une résistance fixe. Pour chacune des valeurs possibles de cette dernière, déterminez la plage de mesure: 200Ω, 15kΩ, 100kΩ
Quelle résistance choisiriez vous?

Potentiomètre

Un potentiomètre est doté de 3 pattes:

Les pattes externes (vertes et bleues) sur la figure sont connectées à une résistance fixe. Une partie mobile ( en rouge sur la figure) peut être déplacée, changeant la résistance entre vert-rouge et rouge-bleu.

En appliquant une tension aux bornes du potentiomètre (broches vertes et bleues ci-dessus), on obtient une tension proportionnelle à la position de la partie mobile.

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