¿Por qué los MCU de 8 bits juegan un papel clave en el mundo del IoT?

Por: Bob Martin, Ingeniero Técnico Senior de Aplicaciones, Microchip Technology

A medida que el mundo se conecta cada vez más a través del Internet de las Cosas (IoT) y otras tecnologías de comunicación, la norma es utilizar módulos RF de microcontroladores de 32 bits de bajo coste, compactos e integrados, que ofrecen varias entradas de sensores.

Las soluciones de 32 bits funcionan bien con las pilas de comunicación para Wi-Fi, NarrowBand (NB) IoT y Bluetooth, que también se benefician de una mayor potencia de cálculo que garantiza la seguridad de los canales RF. Las dificultades comienzan cuando el diseño del sistema se complica a medida que aumenta el número de canales de los sensores, o se exige un menor consumo de energía para ubicaciones más remotas. Es entonces cuando añadir un MCU de 8 bits puede resultar rentable (véase la figura 1).

Compatibilidad con sensores y E/S de 5 V

Aunque la industria favorece los ecosistemas de alimentación de 5 V, esto puede ser un problema porque la mayoría de los MCU/RF de 32 bits integrados no son compatibles con 5 V y tienden a adaptarse sólo al dominio de 3,3 V. La respuesta suele ser disponer de múltiples desplazadores de nivel (shifters) o escalar las entradas de tensión analógica hacia abajo para cumplir con los niveles de 3,3V. Este problema se elimina utilizando un MCU de 8 bits más eficiente en cuanto a GPIOs, que ofrece una interfaz directa con sensores, actuadores y contactos de conmutación basados en 5V.

La necesidad de cambiar de nivel o escalar ahora sólo se aplica al canal de comunicaciones entre el MCU de 8 bits y el módulo MCU/RF de 32 bits. Incluso en ese caso, podría no ser necesario el cambio de nivel en absoluto (tal vez algún aislamiento de resistencia en serie) si el módulo MCU de 32 bits cuenta con entradas tolerantes a 5V. Incluso si el aislamiento galvánico también es necesario, el coste puede minimizarse reduciendo la cantidad de circuitos integrados (CIs) especializados necesarios para proteger el elemento RF del sistema.

El uso de MCU de 8 bits en instalaciones remotas tiene varias ventajas, entre ellas que elimina la necesidad de proporcionar una mayor tolerancia a los fallos mediante el uso de múltiples sensores o el control de actuadores, lo que puede disminuir el impacto de los fallos de campo. Además, los MCU de 8 bits suelen contar con un elevado número de pines de interfaz, a diferencia de un módulo MCU/RF de 32 bits, limitado en cuanto a pines. El hecho de tener menos conexiones de interfaz con los sensores implica más problemas con la asignación de pines de entrada/salida, mientras que los MCU de 8 bits permiten añadir un nivel de tolerancia inteligente a los fallos a las matrices de sensores en el extremo delantero. Esto significa que decisiones como cuál de los tres sensores de temperatura ha fallado pueden tomarse localmente (y, por tanto, más rápidamente).

Partición del sistema

Otra ventaja de utilizar un MCU de 8 bits externo para interactuar con la mayoría de los sensores es que se necesita un esfuerzo mínimo para encajar un extremo frontal analógico/digital que funcione bien en diferentes extremos posteriores del módulo RF. Si se utiliza un módulo MCU/RF integrado de 32 bits, suele haber una gran cantidad de aplicaciones de ejemplo destinadas a mostrar lo fácil que es conectarse a la nube, sea cual sea el proveedor. Sin embargo, puede haber un número significativamente menor de ejemplos de aplicación cuando se interactúa con sensores o actuadores fuera del bus I2C o SPI estándar.

Del mismo modo, disponer de un frontal de sensor/control validado y conocido con una interfaz bien definida y fiable también ofrecerá más libertad a la hora de seleccionar los módulos de radiofrecuencia adecuados, ya que el esfuerzo de portabilidad se reducirá al mínimo. El esfuerzo de integración del nuevo sistema será prácticamente completo si la capa de protocolo entre los dos MCU está respaldada por la nueva capa física en el nuevo módulo RF. Una vez resueltos estos problemas, la atención puede centrarse en la correcta implementación del nuevo canal RF. Los usuarios de entornos remotos o industriales pueden beneficiarse de poder configurar sistemas acoplados con interfaces de intercambio en caliente que son tolerantes a fallos. En ocasiones, no es posible evitar un intercambio completo del sistema, pero es mucho mejor minimizar el cambio general a un sistema fiable conocido. Tener un acoplamiento holgado también significa que una plataforma RF conocida y de confianza puede soportar requisitos de sistema ampliados sin tener que empezar de nuevo desde el principio. Esto significa que los usuarios pueden trabajar en lo que hay que mejorar, y conservar lo que les inspira confianza.

Control de potencia inteligente

Otra característica del mundo de los MCU de 8 bits es que está dominado por tecnologías de proceso más grandes. Éstas garantizan un número superior de fugas estáticas y eliminan la inevitable trade-off, cuando se utilizan tecnologías de puerta de CIs más pequeños, de las fugas de corrientes estáticas frente a la velocidad.

Además, el grosor del óxido de la puerta en los nuevos nodos de proceso probablemente se mide mejor por el número de átomos que por el uso de nanómetros. Al incorporar un dispositivo inteligente de control de menor potencia, es posible mejorar el funcionamiento de bajo consumo. Algunos dispositivos MCU de 8 bits tienen corrientes activas que funcionan a partir de un reloj estándar de 32kHz que se acercan o superan las corrientes de espera de los módulos RF de 32 bits.  Esta incorporación de un sistema de control de potencia preciso y basado en el tiempo simplifica el proceso de supervisión del estado de las baterías y su carga. Las corrientes activas de los módulos de radiofrecuencia de 32 bits, en particular los basados en Wi-Fi, pueden llegar a ser de varios cientos de miliamperios. Los paquetes de baterías al final de su vida útil pueden tener dificultades para mantener la corriente de arranque y transmisión que requiere la conexión a una red.

Con el sistema de control de potencia basado en el MCU de 8 bits, el módulo principal RF puede «despertarse» con un comando específico que reduce la demanda de corriente para que el módulo se conecte de forma más escalonada. El especial despertar puede adoptar un enfoque de potencia de transmisión reducida para conectarse a la red. Una característica del sistema de control de potencia del MCU de 8 bits es que puede monitorizar los picos de corriente de arranque y las caídas de tensión en ciclos regulares y transmitirlos con cada ciclo de despertar. Con estos datos, los motores de aprendizaje automático en la nube pueden perfilar los sistemas de baterías de forma mucho más eficaz y predecir los fallos.

Simplificación de la programación de los MCU

En los últimos años se han producido importantes avances en cuanto a la simplificación de la programación de los módulos MCU/RF de 32 bits. Aunque varios de estos módulos tienen soporte basado en Arduino, lo que puede ayudar a acortar los tiempos de desarrollo, este enfoque puede ser problemático si hay más interfaces de control de potencia, de sensores del cliente o de otros periféricos. Por supuesto, el código de soporte de Arduino es enorme, pero está incompleto en muchos casos y existen problemas de confianza entre los usuarios profesionales.

Además, aunque los proveedores de circuitos integrados ofrecen soporte, los módulos RF integrados de 32 bits son relativamente complejos en la capa metálica. Disponer de 32 bits puede parecer una exageración innecesaria para pequeñas cantidades de control o estado y es poco intuitivo cuando se intenta encontrar un bit erróneo en un valor de control periférico de 0x23AA123C.

El modelo de programación del MCU de 8 bits, por otro lado, ofrece una interfaz familiar en fragmentos de 8 bits (posiblemente 16 bits para los registros del temporizador). Además de facilitar la depuración de los campos de bits, los conjuntos de periféricos de los MCU de 8 bits suelen ser mucho más fáciles de comprender. Una de las principales razones es que no tienen que implicar o presentar funcionalidades más complejas de reducción de potencia o de sincronización de la interfaz del bus. También son más fáciles de entender los árboles de reloj en los MCU de 8 bits.

Esto resume esencialmente la razón de tener un dispositivo de complemento MCU de 8 bits, que es ofrecer una solución inteligente (pero no dedicada al IoT) de bajo coste y bajo consumo que sea capaz de gestionar tareas tan tediosas como el mantenimiento del dispositivo, así como el control de la potencia.

En cuanto a los dispositivos MCU de 8 bits de la gama de Microchip, la familia PIC18-Q41 y la familia AVR DB ofrecen una amplia gama de funciones analógicas. Entre ellas se encuentran los amplificadores de funcionamiento en el chip y el GPIO de tensión multinivel. Esta última función minimiza la necesidad de componentes analógicos externos o de desplazadores de nivel (shifters).

En resumen, aunque hoy en día existen más módulos MCU/RF multinúcleo de 32 bits, se pueden obtener grandes beneficios añadiendo un MCU basado en 8 bits al diseñar nodos edge robustos y de bajo consumo en el mundo del IoT. Al ofrecer un control integral de la potencia y los sensores en un paquete tan pequeño, los MCU de 8 bits seguirán desempeñando un papel importante en los entornos de IoT de 32 bits.