Control de IoT mediante microcontroladores de 8 bits

Desde la década de 1970, los microcontroladores han desempeñado un papel destacado para controlar todo tipo de productos en el ámbito de la automoción, el consumo y la industria. En la actualidad este protagonismo se ha acentuado para incluir productos portátiles, inalámbricos y vestibles de Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT). Además de IoT, el sector sanitario también ha experimentado un enorme crecimiento y ha adoptado los microcontroladores de 8 bits en numerosas aplicaciones.

La electrónica embebida basada en microcontroladores de 8 bits requiere dispositivos adecuados y puede competir en economías de escala (desde cientos de miles hasta a veces millones de unidades por aplicación). Por ejemplo, en las aplicaciones de automoción, los microcontroladores de 8 bits controlan muchos subsistemas, desde asientos y ventanas de accionamiento motorizado hasta manillas de puertas inteligentes e incluso sensores de presión de los neumáticos. Esto significa que una diferencia de precios de unos pocos céntimos es bastante importante. Otro aspecto del coste de la aplicación, que a menudo pasa inadvertido en la fase de diseño, es el coste del mantenimiento de millones de dispositivos. La fiabilidad y durabilidad del dispositivo se pueden mejorar simplificando el código y el hardware en lugar de añadir redundancias al software.

Entre las razones por las que los microcontroladores de 8 bits siguen siendo vigentes y competitivos con el paso del tiempo es su capacidad de ofrecer valor al usuario. Esto se ha logrado mediante innovaciones continuas en varias áreas, especialmente memoria, consumo de energía, encapsulado y periféricos independientes del núcleo (core-independent peripherals, CIP).

Enormes mejoras en 8 bits

El auge de IoT y la modernización de ciudades enteras con dispositivos inteligentes ha provocado que la posibilidad de incorporar inteligencia a gran escala se haya convertido en algo fundamental para muchos sectores. Esta modernización incluye el alumbrado inteligente de las calles y detectores en cada plaza de aparcamiento en lugar de un simple mostrador a la entrada. Los microcontroladores han de ofrecer ciertas funciones para crear un entorno apto para IoT. Estas capacidades se pueden resumir en tres: recogida, procesamiento y comunicación de los datos a otros dispositivos conectados a la red.

En muchos casos la recogida, el procesamiento y la transferencia de los datos se pueden realizar mediante un microcontrolador de 8 bits que integre un convertidor A/D (ADC) mientras el núcleo del dispositivo permanece en un modo de bajo consumo. Algunos ejemplos serían los sensores/indicadores en un aparcamiento inteligente, un sistema de alumbrado público conectado, un jardín urbano automatizado y un sistema de monitorización de plantas. Multiplicar cada mW de potencia por los miles de unidades instaladas puede sumar un gran ahorro de energía cuando un sistema funciona noche y día.

Las ventajas y el valor de los dispositivos más pequeños no se limitan a su menor consumo sino que su menor tamaño también permite su instalación en espacios reducidos dentro de productos IoT portátiles alimentados por baterías.

Se está desarrollando una nueva generación de microcontroladores que tiene en cuenta este valor. El uso de nuevos procesos permite disponer de más memoria con menores costes, por lo que estos microcontroladores cuidan el presupuesto del usuario y al mismo tiempo proporcionan la funcionalidad que necesita la aplicación.

Memoria

Los microcontroladores de hace apenas unos años eran muy distintos a los disponibles actualmente en el mercado. Aquellos dispositivos fueron revolucionarios en su época y cambiaron el panorama de la circuitería embebida. Gracias al rápido desarrollo de las memorias flash es posible incluir los programas modernos en el espacio disponible.

La tendencia hacia aplicaciones más complejas hace que los nuevos programas requieran más espacio/memoria. Como consecuencia de ello, las nuevas generaciones de microcontroladores integran más memoria, si es preciso, con el fin de facilitar la creciente necesidad de espacio para código.

La memoria flash embebida puede durar años, tal como se exige y se ha demostrado en los ensayos más exigentes de automoción, y soportan numerosos ciclos de escritura y borrado. Estas capacidades añaden otra dimensión a la propuesta de valor de los microcontroladores de 8 bits. Actualmente la cantidad de memoria en un microcontrolador de 8 bits puede oscilar entre 384 bits y hasta 128 KB e incluso más para cubrir un creciente número de aplicaciones.

Consumo de energía

Dado que muchos microcontroladores de 8 bits se utilizan en aplicaciones alimentadas por baterías, entre los cambios más destacados que se han producido está la búsqueda del menor consumo.

Por ejemplo, los microcontroladores PIC® nanoWatt XLP eXtreme Low Power incluyen circuitos supervisores del sistema especialmente diseñados para productos alimentados por baterías. Esto significa que estos microcontroladores pueden ofrecer las corrientes más bajas del mercado en modos Run (activo) y Sleep (reposo), a los que las aplicaciones de muy bajo consumo destinan el 90%-99% de su tiempo. Así, la desactivación de módulo periférico (Peripheral Module Disable) desconecta por completo los periféricos del carril de alimentación y ajusta la distribución del reloj para que la pérdida de potencia sea nula. Estas son algunas ventajas de la tecnología nanoWatt XLP:

• Corrientes en reposo inferiores a 20 nA
• Reinicio por tensión inadecuada a partir de 45 nA
• Temporizador supervisor a partir de 220 nA
• Reloj/calendario en tiempo real a partir de 470 nA
• Corrientes de funcionamiento a partir de 50 μA/MHz
• Capacidad total analógica y de autoescritura a partir de 1,8V

Estas bajas corrientes aumentan la autonomía de la batería en las aplicaciones portátiles. El consumo se puede reducir aún más mediante periféricos optimizados como veremos más adelante.

Encapsulado

Otra diferencia importante entre los microcontroladores de 8, 16 y 32 bits reside en sus pequeños encapsulados, que permiten colocar dispositivos de 8 patillas en los espacios más reducidos de productos inalámbricos/portátiles y vestibles. Por ejemplo, SOIC o DFN de 8 patillas. Un encapsulado muy empleado es el VQFN (Very Thin Quad Flat Pack No-Leads) de 20 patillas, que ocupa 3 x 3 mm. Si bien añadir más funciones puede requerir más conexiones y un encapsulado más grande, los microcontroladores de 8 bit son capacidad suficiente se pueden colocar en espacios de la placa que donde no cabrían los microcontroladores de 16 o 32 bits.

Figura 1. Muchas familias nuevas de productos PIC y AVR se suministran en diversos encapsulados, tan pequeños como los VQFN de 3x3mm, para aplicaciones con poco espacio disponible.

Si la mayor capacidad de un microcontrolador de 8 bits exige una superficie más grande y más conexiones debido a la mayor complejidad del sistema también se pueden utilizar otras versiones, como PDIP y VQFN de 40 patillas o TQFP de 44 patillas.

Periféricos independientes del núcleo

Separar ciertos aspectos del microcontrolador de su núcleo central proporciona autonomía respecto del núcleo y varias ventajas, especialmente en diseños de bajo consumo y bajo coste. Estos periféricos independientes del núcleo han añadido más funciones y han reducido el consumo en un diseño modular que simplifica la implementación de interfaces táctiles así como la recogida y el acondicionamiento de datos de sensores, además de simplificar la instalación de software complejo en el hardware, entre otras ventajas.

Los CIP potencian la capacidad de manejar diversas tareas sin necesidad de recurrir a la CPU (Central Processing Unit) del microcontrolador. Esta técnica de diseño facilita la programación de eventos basados en periféricos. Por ejemplo, el Sistema de Eventos puede activar eventos basados en GPIO (General Purpose Input/Output) o programar interrupciones en varios canales.

Los CIP actualmente disponibles para los microcontroladores PIC® y AVR® de 8 bits en la Figura 2 se muestran en el color correspondiente a cada categoría de periférico. Las ocho categorías y sus subcategorías desempeñan la mayoría de las funciones que se esperan de un controlador económico embebido. Obsérvese que los elementos de color verde ofrecen la posibilidad de reducir aún más el consumo y se suman las antes mencionadas.

Figura 2. Los periféricos independientes del núcleo cubren diversas áreas de diseño de un microcontrolador de 8 bits.

Los CIP aumentan la fiabilidad al reducir la cantidad de código. Las funciones implementadas con estructuras de hardware evitan conflictos potenciales de software. Además, la interconectividad de los periféricos en el hardware disminuye las conexiones externas e incrementa la fiabilidad del sistema final. La mayor fiabilidad de los componentes reduce el coste a lo largo de la vida del proyecto.

Muchas familias nuevas de 8 bits ofrecen multitud de opciones en cuanto a memoria y número de patillas. Permiten que el desarrollo se realice en dispositivos grandes y ya en la fase de producción recurrir a dispositivos más pequeños, una vez optimizado el tamaño del código real.

Por ejemplo, en diversos encapsulados destinados a aplicaciones con sensores sensibles al coste y de control en tiempo real, la familia de microcontroladores PIC16F152XX incluye un juego simplificado de funciones formada por un ADC de 10 bits, selección de patilla de periférico (Peripheral Pin Select, PPS), periféricos digitales de comunicación y temporizadores. Entre las funciones de la memoria se encuentran la partición del acceso a memoria (Memory Access Partition, MAP) para aplicaciones de protección de datos y cargador inicial.

Herramientas de diseño para acelerar y simplificar el diseño

Gracias a los avances en las herramientas de desarrollo, muchos de los procesos que eran difíciles de codificar se pueden simplificar y generar por medio de las herramientas de diseño apropiadas, como MPLAB® Code Configurator (MCC), que ofrece ventajas como la disminución del tiempo necesario para desarrollar una aplicación, así como la posibilidad de implementar un código más compacto de lo que podría conseguir un diseñador sin varias iteraciones del código o escribiendo el código desde cero en lenguaje ensamblador. Por ejemplo, el kit de evaluación Curiosity Nano PIC16F15244 (Referencia: EV09Z19A), con su potente capacidad de programación y depuración, ofrece un soporte completo para un nuevo diseño.

Figura 3. La tarjeta de evaluación PIC16F15244 Curiosity Nano y las dos tiras de terminales de 100mil y 1×15 patillas en el kit de evaluación Curiosity Nano facilitan el diseño.

Finalmente, el MPLAB® X Integrated Development Environment (IDE) proporciona un entorno de desarrollo gratuito destinado al desarrollo de código destinado a microcontroladores de 8 bits (también de 16 y 32 bits) para simulación, conexión con herramientas de hardware y acceso a extensiones de Microchip y de terceros.

Un futuro brillante (y rentable)

Los microcontroladores han recorrido un largo camino y los de 8 bits han demostrado una enorme capacidad de innovación y adaptación a las aplicaciones gracias a sus avances en memoria, consumo, encapsulado y periféricos. No solo tienen una mayor memoria que podría ser necesaria en aplicaciones complejas sino también otras muchas posibilidades para simplificar aplicaciones complejas. Esta simplificación se puede constatar en el menor dinero y tiempo que se gastan en desarrollar el proyecto, pero también en los costes reducidos cuando el microcontrolador pasa a producción.

Los microcontroladores actuales de 8 bits no se limitan a recoger datos, sino que además procesan y transfieren datos en numerosas aplicaciones de IoT. Los nuevos productos de 8 bits han respondido a la creciente complejidad de las aplicaciones con unos tamaños de memoria mucho mayores y unos periféricos optimizados. No obstante, los diseños de pequeño formato y sensibles al coste, como las aplicaciones con sensores y de control sencillo en tiempo real, pueden aprovechar el juego simplificado de funciones de la familia PIC16F152xx de 8 bits. Gracias a sus Periféricos Independientes del Núcleo, estos microcontroladores son una opción muy atractiva para la mayoría de los diseñadores.

PIC, AVR y MPLAB son marcas registradas de Microchip Technology Inc.