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Una maravilla monochip

La clase básica (entrylevel): sistemas de núcleo M0

 

Un pequeño núcleo ARM Cortex M0 o M0+ resulta suficiente en muchas aplicaciones. Permite la transmisión de los datos medidos a la nube (Cloud) con el objetivo de realizar cálculos de desgaste o llevar a cabo ajustes remotos. Con actualizaciones over-the-air, se puede revisar el firmware, los wireless stacks y el código de aplicación para adaptarse a la nueva legislación y responder rápidamente ante virus o amenazas de seguridad, incluso en servicios posventa. El Smartphone suele ser el primer punto de acceso a Internet. En este caso, la interfaz Bluetooth Low Energy (BLE) representa una opción eficiente. Las siguientes “maravillas” monochip suponen una elección popular en su implementación: El líder del mercado en interfaces BLE es el nRF51822 de Nordic Semiconductor.

 

Esta familia de productos se encuentra disponible con 16 o 32 kB de RAM y 128 o 256 kB de memoria Flash en un encapsulado QFN o WLCSP. El hardware ha sido diseñado para respaldar una operación de bajo consumo y cuenta con el soporte de los Bluetooth stacks y múltiples SDKs de aplicación específica de la compañía. El éxito de esta gama de IC y su extenso software también llega a los fabricantes de módulos: Los módulos basados en nRF51822 de Fujitsu se dirigen a aquellos clientes con mayores ambiciones de producción. El nRF51422 de Dynastream usa el big nurse call del nRF51822, por lo que los módulos de la familia N5 también son compatibles con los SoftDevices S210 y S310. El protocolo S210 es un stack ANT puro, mientras que el S310 resulta la variante multi-protocolo correspondiente para el empleo simultáneo de ANT y BLE. Esto parece de gran utilidad a la hora de conectar una red mesh ANT de bajo consumo a un Apple iPhone que no soporta ANT por sí mismo. RF Digital trae al mercado la familia RFduino junto a versiones nRF51822 “vacías”.

 

La gama RFduino se caracteriza por un S110 SoftDevice instalado previamente, con una capa de software configurada que ayuda a simplificar el control de BLE y los GPIOs. De esta forma, los actuadores o los sensores se pueden implementar con unas pocas líneas de código. Una regla aplicable a todas las funciones BLE es que las aplicaciones (apps) a medida se tienen que programar para diferentes sistemas operativos. Este no el caso con el módulo SIMBLEE nRF51822: La app asociada se programa una vez y se almacena en el módulo inalámbrico. Sólo hay que instalar la app SIMBLEE, que importa el contenido actual desde el módulo, donde se guarda el sistema operativo del Smartphone. La incorporación más reciente al catálogo de Rutronik es Insight SiP con sus soluciones system-on-module basadas en el nRF51822. Con un formato de 8×8 mm en el encapsulado LGA, los módulos ISP1302 tienen espacio suficiente incluso para integrar una antena. Los últimos lanzamientos de los ICs TC35678 y TC35679 de Toshiba se centran en una variante de ultra bajo consumo.

 

Con una tensión operativa de 3 V, sólo “gastan” 3.6 mA en modo TX y 3.3 mA en modo RX. El modelo SAM B11 de Microchip/ Atmel, por su parte, se caracteriza por 128 kB de RAM y 256 kB de memoria Flash. Con un núcleo de 16-bit interno a 32 MHz y capacidad de potencia de procesamiento de 41 DMIPS, la familia RL78/G1D de Renesas “juega en la misma liga”. Están disponibles cuatro variantes: SoCs con Flash de 128, 192 y 256 kB y un SoM basado en el IC Flash de 256 kB.

 

Para necesidades más exigentes: sistemas de núcleo M4

 

Con una ratio EEMBC CoreMark de 215 – lo que significa 65 Core- Marks por mA o 3.36 CoreMarks por MHz – el nRF52832 es probablemente el SoC BLE más eficiente en este momento. En un encapsulado QFN de 48-pines y 6×6 mm o WLCSP de 3.2×3.0 mm, está diseñado para facilitar la programación y se presenta en un formato muy compacto. Con una tensión de alimentación desde 1.7 V (ideal para la batería) y una potencia de transmisión ajustable entre +4 y -20 dBm, resulta idóneo en rangos superiores, así como en aplicaciones de seguridad crítica que requieren corto alcance. El nRF52832 está siendo cada vez más usado en desarrollos para los que un nRF51822 sería suficiente. Los argumentos a favor incluyen el filtro balun integrado y el transceptor NFC para emparejamiento rápido de Bluetooth. En términos de elementos externos, sólo se necesitan once componentes pasivos y un cristal de cuarzo de 32 MHz. También hay versiones SoM junto al SoC. Se presentan pre-certificadas, normalmente para Europa, Estados Unidos y Canadá. La serie Dynastream D52 basada en el nRF52832 aporta además certificación para Japón, Australia, Nueva Zelanda y Corea del Sur.

 

A pesar de integrar cristales de cuarzo y una antena impresa, el módulo sólo mide 14×9.8 mm. Los usuarios que están dispuestos a sacrificar un espacio adicional de 20×20 mm en su PCB pueden optar por la variante con 30 GPIOs o acelerómetro de tres ejes. Telit y Fujitsu también producen módulos basados en el nRF52832. Al igual que en sus series móviles, Telit confía en un concepto familiar para sus módulos Bluetooth: El nuevo BlueMod+S42 de 10×17 mm es compatible en forma y pines con los modelos BlueMod+S y BlueMod+SR anteriores y también tiene las mismas interfaces de software. El FWM7BLZ20 de Fujitsu, con un tamaño de 15.7×9.8 mm y un consumo de 5.4 mA, no sólo es un módulo compacto, sino que también aporta la máxima eficiencia posible. El ISP1507 de InsightSiP se distingue por una antena integrada y una huella de 8×8 mm. Asimismo, Redpine Signals usa un núcleo ARM M4, pero adopta un enfoque diferente en términos de conectividad: la familia WiSeMCU también respalda Bluetooth EDR, ZigBee y WiFi de banda dual además de BLE. Todos los protocolos y los perfiles de aplicación de varios estándares inalámbricos ya están integrados, por lo que los 128 kB de SRAM y 1 MB de memoria Flash se dimensionan generosamente. Los usuarios a los que el RS10003-NBZ-D0M de 21×15 mm con todos los periféricos resulte demasiado grande encontrarán una alternativa de menor coste en el RS100002-NBZ-S0M, sin soporte de 5 GHz, pero con 104 kB de SRAM y 512 kB de Flash en un formato de 14×15 mm. Ambas versiones se pueden especificar sin ZigBee, WiFi o Bluetooth 4.0DM. Esto no sólo es más económico, sino que también ahorra espacio de almacenamiento disponible.

 

El segmento profesional: sistema de núcleo Atom

 

Intel sigue demostrando los múltiples beneficios en la aplicación de su arquitectura de núcleo x86. Comunes desde los tiempos Pentium, los conjuntos de comandos probados y testados ahora se están utilizando en pequeños microcontroladores desde la escala de la familia Quark. Ahora, Intel ha presentado la joya de la corona, el Joule: un SoM basado en un núcleo Atom de 1.5 y 1.7 GHz. Con hasta 8 gigabytes (!) de RAM y 16 GB de memoria Flash, WiFi, BLE, HDMI, USB 3.0 y Linux Distribution pre-instalado, este módulo compacto de 24×48 mm ofrece las prestaciones necesarias para respaldar tareas de modelado 3D en tiempo real, seguimiento de personas, interacción humana y reconocimiento de objetos. A pesar de que existe una conectividad basada en la integración de WiFi y Bluetooth, la potencia informática local de algunas soluciones puede reducir significativamente el tráfico de datos a la nube. Joule solventa esta limitación y resulta adecuado incluso en drones, robots, cascos de realidad virtual, guantes de datos (data-gloves) o gateways inteligentes.

 

Para individualistas: Multi-chip Do It Yourself

 

Todos los sistemas SoC y SoM tienen una cosa en común: nunca son perfectos. Siempre hay algo que es demasiado – periféricos, recursos informáticos, certificación o software en la memoria. Por lo tanto, los clientes están pagando por características que no necesitan. Una solución técnicamente perfecta siempre es un producto a medida, en lo que se refiere a configuración de hardware y protocolos inalámbricos. En cuanto al hardware, el contrapeso se acepta con el objetivo de ahorrar en costes de certificación y acortar el tiempo de llegada al mercado. En una implementación Do-It-Yourself (Hágalo Usted Mismo) radical de un diseño de alta frecuencia, se puede acumular un trabajo de más de 100 man-years (hombresaño). Sin embargo, esto suele estar al alcance de pocas corporaciones hoy en día.

 

Visto bueno para SoC y SoM

 

Los SoCs y SoMs state-of-the-art aportan grandes ahorros y, como consecuencia, los desarrolladores se pueden centrar en sus funciones específicas. Como el mercado de soluciones monochip crece, también aumenta la escalabilidad de los componentes escogidos. La elección del mejor chip depende de las tareas a realizar, por lo que las recomendaciones globales parecen poco eficaces. Lo que sí resulta una idea útil es consultar a un experto del Wireless Competence Center de Rutronik.  



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