Control de IoT mediante MCU de 8 bits

Los microcontroladores han recorrido un largo camino, con MCU de 8 bits que han demostrado una enorme resiliencia e innovaciones de aplicaciones a través de avances en memoria, consumo de energía, empaquetado y periféricos.

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Lo que interesa saber:

  • Los MCU de 8 bits continúan prosperando a través de innovaciones continuas en varias áreas, incluida la memoria, el consumo de energía, el empaquetado y los periféricos independientes del núcleo (CIP).
  • Las nuevas generaciones de MCU incorporan una cantidad cada vez mayor de memoria, si es necesario, para facilitar la creciente necesidad de espacio de código.
  • Las MCU de 8 bits de hoy en día no se limitan solo a la recopilación de datos. Recopilan, procesan y transfieren datos en numerosas aplicaciones de IoT.

Desde la década de 1970, los microcontroladores (MCU) han desempeñado un papel destacado en el control de una variedad de productos automotrices, de consumo e industriales. En la actualidad, esta función se ha ampliado para incluir productos de Internet de las cosas (IoT) portátiles, inalámbricos y portátiles. Junto con IoT, la atención médica también ha experimentado un crecimiento masivo y la adopción de MCU de 8 bits en una variedad de aplicaciones.

La electrónica integrada con MCU de 8 bits requiere dispositivos que puedan competir en economías de escala (cientos de miles a veces millones de unidades por aplicación). Por ejemplo, en aplicaciones automotrices, las MCU de 8 bits controlan muchos subsistemas, como asientos y ventanas motorizados, manijas de puertas inteligentes e incluso sensores de presión de neumáticos. Esto significa que una diferencia de precio de unos pocos centavos es bastante importante.

Otro aspecto del costo de la aplicación, que a menudo se pasa por alto en la fase de diseño, es el costo de mantenimiento de millones de dispositivos. La confiabilidad y la durabilidad del dispositivo se pueden mejorar mediante la simplificación del código y el hardware en lugar de requerir redundancias de software.

Entre las razones por las que los MCU de 8 bits siguen prosperando y compitiendo a lo largo de los años está su capacidad para proporcionar valor al usuario. Esto se ha logrado mediante innovaciones continuas en varias áreas, pero especialmente en memoria, consumo de energía, empaque y periféricos independientes del núcleo (CIP).

Mejoras dramáticas de 8 bits

A medida que el enfoque actual en IoT ha crecido y ciudades enteras se están actualizando con dispositivos inteligentes, la capacidad de implementar inteligencia a escala se ha vuelto fundamental para muchas industrias. Estas actualizaciones incluyen alumbrado público inteligente y detectores de garajes de estacionamiento en cada lugar de estacionamiento, no solo en un solo mostrador en la entrada.

Se requieren ciertas características de los microcontroladores para crear un entorno capaz de IoT. Estos se pueden resumir en tres capacidades: la capacidad de recopilar datos, procesar esos datos y luego comunicar los datos a otros dispositivos en red.

En muchos casos, la recopilación, el procesamiento y la transferencia de datos pueden completarse mediante una MCU de 8 bits con un convertidor de analógico a digital (ADC) en el chip, mientras que el núcleo del dispositivo permanece en un modo de bajo consumo. . Por ejemplo, los sensores/indicadores en un estacionamiento inteligente, el alumbrado público conectado, la jardinería urbana automatizada y el monitoreo de plantas son todos candidatos para este enfoque. Cada milivatio de potencia multiplicado por miles realmente puede acumularse cuando un sistema funciona día y noche.

Los beneficios y el valor de los dispositivos más pequeños no solo se ven en su consumo de energía reducido, sino también en su factor de forma más pequeño. Esto les permite caber en un espacio limitado en productos IoT portátiles que funcionan con baterías.

La última generación de microcontroladores se está desarrollando con ese sentido de valor en mente. Utilizando nuevos procesos, lo que permite más memoria a bajo costo, estos microcontroladores tienen en cuenta la billetera del usuario al tiempo que brindan la funcionalidad requerida para la aplicación.

Memoria

Los microcontroladores de hace unos años son muy diferentes a los dispositivos que hay actualmente en el mercado. Esos dispositivos fueron revolucionarios para su época y cambiaron el panorama de los circuitos integrados. Debido a los pasos agigantados en el desarrollo de la memoria flash, los programas modernos han crecido para llenar el espacio disponible.

Con la tendencia hacia aplicaciones más complejas, los nuevos programas requieren más espacio/memoria. En consecuencia, las nuevas generaciones de MCU incluyen una cantidad cada vez mayor de memoria, si es necesario, para facilitar la creciente necesidad de espacio de código.

La memoria flash integrada puede durar años, como lo requieren y lo demuestran las pruebas automotrices extenuantes, soportando numerosos ciclos de escritura y borrado. Estas capacidades agregan otra dimensión a la propuesta de valor de los microcontroladores de 8 bits. Hoy en día, la cantidad de memoria en un microcontrolador de 8 bits puede variar desde 384 bits hasta 128 kB e incluso más para satisfacer un número cada vez mayor de aplicaciones.

El consumo de energía

Dado que muchas MCU de 8 bits se utilizan en aplicaciones alimentadas por batería, entre los cambios significativos que se han producido está la búsqueda del menor consumo de energía.

Por ejemplo, los MCU PIC eXtreme Low Power de nanoWatt XLP incluyen circuitos de supervisión del sistema especialmente diseñados para productos que funcionan con baterías. Por lo tanto, estos microcontroladores pueden ofrecer las corrientes más bajas de la industria para Run and Sleep, donde las aplicaciones de bajo consumo de energía pasan entre el 90 % y el 99 % de su tiempo. Los circuitos, como la desactivación del módulo periférico, eliminan por completo los periféricos del riel de alimentación y el árbol del reloj para que no haya fugas de energía.

Los beneficios de la tecnología nanoWatt XLP incluyen:

  • Corrientes de sleep por debajo de 20 nA
  • Reinicio de apagón hasta 45 nA
  • Temporizador de vigilancia hasta 220 nA
  • Reloj/calendario en tiempo real hasta 470 nA
  • Ejecute corrientes de hasta 50 μA/MHz
  • Capacidad analógica completa y de autoescritura hasta 1,8 V

Estas corrientes bajas ayudan a aumentar la duración de la batería para aplicaciones portátiles. Es posible ahorrar energía adicional a través de periféricos optimizados que se analizarán más adelante.

Encapsulado

Otra diferencia importante entre los MCU de 8 bits frente a los de 16 bits o 32 bits son los paquetes pequeños que permiten que los dispositivos de 8 pines encajen en los espacios más pequeños en productos inalámbricos/portátiles y vestibles conscientes del espacio. Los ejemplos incluyen un SOIC de 8 pines y un DFN de 8 pines. Un paquete popular es el paquete plano cuádruple muy delgado de 20 pines sin cables (VQFN) con su huella de 3 × 3 mm (Fig. 1). Si bien agregar más funciones puede requerir más conexiones y un paquete más grande, las MCU de 8 bits con capacidad suficiente pueden caber en espacios de placa que prohíben el uso de MCU de 16 o 32 bits.

Si la mayor capacidad de un microcontrolador de 8 bits requiere un área más grande y más conexiones debido a la mayor complejidad del sistema que proporciona, también se utilizan paquetes más grandes, que incluyen versiones PDIP y VQFN de 40 pines y TQFP de 44 pines.

1. Many new PIC and AVR product families have multiple package offerings as small as 3 × 3 mm, such as VQFN devices for space-constrained applications.

Periféricos independientes del núcleo

Separar ciertos aspectos del microcontrolador del núcleo central brinda autonomía del núcleo y varios beneficios, especialmente para diseños de bajo consumo y bajo costo. Estos periféricos independientes del núcleo tienen una mayor funcionalidad incorporada para reducir el uso de energía y el diseño modular. Esto ayuda a simplificar la implementación de interfaces táctiles, la acumulación de datos de sensores y el acondicionamiento, además de facilitar la implementación de software complejo en hardware y más.

Los CIP están diseñados con capacidades adicionales para manejar una variedad de tareas sin la necesidad de intervención de la unidad central de procesamiento (CPU) del microcontrolador. Este enfoque de diseño proporciona un medio preempaquetado para programar eventos basados ​​en periféricos. Por ejemplo, el sistema de eventos puede desencadenar eventos basados ​​en entrada/salida de propósito general (GPIO) o interrupción de programa en múltiples canales

Los CIP actualmente disponibles para microcontroladores PIC y AVR de 8 bits en la Figura 2 se muestran en código de color por categoría de periférico. Las ocho categorías y sus subcategorías abordan la mayor parte de la funcionalidad esperada en un controlador integrado rentable. Tenga en cuenta que los elementos verdes brindan posibilidades de reducción de energía adicionales a las mencionadas anteriormente.

2. Core-independent peripherals (CIPs) address a variety of 8-bit MCU design areas.

Los CIP ofrecen una mayor confiabilidad al reducir la cantidad de sobrecarga de código. Las funciones implementadas con estructuras de hardware evitan posibles conflictos de software. Además, la interconectividad periférica en el hardware reduce las conexiones externas, lo que aumenta la confiabilidad del sistema final. La mayor confiabilidad de los componentes reduce el costo durante la vida útil del proyecto.

Muchas de las nuevas familias de 8 bits brindan una plétora de opciones en memoria y número de pines. Esto hace posible completar el desarrollo en dispositivos más grandes y reducir la producción a dispositivos más pequeños cuando se optimiza el tamaño real del código.

Por ejemplo, en una variedad de paquetes para sensores sensibles al costo y aplicaciones de control en tiempo real, el conjunto de funciones simplificadas de la familia de microcontroladores PIC16F152XX incluye un ADC de 10 bits, selección de pin periférico (PPS), periféricos de comunicación digital y temporizadores. Las características de la memoria incluyen la partición de acceso a la memoria (MAP) para ayudar a los usuarios en aplicaciones de protección de datos y cargadores de arranque.

Herramientas de diseño para acelerar y simplificar el diseño

Con los avances en las herramientas de desarrollo, muchos procesos que tenían que codificarse de forma rígida se pueden simplificar y generar a través de las herramientas de diseño adecuadas, como MPLAB Code Configurator (MCC). Esto tiene varios beneficios, a saber, la reducción del tiempo necesario para desarrollar una aplicación. Además, se puede implementar código que es más compacto de lo que un diseñador podría haber desarrollado sin varias iteraciones de código o escribiendo el código desde cero en ensamblador. Por ejemplo, el kit de evaluación PIC16F15244 Curiosity Nano con capacidades completas de programación y depuración ofrece soporte completo para un nuevo diseño (Fig. 3).

3. The PIC16F15244 Curiosity Nano evaluation board and the two 100-mil, 1- × 15-pin header strips in the Curiosity Nano Evaluation Kit help simplify design.
PIC16F15244

Un futuro brillante (y rentable)

Los microcontroladores han recorrido un largo camino y las MCU de 8 bits continúan demostrando una gran resistencia e innovaciones de aplicaciones a través de avances en memoria, consumo de energía, empaque y periféricos. No solo tienen una memoria más grande que puede ser necesaria para aplicaciones complejas, sino también muchas vías diferentes para simplificar aplicaciones complejas. Esta simplificación puede materializarse en una reducción de dinero/tiempo invertido en desarrollar el proyecto, así como en menores costos cuando la MCU entra en producción.

Las MCU de 8 bits de hoy en día no se limitan solo a la recopilación de datos. Recopilan, 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 tamaños de memoria mucho mayores y periféricos optimizados.

Sin embargo, los diseños de formato pequeño y sensibles al costo, que incluyen sensores y aplicaciones simples de control en tiempo real, pueden beneficiarse de conjuntos de características simplificadas como la de la familia PIC16F152xx de 8 bits. Con sus periféricos independientes del núcleo, tales MCU brindan una opción obvia para la mayoría de los diseñadores.


Fuente: www.electronicdesign.com

Por: Joshua Bowen