Evolución de la funcionalidad analógica en el microcontrolador de 8 bits y su nuevo papel innovador en la electrónica

Stephanie Pinteric, Directora de Marketing de Producto de la unidad de negocio de microcontroladores de 8 bits de Microchip.

Wayne Freeman, Director de Campañas de Marketing de la unidad de negocio de microcontroladores de 8 bits de Microchip.

Los microcontroladores desempeñan un importante papel en la transformación de nuestras vidas, casi todos los productos incluyen algún componente semiconductor. La electrónica moderna necesita microcontroladores para aumentar la funcionalidad en todas las aplicaciones y todos los segmentos del mercado, desde automoción, aeroespacial y electrónica de consumo hasta industria y salud. Si bien los microcontroladores de 8 bits existen desde hace unas cinco décadas, el auge de innovaciones y nuevas aplicaciones, como vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas, automatización doméstica e industrial y dispositivos para Internet de las Cosas (IoT) han crecido exponencialmente, impulsando así la demanda de estos pequeños microcontroladores económicos. Como resultado de ello, los microcontroladores de 8 bits han evolucionado para proporcionar la funcionalidad exigida por las aplicaciones modernas. Examinaremos tres aplicaciones habituales que recurren a una nueva clase de microcontroladores de 8 bits que incorporan filtrado analógico avanzado para cubrir las necesidades de estos sistemas modernos permitiendo un mayor rendimiento del sistema y una respuesta rápida a eventos del sistema.

Gestión, monitorización y optimización de la batería

En las ubicaciones remotas se utilizan muchos sistemas embebidos, entre ellos los sistemas IoT, con una batería como fuente de alimentación principal. Monitorizar la autonomía y el estado de la batería es una función importante para su funcionamiento seguro y fiable en estas aplicaciones.

En el sistema de monitorización de una batería se suele utilizar un microcontrolador para automatizar la medida de la autonomía de la batería y gestionar el estado de la batería con el fin de que su rendimiento sea óptimo. Un microcontrolador con un convertidor A/D (ADC) integrado lee y convierte los valores de las lecturas de corriente y tensión de la batería en datos digitales que el microcontrolador puede utilizar para estimar el estado de la batería. El rendimiento de la batería se puede enviar a dispositivos externos a través de interfaces de comunicación incorporados como UART, SPI e I²C para conectividad con diseños IoT. Si también es preciso monitorizar la temperatura de la batería, el amplificador operacional integrado en el controlador se puede utilizar para polarizar un sensor de temperatura. Muchos microcontroladores modernos de 8 bits integran amplificadores operacionales y pueden reducir el coste y el espacio del sistema que requieren los componentes externos en cualquier aplicación que necesite una etapa de ganancia antes de las conversiones A/D; por ejemplo, de señales analógicas débiles.

Para optimizar el rendimiento de la batería y alargar su tiempo de funcionamiento, el microcontrolador ideal ofrecerá diferentes modos de gestión de la alimentación para equilibrar el rendimiento necesario y el consumo. La clave para lograr una larga autonomía de la batería en un sistema embebido es la capacidad de reducir la actividad del sistema cuando no se requiere. La flexibilidad de configuración permite al sistema minimizar su consumo al desempeñar sus tareas, a menudo sin supervisión de la CPU (central processing unit). Así, funciones como los modos IDLE, DOZE o SLEEP reducen el consumo. Además, en los modelos más recientes de microcontroladores PIC^® y AVR^® de Microchip, los ADC, los amplificadores operacionales y los DAC también se pueden activar y desactivar por software o pueden recurrir al núcleo y los periféricos digitales del microcontrolador si alcanzan determinados umbrales para aumentar su nivel de flexibilidad y ahorro de energía en aplicaciones alimentadas por baterías. Gracias a estas funciones de bajo consumo disponibles en los microcontroladores modernos, se logra la máxima autonomía de la batería reduciendo al mismo tiempo el consumo de corriente, la disipación de potencia y los costes.

Figura 1: Los microcontroladores con periféricos analógicos integrados ayudan a los diseñadores a reducir el coste y el plazo de comercialización, así como a mejorar la capacidad de respuesta del sistema.

Gestión del sistema embebido

A medida que aumenta la complejidad de las aplicaciones embebidas con el paso del tiempo se hace necesario distribuir las tareas de procesamiento de manera que aseguren una respuesta muy rápida del sistema con el fin de ofrecer una excelente experiencia al usuario o de cumplir las normas de seguridad más exigentes. Para lograrlo, los sistemas complejos aprovechan a menudo los microcontroladores modernos de 8 bits porque sus periféricos analógicos integrados desempeñan tareas de “mantenimiento”, como controlar los carriles de alimentación, monitorizar la calidad ambiental y las condiciones peligrosas o arbitrar las comunicaciones entre diversos chips. Estas funciones son fundamentales en muchas aplicaciones, como infraestructura de centros de datos, sistemas de gestión de edificios, extremos de la red eléctrica inteligente y aplicaciones de seguridad crítica como lavadoras y secadoras domésticas.

Un ejemplo de este tipo es el servidor de un centro de datos. Si bien la placa principal de cada servidor alberga una CPU del servidor principal y diversos procesadores de aplicación que gestionen diversas tareas, muchos de estos servidores usan microcontroladores modernos de 8 bits como dispositivos de “gestión del sistema”. Estos microcontroladores ofrecen un nexo con varios sensores ambientales (temperatura, humedad, estado del carril de tensión) y están programados para enviar el estado a un bus de gestión del sistema mientras establecen la secuencia de alimentación de otros dispositivos en la placa principal dependiendo de las condiciones. En estos casos, los microcontroladores de 8 bits son perfectos para estas tareas gracias a sus periféricos analógicos integrados, así como a su sencillez de funcionamiento, flexibilidad y robustez. Ciertos microcontroladores, como los microcontroladores PIC y AVR de Microchip, ofrecen periféricos CIP (Core Independent Peripherals) que funcionan en coordinación con los periféricos analógicos integrados para asumir la monitorización del sistema en eventos críticos y asegurar el funcionamiento adecuado. Los periféricos analógicos integrados, como un amplificador operacional o un ADC, proporcionan la amplificación, el filtrado y el acondicionamiento de la señal que se necesitan al adquirir la señal analógica. Siempre que los CIP estén diseñados para automatizar tareas del sistema sin código o supervisión del núcleo de la CPU, reducirán la cantidad de código a escribir, depurar y validar, haciendo de este modo que las aplicaciones respondan con más rapidez a los cambios del sistema. Los CIP se comunican entre sí y esto ayuda a incrementar el rendimiento y la capacidad de respuesta del sistema, así como a manejar varias tareas simultáneamente.

Los microcontroladores PIC y AVR llevan el concepto un paso más allá y emplean sofisticados periféricos analógicos que disponen de hardware especializado para una computación avanzada e independiente del núcleo, como cálculo de promedio, sobremuestreo y filtrado paso bajo. Estas características ayudan a acelerar la respuesta del sistema y ofrecen un fuerte rechazo del ruido en entornos exigentes. Estos periféricos analógicos especiales se pueden interconectar a otras muchas señales integradas, como temporizadores o fuentes de reloj, señales de periféricos digitales, otras señales analógicas para activar procesos automáticamente o para generar condiciones de interrupción notificadas a la CPU.

Figura 2: La familia PIC18-Q71 de Microchip integra periféricos analógicos como un convertidor A/D (ADC) diferencial.

Interfaz de usuario

La tecnología de detección táctil se utiliza en una gran variedad de productos electrónicos, desde smartphones hasta aparatos de consumo y automóviles. En el sector de la automoción, los volantes y los tableros de instrumentos están dejando de lado los botones para dar paso a interfaces de usuario estilizadas y flexibles. Estos botones táctiles deben responder de inmediato a la interacción del usuario, ser inmune a falsos disparos y adaptarse a muchas condiciones ambientales diferentes, como variaciones rápidas de temperatura fría a caliente, superficies húmedas y manos enguantadas.

En los actuales sistemas táctiles capacitivos, la potencia de procesamiento de los microcontroladores de 32 bits no puede sustituir la interconectividad analógica especializada de los dispositivos modernos de 8 bits. Los nuevos microcontroladores de 8 bits de Microchip, incluidas las familias de productos PIC18-Q71 y AVR EA, tienen ADC diferenciales con filtrado avanzado que funcionan como “módulos de procesamiento analógico” para reducir significativamente el grado de intervención de la CPU (y por tanto de código) necesario para implementar aplicaciones de detección táctil. Estos ADC integrados especializados se caracterizan por su fuerte rechazo del ruido e incorporan sintonización y calibración automáticas para mejorar la inmunidad frente al ruido y la tolerancia al agua. Junto con las herramientas de desarrollo de Microchip de sencillo manejo para detección táctil, estos microcontroladores ofrecen una solución completa para construir interfaces táctiles exigentes que se vean expuestos a entornos adversos.

Figura 3: Los modernos sistemas táctiles capacitivos exigen una rápida adaptación frente a cambios en los niveles de temperatura y humedad.

Conclusión

Ante los mayores requisitos del microcontrolador a lo largo de los últimos 50 años, los límites entre lo que ha de ser analógico y lo que ha de ser digital se ha difuminado en un sistema embebido. A medida que han evolucionado los diseños embebidos lo ha hecho también el microcontrolador de 8 bits, que ha pasado de ser un sencillo dispositivo de computación a un completo dispositivo SOC (System-on-Chip) capaz de manejar la mayoría de las actuales tareas embebidas. Desde el mantenimiento, la gestión y la monitorización del sistema hasta las funciones del “controlador principal” en diseños complejos, los microcontroladores con periféricos analógicos integrados permiten a los diseñadores ofrecer dentro del microcontrolador principal aquellas funciones que se suelen realizar externamente con el fin de mejorar la respuesta del sistema y reducir los costes de la lista de materiales. Los periféricos analógicos inteligentes disponibles en los microcontroladores PIC y AVR de 8 bits integran periféricos digitales capaces de proporcionar una funcionalidad y una fiabilidad incluso superiores para los sofisticados sistemas embebidos del mañana. Para más información sobre periféricos analógicos avanzados y cómo se pueden utilizar para resolver problemas cruciales de diseño, visite microchip.com/8bit.