Autor: Pramit Nandy, Director de Marketing de Producto, Microchip Technology Inc.
En un entorno cambiante con tanta rapidez como los sistemas embebidos, sigue aumentando la demanda de aplicaciones precisas y eficientes de control en tiempo real. Los microcontroladores continúan siendo un elemento primordial en estas aplicaciones y cubren un amplio conjunto de sectores como automoción, electrónica de consumo, salud, aeroespacial y automatización industrial.
La evolución tecnológica hace que los microcontroladores, compactos pero potentes, experimenten importantes transformaciones para cumplir unos requisitos cada vez mayores. Esta evolución se caracteriza por varias tendencias clave que configuran el futuro de la tecnología de los microcontroladores impulsando la necesidad de microcontroladores de mayor rendimiento y periféricos avanzados para realizar medidas exactas y precisas, todo ello facilitando la adopción por medio de un completo ecosistema de desarrollo.
La necesidad de mejorar el rendimiento
Los microcontroladores modernos abordan una serie de retos que van desde la mayor complejidad del software hasta la necesidad de mejorar la eficiencia energética. También integran periféricos multifuncionales y cumplen las estrictas normas de protección y seguridad. El siguiente apartado describe estos avances de forma detallada y destaca su papel para transformar el potencial de los microcontroladores dentro del entorno digital, que exige un mayor rendimiento a los microcontroladores actuales.
Figura 1: Tendencias en el mercado de sistemas embebidos.
Mayor complejidad del software
- Integración del diseño basada en modelo: Los microcontroladores ahora aceleran el desarrollo de prototipos y la generación de código por medio de herramientas de diseño basadas en modelos que agilizan el desarrollo de software complejo y la comercialización.
- Sólida protección y seguridad: Los microcontroladores avanzados incorporan ecosistemas completos con módulos criptográficos, arranque seguro y arquitecturas tolerantes a fallos para garantizar la integridad del sistema. Los microcontroladores también deben tener una potencia informática que les permita diagnosticar la seguridad funcional y ejecutar funciones seguridad junto con las principales funciones de aplicación.
- Memoria y procesamiento avanzados: Para cubrir las crecientes necesidades de software, los microcontroladores incorporan una memoria más grande y una mayor potencia de procesamiento para aplicaciones complejas y multitarea.
Mayor eficiencia energética
El diseño de los microcontroladores incorpora funciones avanzadas para mejorar la eficiencia energética del sistema. Esto incluye la integración de periféricos analógicos innovadores y más rápidos, arquitecturas avanzadas para aumentar la eficiencia del código y un mayor rendimiento que permita diseñar sistemas eficientes para controlar motores, fuentes de alimentación y sistemas de carga con un menor consumo sin disminuir el rendimiento. Los microcontroladores también integran algoritmos sofisticados para gestionar y optimizar dinámicamente el uso de la energía con el fin de garantizar el máximo rendimiento del sistema con un mínimo consumo de energía. Estas mejoras ayudan a prolongar la autonomía de la batería en los dispositivos portátiles, reducir las pérdidas de conversión y disminuir los costes energéticos en varias aplicaciones.
Un controlador y múltiples funciones
- Multifuncionalidad: Dispositivos todo en uno que permiten una gestión sincronizada de las funciones.
- Arquitectura optimizada: Simplifican el diseño del sistema, minimizan el número de componentes adicionales y mejoran el rendimiento.
- Periféricos integrados: Ocupan menos espacio en la placa de circuito impreso, reducen los costes del sistema y permiten un funcionamiento a alta velocidad.
- Compacto y económico: Facilitan la creación de sistemas electrónicos pequeños y económicos pero potentes.
Mayores requisitos de protección y seguridad
- Cumplimiento de las normas de protección: Los microcontroladores modernos se utilizan los sectores de la automoción, la industria y el consumo e incorporan funciones de protección que cumplen las normas ISO 26262, IEC 61508 e IEC 60730, entre otras. Cuentan con tolerancia a fallos, corrección de errores y autocomprobación para mitigar los fallos del sistema y mejorar la protección del usuario.
- Mejoras de la seguridad: Para combatir las ciberamenazas, los microcontroladores incorporan aceleradores criptográficos, arranque seguro y control de acceso seguro con el fin de proteger los datos y la propiedad intelectual.
Esto significa que, además de funcionar en la aplicación principal, ahora se exige que los microcontroladores ejecuten otras funciones complementarias relacionadas con la seguridad y la protección. Esto exige aumentar el ancho de banda de la CPU, de ahí que necesite mejorar el rendimiento del microcontrolador.
DSC (Digital Signal Controllers) de alto rendimiento de Microchip
En el contexto de las aplicaciones cubiertas por sistemas embebidos, las aplicaciones de control en tiempo real necesitan respuestas rápidas y deterministas para que sus operaciones sean efectivas. Los microcontroladores avanzados con capacidades DSP son primordiales para el procesamiento a alta velocidad y de baja latencia de algoritmos complejos, que son fundamentales para aplicaciones en tiempo real como control de motores, conversión de potencia y conexión de sensores, que exigen respuestas puntuales y precisas. Los DSC (Digital Signal Controllers) dsPIC® de Microchip Technology se han convertido en una solución popular ya que cumplen los complejos requisitos del control en tiempo real con alta precisión y fiabilidad.
Presentación de la nueva serie avanzada dsPIC33A: nueva generación de DSC de Microchip
Microchip está mejorando proactivamente los DSC dsPIC como respuesta a las tendencias del mercado que indican la demanda de más rendimiento. Esta evolución abarca la integración de capacidades con un rendimiento superior, la expansión de la memoria en futuros dispositivos, y periféricos avanzados y más rápidos, junto con la implementación de funciones avanzadas de seguridad y protección con el fin de cubrir y abordar de manera efectiva los requisitos y los retos del mercado. La siguiente imagen muestra la evolución de nuestros DSC dsPIC con la nueva serie dsPIC33A como quinta generación de DSC de Microchip Technology Inc.
Figura 2: Evolución del núcleo de los DSC dsPIC33.
La serie de DSC dsPIC33A representa un avance revolucionario para la tecnología de los microcontroladores que ofrece una plataforma robusta y eficiente que sobresale por su gestión de memoria, ejecución optimizada y soporte para seguridad funcional. Gracias a su arquitectura de memoria unificada, CPU de 32 bits de alto rendimiento, unidad de coma flotante de doble precisión (DP-FPU) y otras funciones avanzadas, esta serie facilita el trabajo del desarrollador y se adapta a una gran variedad de aplicaciones, garantizando el control preciso en tiempo real y la posibilidad de realizar tareas complejas. Sus periféricos de alta velocidad y sus potentes medidas de protección distinguen aún más la serie dsPIC33A como una opción atractiva para quienes tratan de introducir la tecnología más avanzada en los microcontroladores.
Figura 3: Principales características de la serie dsPIC33A.
CPU de 32 bits
La serie dsPIC33A incorpora una CPU de 32 bits y 200MHz con una FPU de doble precisión que mejora el rendimiento para aplicaciones de alimentación digital, diseño robusto y control de motores. Simplifica los diseños basados en modelo y la integración de herramientas de terceros, al tiempo que incrementa la exactitud y la velocidad de desarrollo.
Unidad de coma flotante de doble precisión (DP-FPU)
Esta unidad cumple las especificaciones de IEEE 754-2019 y admite precisión sencilla y doble con una conexión especializada que mejora la fiabilidad del software y la velocidad del lazo de control además de reducir los errores de software relacionados con el escalado variable. Incluye funciones seno y coseno basadas en hardware para mejorar el control de motores.
Mejoras en el motor del DSP y la CPU
Entre sus características se encuentran dos acumuladores de 72 bits que aumentan la resolución y la exactitud con un riesgo mucho más bajo de resultados incorrectos por exceso o defecto. Los registros de 32 bits ofrecen altos niveles de rendimiento y resolución y minimizan la necesidad de escalado variable, disminuyendo así la probabilidad de errores por exceso o defecto. Los siete registros conmutados de contexto minimizan la latencia en aplicaciones en tiempo real.
Periféricos avanzados de alta velocidad
La serie dsPIC33A dispone de un convertidor A/D de 12 bits y 40 MSPS, amplificadores operacionales con un producto de ganancia por ancho de banda (GBW) de 100 MHz y comparadores rápidos con un tiempo de respuesta de 5 ns que mejoran el rendimiento y reducen la latencia para control de motores, conversión de alimentación digital, conexión de sensores avanzados y otras aplicaciones en tiempo real.
Además, periféricos especializados como las interfaces QEI (Quadrature Encoder Interface) y BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) facilitan el seguimiento y el intercambio de datos en tiempo real para posiciones de ejes en rotación sin alterar el flujo de datos. Periféricos independientes del núcleo como CLC (Configurable Logic Cells) y PTG (Peripheral Trigger Generators) optimizan la eficiencia de la CPU al manejar las tareas de forma autónoma y permitir que la CPU se centre en aplicaciones más críticas.
Mejoras en las funciones de seguridad y la arquitectura de memoria
La seguridad se ve reforzada gracias a una Raíz de Confianza Inmutable, depuración segura y restricción en el acceso al segmento Flash. La ECC en toda la memoria, la monitorización del rendimiento y la monitorización mejorada del reloj aumentan la protección. Una arquitectura de memoria unificada y los dos bancos de RAM optimizan el rendimiento y simplifican al acceso directo a memoria.
Ecosistema de desarrollo simplificado
La nueva serie dsPIC33A agiliza el desarrollo de sistemas embebidos con su diseño basado en modelo y la arquitectura ISA (Instruction Set Architecture) es compatible con los DSC dsPIC33 existentes para simplificar la transición. Se integra fácilmente con el compilador MPLAB® XC-DSC y el MPLAB® Code Configurator. Esta serie cuenta con el soporte de la tarjeta de desarrollo dsPIC33A Curiosity (EV74H48A), que cuenta con módulos adaptados al control de motores, la alimentación y otras aplicaciones embebidas. Este ecosistema se verá ampliado pronto para mejorar el soporte al diseño basado en modelo, el control de motores y los algoritmos DSP para detección avanzada y alimentación digital entre otras aplicaciones, así como para aumentar la seguridad funcional.
Figura 4: Ecosistema de la serie dsPIC33A.
Aplicaciones y mercados
La nueva familia de DSC dsPIC33A ayudará a aumentar el rendimiento en un conjunto de aplicaciones de control en tiempo real:
- Control de motores: Bien sea para automatización industrial, sistemas de automoción o robótica, los DSC dsPIC ofrecen un control preciso del motor que permite unas operaciones fluidas y eficientes.
- Electrónica de potencia: En aplicaciones de electrónica de potencia como inversores, convertidores y fuentes de alimentación, los DSC dsPIC desempeñan un papel fundamental para la exactitud del control y la regulación de la potencia eléctrica.
- Conexión de sensores: El procesamiento en tiempo real de los datos del sensor es vital en aplicaciones como instrumentación y monitorización. Los DSC dsPIC manejan eficientemente los datos de varios sensores, y aseguran que las respuestas sean ágiles y exactas gracias a su núcleo de alto rendimiento y sus periféricos analógicos avanzados de alta velocidad.
Figura 5: Aplicaciones.
Primer producto de la familia de DSC dsPIC33A
La primera familia de DSC dsPIC33AK128MC1xx, que incluirá 128KB de Flash y un gran número de periféricos, se suministrará en varios encapsulados, como SSOP, VQFN y TQFP de 28 a 64 patillas, cuyas dimensiones pueden ser de apenas 4×4 mm. Las futuras familias de dsPIC33A con más memoria, más periféricos y un mayor número de patillas completarán el catálogo.
Figura 6: Diagrama de bloques de la familia dsPIC33A.
Conclusión
Los DSC dsPIC33A de Microchip marcan un punto de inflexión para los desarrolladores de sistemas embebidos en los sectores de la automoción, la industria y el consumo. Gracias a su núcleo avanzado, numerosos periféricos y versátiles herramientas de desarrollo, los DSC dsPIC33A ofrece a los ingenieros la posibilidad de idear algoritmos complejos de control que aborden las crecientes necesidades de rendimiento, protección y eficiencia. Los DSC dsPIC33A son algo más que un salto tecnológico pues representan un cambio fundamental para las estrategias de control en tiempo real al prometer una nueva era de precisión, fiabilidad e innovación.
