Dispositivos Lógicos Programables para Computación Embebida e IoT

Desarrollados por primera vez en la década de 1960 para la industria aeroespacial y militar, los sistemas de computación embebidos continúan apoyando nuevas aplicaciones a través de numerosas mejoras de características y mejoras en la relación costo-rendimiento de los microcontroladores y dispositivos lógicos programables. Hoy en día, los sistemas de computación embebidos controlan dispositivos cotidianos de los cuales generalmente no pensamos como “computadoras”: cámaras digitales, automóviles, relojes inteligentes, electrodomésticos e incluso prendas inteligentes. Estos sistemas de computación embebidos se encuentran comúnmente en aplicaciones de consumo, industriales, automotrices, médicas, comerciales y militares.

A diferencia de las computadoras de propósito general, los sistemas de control embebidos están diseñados típicamente para realizar tareas específicas. La tarea del diseñador de sistemas de computación embebidos es identificar el conjunto de componentes que implementarán los requisitos funcionales, de rendimiento, usabilidad y fiabilidad del sistema, típicamente dentro de estrictas limitaciones de costos y plazos de desarrollo. En consecuencia, la selección de un microcontrolador y sus características, incluyendo capacidades de procesamiento de datos, velocidad, periféricos y consumo de energía, es uno de los aspectos más tempranos y críticos del diseño del sistema.

Parte de la responsabilidad del diseñador implica estar al tanto de las tendencias en su industria particular y aprovechar los componentes y técnicas relevantes. Veamos ejemplos entre las principales industrias para aplicaciones de microcontroladores, el Internet de las Cosas.

¿Qué es IoT?

El Internet de las Cosas (IoT) se define típicamente como la “extensión de la conectividad de Internet a objetos y dispositivos físicos”. Los dispositivos IoT pueden comunicarse e interactuar entre sí a través de Internet o directamente mediante un protocolo inalámbrico, y pueden ser monitoreados y controlados de forma remota. Los dispositivos IoT en el mercado de consumo típicamente se refieren a productos que permiten hogares inteligentes, por ejemplo, electrodomésticos, iluminación, termostatos, sistemas de seguridad para el hogar y cámaras. La clase más nueva de productos puede ser controlada desde un smartphone u otros dispositivos conectados a la nube.

Ejemplo de controlador de cerradura inteligente IoT. La identidad del usuario, transmitida a la nube a través de un smartphone, es validada y el comando es procesado. El smartphone controla una operación de Cerradura Inteligente (abrir/cerrar) vía Bluetooth.

Los dispositivos IoT tienen una serie de componentes clave en común. Además de un microcontrolador, memoria embebida y gestión de energía, estos dispositivos típicamente incluyen una serie de sensores y actuadores con componentes de acondicionamiento de señal en un solo paquete. La circuitería de comunicaciones requerida para que el dispositivo transfiera datos hacia y desde un procesador de red local y/o el recurso de computación en la nube a menudo se incluye en microcontroladores diseñados para aplicaciones IoT.

Desafíos de Diseño para Dispositivos IoT de Próxima Generación

Los dispositivos IoT se están volviendo ubicuos en aplicaciones industriales, de consumo, médicas y agrícolas. A medida que se vuelven más numerosos y con más funciones, el desarrollador de sistemas embebidos continuará encontrando los siguientes desafíos de diseño:

• Seguridad: Este es el mayor problema en la adopción de tecnología IoT. En particular, a medida que el uso de dispositivos IoT se vuelve más generalizado, los ciberataques probablemente se convertirán en una amenaza cada vez más común.

• Vida útil de la batería y tiempo de actividad: Una parte significativa de los dispositivos IoT funciona con baterías. A medida que estos dispositivos se vuelven más ricos en funciones, su demanda de energía aumenta, lo que requiere baterías más grandes o mejores esquemas de gestión de energía.

• Descentralización: Las arquitecturas tradicionales de la nube proporcionan procesamiento centralizado para aplicaciones en centros de datos basados en la nube. La distancia entre el centro de datos y el dispositivo IoT puede aumentar la latencia, lo que resulta demasiado lento para flujos de trabajo en tiempo real. En contraste, la computación en el borde permite que los dispositivos IoT tomen decisiones inteligentes y respondan en tiempo real a estímulos externos. Esto también ofrece ventajas de soberanía de datos para el usuario, ya que los datos personales se preanalizan y se proporcionan a los proveedores de servicios con un nivel más alto de interpretación.

Microcontroladores para Computación Embebida con Dispositivos IoT

Se espera que los dispositivos IoT sean económicos, por lo tanto, el microcontrolador debe ser elegido de manera que sus capacidades no se subutilicen por la aplicación. Las especificaciones del microcontrolador que determinan la mejor pieza para su aplicación son:

• Profundidad de bits: El ancho de registro y de camino de datos impacta la velocidad y precisión con la que los microcontroladores pueden realizar cálculos no triviales.

• Memoria: La cantidad de RAM y Flash en un microcontrolador determina el tamaño y la complejidad del código que el componente puede soportar a plena velocidad. Las memorias grandes tienen un área de die y un costo de componente mayores.

• GPIO: Estos son los pines del microcontrolador utilizados para conectarse a sensores y actuadores en el sistema. Estos a menudo comparten su funcionalidad con otros periféricos del microcontrolador, como comunicación serial, convertidores A/D y D/A.

• Consumo de energía: El consumo de energía es críticamente importante para dispositivos operados por baterías y típicamente aumenta con la velocidad del microcontrolador y el tamaño de la memoria.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

El sistema programable en chip (PSoC) 6 MCU CY8C6246BZI-D04 con arquitectura está diseñado específicamente para el IoT y está orientado hacia una seguridad mejorada. Llenando el vacío entre procesadores de aplicaciones costosos y hambrientos de energía y MCUs de bajo rendimiento. La arquitectura de MCU PSoC 6 de ultra bajo consumo ofrece el rendimiento de procesamiento requerido para nuevos productos IoT. La seguridad está integrada a través de un entorno de ejecución de confianza (TTE) basado en hardware con almacenamiento de datos seguro.

La arquitectura de MCU PSoC 6 está construida sobre una tecnología de proceso de 40 nm de vanguardia y ultra bajo consumo, con una arquitectura de núcleo dual Arm^® Cortex^®-M. El consumo de energía activa es tan bajo como 22-μA/MHz para el núcleo M4, y 15-μA/MHz para el núcleo M0+. Cypress también proporciona un kit de desarrollo para programar el CY8C6246BZI-D04:

PSoC Programmer 3.26.0 proporciona soporte de programación y depuración para la última familia de dispositivos PSoC 6 de Cypress a través de PSoC Programmer y PSoC Creator. Admite la programación y depuración de dispositivos PSoC 6 a través de interfaces SWD y JTAG.

Arquitectura MCU Cypress PSoC 6 de Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

El MPS430FR2676 es un microcontrolador de sensado táctil capacitivo MSP430^™ de ultra-bajo consumo con 64KB de FRAM, 8KB de SRAM, 43 IO y un ADC de 12 bits. La línea de tecnología CapTIvate es ideal para dispositivos IoT con botones, deslizadores, ruedas y funciones de proximidad. FRAM, o memoria de acceso aleatorio ferroeléctrica, es una tecnología de memoria que combina la no volatilidad del Flash y la flexibilidad y bajo consumo de la SRAM. Esta tecnología de memoria probada está integrada en los microcontroladores (MCUs) de ultra-bajo consumo MSP430 para llevar sus ventajas únicas a aplicaciones del mundo real.

*MCUs MSP430 con tecnología CapTIvate proporcionan la solución táctil capacitiva más integrada y autónoma del mercado con alta fiabilidad e inmunidad al ruido al menor consumo. La tecnología táctil capacitiva de TI admite electrodos de auto-capacitancia y mutua-capacitancia concurrentes en el mismo diseño para máxima flexibilidad. *

Diagrama de bloques funcional de Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

El microcontrolador STM32H753BIT6 está diseñado para computación periférica y se basa en un núcleo ARM Cortex M7 de 32-BIT a 480 MHz con 2M x 8 de memoria Flash. Este MCU incluso incluye un sensor de temperatura integrado, lo que lo hace útil en aplicaciones de hogar inteligente o industriales. El núcleo Cortex-M7 cuenta con una unidad de punto flotante (FPU) que admite instrucciones de procesamiento de datos y tipos de datos de precisión simple y doble conforme a IEEE 754. Estos dispositivos admiten un conjunto completo de instrucciones DSP e incluyen una unidad de protección de memoria (MPU) para mejorar la seguridad. Este microcontrolador también es ideal para dispositivos IoT diseñados para ejecutar algoritmos de aprendizaje automático para analizar datos:

El STM32Cube.AI es un paquete de extensión de la herramienta de configuración y generación de código STM32CubeMX ampliamente utilizada que permite la posibilidad de mapear y ejecutar Redes Neuronales Artificiales (ANN) preentrenadas en micro-controladores STM32 basados en Arm^® Cortex^®-M.

Matriz de bus de STM32H753xI del datasheet

La computación embebida en IoT y otras áreas de aplicación continuará avanzando, y puedes maximizar el rendimiento de tu próximo sistema con el microcontrolador adecuado u otro dispositivo lógico programable. ¡Comienza tu búsqueda con algunas de nuestras recomendaciones!

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