Cómo seleccionar el Microcontrolador para su Nuevo Producto
¿Cómo seleccionar el microcontrolador adecuado para su producto de hardware específico? Este artículo le mostrará todos los diferentes factores que necesita para hacer malabares al seleccionar el mejor microcontrolador.
Al seleccionar el microcontrolador adecuado para un proyecto, debe tener en cuenta el costo, el rendimiento, el consumo de energía y el tamaño general. La disponibilidad de las herramientas de software y hardware adecuadas también es una consideración primordial.
El soporte para la plataforma elegida también es muy importante – no solo del proveedor, sino de la comunidad en general. También ayuda si el microcontrolador elegido tiene una placa de desarrollo fácilmente disponible.
Finalmente, el tiempo de desarrollo se puede reducir significativamente si el microcontrolador seleccionado tiene bibliotecas de software extensas y completamente depuradas con Interfaces de Programación de Aplicaciones o API bien documentadas.
En este artículo, solo se presentarán microcontroladores que generalmente cumplan con los criterios anteriores.
Todos los microcontroladores modernos comparten algunas características básicas. Además de una unidad de procesamiento, tienen una cierta cantidad de flash que se usa para almacenar el código de la aplicación, algo de SRAM y, en la mayoría de los casos, algo de EEPROM.
Necesitan una fuente de reloj, y esto normalmente lo proporciona un oscilador interno de condensador de resistencia (RC), o mediante el uso de un cristal externo para aplicaciones más críticas de sincronización. Tienen algunos puertos de E / S digitales y al menos un temporizador / contador.
Además, aparte de los microcontroladores de gama muy baja, la mayoría tienen al menos un UART para comunicaciones en serie. Más allá de eso, los microcontroladores se distinguen por la cantidad de memoria que tienen, el número y tipo de otros periféricos integrados en el chip y la velocidad a la que ejecutan aplicaciones de usuario.
Esto no solo depende de la velocidad del reloj en bruto; también depende del ancho de datos del procesador y de cualquier característica de aceleración de hardware incluida.
Los microcontroladores para sistemas embebidos se dividen principalmente en tres categorías según el ancho de sus buses de datos: 8 bits, 16 bits y 32 bits. Hay otros, pero estos son los más populares.
En general, los microcontroladores de 8 bits están orientados a aplicaciones de extremo inferior, y los de 32 bits para los extremos superiores, con 16 bits para aplicaciones de extremo medio.
De lejos, la mayoría de los productos en los que trabajo tienden a incorporar microcontroladores de 32 bits, pero los microcontroladores de 8 o 16 bits pueden ser una buena opción para productos de gama baja y bajo costo.
Microcontroladores de 8 bits
Si una aplicación no tiene demandas muy altas de potencia de procesamiento y es de un tamaño relativamente pequeño, entonces puede tener sentido considerar un microcontrolador de 8 bits.
Para referencia, la mayoría de Arduinos se basan en microcontroladores de 8 bits. Por lo tanto, si ha construido su prototipo inicial utilizando un Arduino, es posible que pueda usar un microcontrolador de 8 bits en su producto final.
No deje que el precio guíe su decisión y, en muchos casos, los microcontroladores de 32 bits pueden ser más baratos que los chips de 8 bits.
Por ejemplo, el Atmega328p es el microcontrolador de 8 bits utilizado en Arduino Uno. Cuesta un poco más de $1 en volúmenes de alrededor de 10k piezas. Funciona a 20 MHz e incluye 32 KB de Flash y 2 KB de RAM.
Por otro lado, puede comprar microcontroladores de 32 bits que funcionan a 48 MHz con memoria similar por solo 60 centavos. Esto es probablemente debido a la popularización de los microcontroladores de 32 bits que reducen su costo.
Dicho esto, hay incluso microcontroladores de 8 bits más baratos disponibles que cuestan menos de 25 centavos a volúmenes similares.
los microcontroladores de 8 bits normalmente se deben considerar para aplicaciones que se dedican a hacer un solo trabajo, con una interfaz de usuario limitada y poco procesamiento de datos.
Los microcontroladores de 8 bits vienen en todos los tamaños, desde pequeños dispositivos de 6 pines hasta chips con 64 pines. Tienen tamaños de flash que van de 512 bytes a 256 KB, tamaños SRAM de 32 a 8 KB o más, y EEPROM de 0 a 4K o más. Un sistema mínimo puede ser tan simple como un solo chip, con un condensador de derivación en el riel de la fuente de alimentación.
Las tres líneas más populares de microcontroladores de 8 bits son la serie 8051, la serie PIC de Microchip y la serie AVR de Atmel, ahora parte de Microchip.
La serie 8051
Originalmente de Intel, y ahora fabricado por otros, este microcontrolador sigue siendo de uso común hoy en día, integrado en muchos dispositivos.
Si bien están disponibles como dispositivos independientes, el 8051 ahora se utiliza principalmente como núcleos IP (Propiedad Intelectual) que están integrados en el silicio de chips específicos de aplicaciones dedicadas, como algunos transceptores de radio inalámbricos.
Muy raramente el 8051 sería la elección correcta para servir como microcontrolador principal para su producto.
La serie PIC
Los microcontroladores PIC son bastante populares y tienen un amplio soporte tanto por Microchip como por terceros.
Microchip proporciona su Entorno de desarrollo integrado (IDE) MPLAB® X, que incluye un compilador C de forma gratuita. También está disponible de forma gratuita como complemento IDE el Configurador de código MPLAB que genera código C para los periféricos integrados.
Esto se puede integrar en el código de la aplicación. Hay modelos PIC con combinaciones de USART, SPI, I2C, ADC, USB, LIN, CAN y otras interfaces. Microchip también ofrece varias herramientas de desarrollo, incluyendo MPLAB PICkit 4, ICD 4 y Real ICE.
También están disponibles cumplidores comerciales de mayor calidad que tienen una mejor optimización de código. Aquí hay una guía de referencia rápida en PDF para microcontroladores PIC.
La serie AVR
El AVR es otra serie de microcontroladores de 8 bits muy populares. Si bien se encuentran en el mismo espacio que la FOTO descrita anteriormente y tienen un rendimiento comparable, tienen un gran reclamo de fama: Arduino.
Figura 1: La mayoría de las placas Arduino se basan en microcontroladores AVR de 8 bits
Los Arduinos originales, como Uno, Leonardo y Mega, utilizan microcontroladores AVR. Debido a la amplia gama de bibliotecas disponibles para Arduinos, los AVR merecen una seria consideración para aplicaciones de 8 bits, incluso si solo son prototipos de prueba de concepto.
Dado que las bibliotecas Arduino están escritas en C++, se pueden incorporar fácilmente en cualquier aplicación escrita en C/C++.
Las herramientas de desarrollo de software incluyen AVR studio o, si usa Arduino, el IDE de Arduino y la plataforma IO se usan comúnmente. El complier utilizado en estos IDE es AVR GCC, un compilador C/C++ gratuito, muy bien soportado y mantenido.
Las herramientas de desarrollo de hardware incluyen Atmel ICE y PICkit 4. Además, las herramientas maduras como el STK600 y AVR Dragon todavía están ampliamente disponibles. Aquí hay un enlace a una guía de referencia rápida en PDF para microcontroladores AVR.
Microcontroladores de 16 bits
Los microcontroladores de 16 bits son el siguiente paso desde los de 8 bits, a la vez que comparten muchos de los mismos atributos. Son más rápidos, admiten aún más periféricos y, por lo general, ofrecen más memoria, tanto flash como SRAM.
Además de más pines de E / S, la mayoría de ellos también tienen multiplicadores de hardware que son significativamente más rápidos y usan menos memoria de programa, en comparación con las implementaciones de software puro.
Es fácil encontrar dispositivos que tengan ADC y DAC, o dispositivos con sensores táctiles capacitivos, controladores LCD segmentados y Ethernet.
Internamente, estos dispositivos también tienen bloques de hardware que normalmente no se encuentran en los dispositivos de gama baja. Estos incluyen motores de cifrado, Amplificadores de ganancia Operativos o Programables y controladores DMA.
Aunque se pueden encontrar microcontroladores de 16 bits de varios fabricantes, como Microchip (su dsPIC33 es una opción popular), NXP, Infineon o Cypress, la serie TI MSP430 se presentará aquí como un ejemplo típico de este segmento de microcontroladores.
Serie TI MSP430
El MSP430 es una serie de microcontroladores de 16 bits de muy baja potencia que están disponibles en muchos sabores. Van desde modelos de uso general hasta modelos muy especializados.
Una cosa interesante de las variantes especializadas de estos microcontroladores es que en realidad se ramifican en dos extremos: modelos muy dedicados y de muy bajo costo, y modelos de gama alta con interfaces de sensores analógicos y Procesamiento de señal Digital (DSP).
Un ejemplo de aplicación de gama alta es este sensor de flujo ultrasónico. En el extremo inferior, TI también fabrica chips basados en MSP430 que resuelven muchas funciones de hardware muy específicas. Para más detalles, consulte este documento electrónico.
Por ejemplo, ¿desea una interfaz SPI a UART, un expansor de E/S o un puente UART a UART? Está todo ahí, y todo por menos de 0 0,30 por este chip.
Por último, por supuesto, el MSP430 es compatible con una serie de herramientas y kits de desarrollo de bajo costo.
La tabla 1 a continuación muestra las funciones adicionales disponibles en algunas de las versiones principales.
| MSP430FR2x | MSP430FR4x | MSP430FR5x | MSP430FR6x | |
| la Memoria de Programa | Hasta 32 kb | Hasta 16KB | Hasta 256 kb | Hasta 128KB |
| Número de pines | 16 a 64 en una variedad de paquetes | 48 a 64 en una variedad de paquetes | 24 a 100 en una variedad de paquetes | 56 a 100 en una variedad de paquetes |
| los Periféricos que normalmente no disponibles en 8-bit controladores | DAC, PGA, Transimpedancia & amplificadores operativos | Lógica de modulación IR | DMA, AES | DMA, AES |
| Controladores de segmento LCD | — | Subir 256 | — | Hasta 320 |
Tabla 1-Resumen de características de la corriente principal MSP430
Microcontroladores de 32 bits
Los microcontroladores de 32 bits son dispositivos potentes con características similares a microprocesadores. Algunas de las características avanzadas incluyen canalización de instrucciones, predicción de ramas, Interrupciones Vectorizadas Anidadas (NVI), Unidades de Coma Flotante (FPU), protección de memoria y depuradores integrados.
La segmentación de instrucciones significa que el núcleo del procesador obtiene previamente las instrucciones posteriores con anticipación, y la predicción de ramificaciones obtiene previamente las instrucciones siguientes de ambos resultados de una condición if-else, acelerando así la ejecución de código.
NVI proporciona prioridades de interrupción, donde una interrupción puede adelantarse a una de menor prioridad.
Las FPU pueden hacer cálculos en coma flotante mucho más rápido que los métodos implementados por SW.
La protección de memoria garantiza que el código de la aplicación no pueda sobrescribir inadvertidamente secciones críticas dedicadas al sistema operativo, por ejemplo.
Finalmente, la depuración integrada permite echar un vistazo a los registros y otras áreas del sistema para facilitar la depuración del código de la aplicación. Todo esto en conjunto permite que estos microcontroladores ejecuten aplicaciones grandes, rápidas y robustas.
Además, su potencia de procesamiento en bruto significa que pueden admitir fácilmente Sistemas Operativos en Tiempo Real (RTO) que, a su vez, proporcionan capacidades de multitarea.
Aunque hay muchos microcontroladores de 32 bits en el mercado, el enfoque de esta nota será en los dispositivos basados en ARM Cortex M, con una mención especial del ESP32 de Espressif.
ARM Holdings en realidad solo diseña IP de núcleo de procesador, que luego licencian a varios proveedores de semiconductores que los incorporan, junto con algunos periféricos, en sus propios chips de silicio. Numerosos fabricantes de chips ofrecen microcontroladores basados en la arquitectura Cortex-M.
Dos proveedores destacados de chips basados en ARM son Atmel con su línea de dispositivos SAM y STMicroelectronics con su línea de productos STM32.
Los dispositivos SAM merecen mención aquí debido a su uso en algunas placas compatibles con Arduino. Sin embargo, en general, los dispositivos STM32 ofrecen más opciones, y se les debe dar la máxima consideración al diseñar en un microcontrolador de 32 bits integrado.
Microcontroladores STM32
Los núcleos ARM Cortex M vienen en muchas versiones. Las más populares son las M0/M0+, M1, M3, M4 y M7, cada una de las cuales ofrece un rendimiento progresivamente mayor. Los microcontroladores STM32 incorporan núcleos M0 / M0+, M3, M4 o M7.
La figura 1 muestra la familia STM32 de microcontroladores basados en ARM Cortex M, y sus segmentos de aplicación previstos.
Figura 2-Familia de microcontroladores STM32
Dentro de cada una de las categorías mostradas en la figura 1, hay muchas familias que se pueden seleccionar para que coincidan más estrechamente con una aplicación dada.
Por ejemplo, la figura 2 muestra las principales variantes disponibles en la categoría «mainstream» y su curva de rendimiento relativa. Tenga en cuenta que dentro de cada familia, hay muchas variantes con diferentes combinaciones de periféricos y cantidades de memoria.
De hecho, en este momento, hay más de trescientos microcontroladores STM32 disponibles en esta categoría.
Figura 3-Familia de microcontroladores en la categoría principal STM32
Soporte de hardware STM32: La familia STM32 es compatible con una amplia variedad de herramientas de hardware proporcionadas tanto por ST Microelectronics como por terceros.
Un depurador/programador en circuito económico es el STLink V2. Está hecho por ST, y está disponible en lugares como Digi-Key; sin embargo, también están disponibles clones muy baratos.
ST Microelectronics también tiene una gran selección de placas de desarrollo bajo sus familias Nucleo y Discovery.
Ambos contienen una interfaz de depuración STLink. Todo lo que se necesita es un ordenador con USB, que ejecute la herramienta de software adecuada para evaluar el microcontrolador elegido.
Las tarjetas Discovery incluyen periféricos externos adicionales, como sensores MEMs y placas táctiles capacitivas. Sin embargo, los nucleos tienen encabezados que son compatibles con escudos Arduino.
Figura 4 – ST Placa de desarrollo de descubrimiento para un microcontrolador STM32F407
Antes de salir de esta sección, vale la pena mencionar otra placa de desarrollo muy económica. Comúnmente conocida como Píldora Azul, esta placa tiene un chip basado en STM32F103 Cortex M3 y cuesta menos de $2.00 de algunas fuentes.
Una característica atractiva de esta placa es que se puede hacer compatible con Arduino para que el IDE de Arduino, o Platform IO, se pueda usar para escribir y descargar código para una prueba rápida de diseños de concepto.
Aunque el proceso de hacerlo compatible con Arduino es un poco complicado, hay varios lugares que venden placas listas para Arduino. Solo haz una búsqueda de ‘STM32duino’.
Para aprender a diseñar una placa de microcontrolador basada en STM32 personalizada, asegúrese de ver este tutorial y consulte este curso de pago en profundidad.
Soporte de software STM32: STMicroelectronics proporciona una versión de la suite de desarrollo Mbed de ARM para toda su línea de productos STM32. Esto incluye un IDE, un compilador y un amplio conjunto de bibliotecas.
Para desarrolladores que prefieren usar otros compiladores, ST proporciona su STMCube. Este es un software generador de código que produce códigos de inicialización para los periféricos STM32.
Con eso, no hay necesidad de revisar completamente la configuración de bits de varios registros para configurar los periféricos, como puertos E / S o temporizadores, por ejemplo.
ESP32
El ESP32 es un microcontrolador de Espressif Systems. Como se muestra en la figura 3, tiene todas las características de un microcontrolador típico de 32 bits.
Figura 5-Módulo Espressif ESP32
Sin embargo, lo que distingue a este microcontrolador en particular de otros es la inclusión de hardware WiFi y Bluetooth en el chip.
Que incluye no solo las pilas de protocolos, sino también los transceptores de radio reales. El ESP32 también está disponible como un pequeño módulo pre-certificado con antena integrada.
Para aplicaciones que requieren conectividad WiFi o Bluetooth, el ESP32 merece una seria consideración. El precio del ESP32 (tanto chip discreto como módulo) tiene un precio muy asequible, especialmente teniendo en cuenta la cantidad de características y rendimiento incluidos en este chip.
Figura 6-Diagrama de bloques funcionales ESP32
Conclusión
El microcontrolador es posiblemente el componente más importante que debe seleccionar para su producto. Cambiar a un nuevo microcontrolador a mitad del proyecto puede ser una pesadilla, así que asegúrese de elegir esta opción por adelantado.
Otros componentes de un diseño se pueden cambiar comúnmente sin requerir cambios masivos en todo el sistema. Ese no es el caso con el microcontrolador que sirve como el núcleo de su producto.
Al elegir un microcontrolador, generalmente desea elegir uno que le dé a su producto espacio para crecer. Por ejemplo, si determina que necesita 16 pines GPIO, entonces no desea elegir un microcontrolador con solo 16 pines GPIO.
¿Qué sucede si decide agregar un nuevo botón en el futuro y necesita otro pin GPIO? Si su microcontrolador no le da espacio para crecer, entonces puede encontrar que las actualizaciones de diseño aparentemente simples en el futuro requerirán un rediseño masivo porque es necesario un nuevo microcontrolador.
Por otro lado, no desea seleccionar más rendimiento o funciones de las que anticipa necesitar.
Por ejemplo, si su producto simplemente controla la temperatura y la humedad, nunca necesitará un microcontrolador avanzado de 32 bits que funcione a cientos de MHz. Eso sería una exageración que agregaría costos innecesarios y complejidades de diseño a su producto.
En su lugar, necesita encontrar el punto óptimo entre tener espacio para crecer si es necesario, pero sin pagar por el rendimiento o las características que realmente nunca necesitará.
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