Desarrollo de aplicaciones de ingeniería con microcontroladores

Últimamente nuestra empresa está dando un paso más en el diseño de aplicaciones de automatización enfocadas a la eficiencia energética. Cansados de comprar equipos caros hemos explorado la posibilidad de fabricar algunos sistemas a incorporar a nuestros diseños. El estudio de los microcontroladores ha sido una buena opción. En ese artículo hablamos de algunas ideas básicas que debe conocer quien se introduzca en el mundo de los microcontroladores. También describimos las características esenciales de MSP430™ microcontrollers (MCUs) de Texas Instruments (TI), un procesador de señal mixta de 16-bit, basado en RISC diseñado para ultra-baja potencia. MCUs ofrece el más bajo consumo energético y la mezcla perfecta de periféricos integrados para miles de aplicaciones. Con el MSP430 TI abre el camino a un mundo libre de baterías.

¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Las ventajas son que su coste es extremadamente bajo pero la desventaja es que el diseño y programación con controladores es bastante complejo, sobre todo cuando buscamos aplicaciones algo sofisticadas.

Programación

El microcontrolador no entiende los lenguajes de alto nivel de programación, por lo que es necesario compilar el programa en lenguaje máquina. Se puede utilizar cualquier programa compilador (Basic, Pascal, C etc.) para crear un archivo con extensión hex. Este programa se le denomina código hex y forma una secuencia de números hexadecimales que será interpretada por el microcontrolador para funcionar de acuerdo a la aplicación que deseamos.

La tecnología FRAM de Texas Instruments (TI) proporciona una memoria unificada con partición dinámica y velocidades de acceso 100 veces más rápidas que una memoria flash. Esta nueva memoria se combina con DNA de MSP para ofrecer un consumo energético jamás visto antes.

Los microcontroladores de baja potencia disponen de todas las herramientas de hardware y software, y apoyo a los necesarios para minimizar el tamaño del producto y permitir un mundo libre de baterías. Estas MCU MSP430 son ideales para medición electrónica de energía, sensores remotos e industriales, energy harvesting, automatización de la vivienda, sistemas de adquisición de datos, y muchas otras aplicaciones que requieren consumo de energía ultra bajo, opciones de memoria flexibles e integración analógica inteligente.

TI también proporciona todas las herramientas de hardware y software que se necesitan, así como componentes complementarios para cubrir las necesidades de gran número de diseños de automatización.

Para facilitar el diseño con Microcontroladores TI lanzó LaunchPad, un kit de desarrollo de microcontroladores.

Analicemos con un poco más de detalle los microcontroladores MSP430 a partir del uso del LaunchPad.

Como se muestra en el siguiente diagrama, el circuito se divide en dos mitades. La parte superior es un emulador en código abierto (llamado eZ-FET lite). Este conecta nuestro MSP430 a un PC haciendo funcionar la herramienta de depuración, tal como Code Composer Studio.

La porción inferior del circuito proporciona el objeto de nuestra programación de la aplicación. Hay LEDs, pulsadores, y pins que podemos usar para que los programas interactúen con el mundo real.

Cada tipo de microcontrolador tiene unas características específicas, unos límites de corriente, sus pines de alimentación o de entrada y salida tienen una posición distinta, etc. Es decir, cada configuración o circuito que valga para un microcontrolador no valdrá para otro que sea de un tipo distinto, por lo que en todos lados aconsejan centrarse primero en un tipo de microcontrolador y aprender todo lo posible sobre su funcionamiento antes de pasar al siguiente.

TI dispone del integrated development environment (IDE) que se denomina Code Composer Studio (CCS). También introduce a muchas librerías proporcionadas por TI para el rápido desarrollo de proyectos de microcontrolador. Con estas herramientas podremos:

• Editar y construir código.
• Depurar y validar nuestro código.

Productos inalámbricos

Los dispositivos inalámbricos transmiten la información por el aire, sin utilizar cables.

¿Qué protocolo o frecuencia se utiliza? Si estamos cerca de las comunicaciones de campo NFC; ID de radio-frecuencia (RFID), el largo alcance, ZigBee de 1 GHz, 6LoPan, Bluetooth o Bluetooth bajo en energía (BLE); ANT y Wi-FI.

Periféricos MSP430

GPIO

Los dispositivos MSP430 contienen muchos puertos I/O. La mayor limitación es usualmente la selección del paquete, un paquete con menos pines significa menos entradas y salidas para propósito general.

Como la mayoría de los microcontroladores de hoy en día, los pines en nuestros dispositivos están multiplexados. Es decir, a menudo una de varias señales de nuestra elección pueden salir de un pin dado. El MSP430 hace que cada señal sea programable de forma independiente, lo cual proporciona máxima flexibilidad.

Temporizadores

Como hemos indicado anteriormente, los temporizadores son el núcleo de un sistema embebido. El MSP430 contiene numerosos temporizadores que pueden asistirnos en diferentes necesidades.

Cronometrando y gestionando potencia

El MSP430 proporciona muchas opciones de cronometrado, además hay tres relojes internos enrutados a la CPU y varios periféricos. El periférico Real-Time Clock (RTC) es un temporizador sofisticado que puede usarse como calendario, mes e información horaria. Opera en modos binario y BCD.

Power Management

Todos los MSP430 proporcionan algún nivel de gestión de potencia. Uno de ellos es el periférico Brown-Out Reset (BOR) – que nos hace asegurar que hay bastante potencia para que el dispositivo trabaje de forma segura y estable. El otro punto notable es que el BOR está diseñado con unas necesidades de energía extremadamente bajas.

Tecnología EnergyTrace++

Esta tecnología es una herramienta de análisis del código basado en la energía que mide y muestra el perfil de energía y ayuda a optimizarlo para un consumo de ultra baja potencia. La potencia se mide tradicionalmente amplificando la señal de interés y midiendo el consumo de corriente y la caída de voltaje sobre una resistencia shunt en momentos discretos.

Periféricos analógicos

Los periféricos analógicos de MSP430 cubren un amplio rango de necesidades. La mayoría de los periféricos contienen uno o más comparadores analógicos. Estas señales van al procesador cuando una entrada analógica cruza un límite.

La familia MSP430 proporciona una amplia variedad de opciones de convertidores analógicos digitales. De hecho, algunos diseñadores seleccionan su dispositivo MSP430 específico basándose en el tipo de convertidor que desean usar.

Comunicaciones (Puerto serie, USB, Radio)

La utilización de radio en algunos dispositivos MSP430 les hace bastante únicos en la industria. Más allá de de esto, TI ha creado chips inalámbricos y módulos que pueden usarse desde cualquier dispositivo MSP430.

No olvidemos también los puertos series de MSP430. Son el núcleo principal de comunicaciones y hay una gran variedad de módulos serie, desde UART, a SPI, a I2C.

USB

El MSP430 hace ideal un dispositivo USB: ultra-baja potencia, rica integración de periféricos y no es caro. TI dispone de los elementos necesarios para hacer un producto de dispositivo de interface humano, tal como un sensor o un código de barra, que necesitan tanto baja potencia como el envío de datos vía USB al computador.

Launchpad

Launchpad es una poderosa herramienta de evaluación de bajo coste. Algunas de las aplicaciones que podemos explorar con Launchpad son las siguientes:

• Energy Harvesting.
• Sensores.
• Energías alternativas.
• Industrial.
• Control de motores.
• Automatización de procesos.