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.
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.
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