El equipamiento industrial portátil, como lectores de códigos de barras, registradores de datos, sistemas de seguimiento, auriculares con cancelación de ruido, controles de pequeños motores y cargadores de baterías, tienen una cosa en común: la unión de los microcontroladores más recientes y técnicas de diseño sencillas puede prolongar notablemente la vida de la batería, reducir el coste y mejorar las prestaciones. Prolongación de la vida de la batería
Una de las principales técnicas para prolongar la vida de la batería consiste en mantener el microcontrolador en su modo de consumo más bajo durante el mayor tiempo posible. La Figura 1 indica cómo se pueden combinar elevadas velocidades de funcionamiento y cortos tiempos de reactivación para reducir el consumo medio de energía. El objetivo es, por tanto, que el microcontrolador pueda finalizar su trabajo en el menor tiempo posible, de forma que pueda permanecer más tiempo en un estado de bajo consumo.

Un microcontrolador que pueda trabajar con una tensión baja también es crucial para maximizar la vida de la batería. La Figura 2, reproducida por cortesía de Energizer, ilustra la vida operativa de una batería de botón alcalina y de litio en un registrador de datos típico; la mayor parte del tiempo transcurre en un estado de bajo consumo, con ocasionales reactivaciones para procesar la información. El gráfico demuestra que, al trabajar en un modo de menor tensión, los cinco años de vida recomendados para una batería alcalina de tipo AAAA pueden verse ampliados en otros seis meses.

Aumento de la fiabilidad
El oscilador del microcontrolador influye sobre numerosos aspectos relativos a las prestaciones del sistema, su coste, fabricabilidad y fiabilidad. Los microcontroladores más recientes no solo trabajan con velocidades más elevadas, sino que son capaces de trabajar a la máxima velocidad sin una fuente de reloj externa y proporcionar un amplio rango de frecuencias de reloj generadas internamente. Esto permite que el software conmute a una frecuencia más baja para mantenerse dentro de las especificaciones operativas cuando cae la tensión o bien incrementar la velocidad cuando se añada una fuente de alimentación.

Lograr una puesta en marcha fiable del cristal es otro reto habitual para la fabricación. Entre las causas de una puesta en marcha no fiable se encuentran la calidad variable del componente, restos de fundente y descuidos en el diseño del circuito. Muchos de estos problemas pueden evitarse si uno se asegura de que el cristal sea de alta calidad y aplicando técnicas de diseño y test, como tests de resistencia negativa que ponen a nuestra disposición los fabricantes de cristales y de microcontroladores. Para los circuitos de baja frecuencia en particular puede resultar útil ser útil la polarización del cristal, que permite aumentar la polarización con el fin de asegurar una puesta en marcha fiable bajo diversas condiciones, o bien disminuirla para reducir el consumo de energía.

Una función crucial para mejorar la fiabilidad es la monitorización a prueba de fallos del reloj, que monitoriza continuamente las transiciones del reloj del sistema. Cuando se pierden unas pocas transiciones, el monitor del reloj a prueba de fallos conmuta automáticamente la fuente de reloj al oscilador interno e interrumpe la CPU. Esto permite que el microcontrolador mantenga las funciones críticas y realice un apagado controlado.
Otro factor que influye sobre la fiabilidad es que la EEPROM de datos muchas veces se ve sustituida por la emulación por software en memoria Flash, pese a que algunas aplicaciones siguen necesitando almacenamiento de datos independiente. Los microcontroladores de nueva generación integran EEPROM de datos de alta durabilidad, hasta 100 Kciclos de escritura/ borrado, pero aún no son rentables para aplicaciones industriales portátiles. Sin embargo, se debería considerar el rango de tensión mínimo para las operaciones de escritura, que puede ser más elevado que la tensión operativa mínima del microcontrolador, lo cual limita el rango operativo real.

Gestión del ruido
Aunque los microcontroladores de baja tensión se pueden utilizar en aplicaciones que exigen una alta fiabilidad, una alimentación de 5V puede simplificar el diseño de placa, incrementar la inmunidad al ruido y mejorar el soporte a diseños existentes. Sin embargo, a medida que se reducen las geometrías disminuye la disponibilidad de nuevos microcontroladores de 5V. En respuesta a la continua demanda de trabajar a 5V, los fabricantes de chips han desarrollado nuevas formas de trabajar a tensiones más elevadas utilizando geometrías más pequeñas y menos caras.
Para aumentar aún más la inmunidad al ruido los diferentes tipos de buffers de entrada utilizados en las patillas de puertos y de periféricos, ofrecen soporte a diferentes funciones aunque estén multiplexadas en la misma patilla. Las entradas de disparador Schmitt ofrecen unos umbrales de entrada más amplios que sus homólogas TTL e incrementan la tolerancia al ruido del sistema.

La elevada resistencia de control del puerto es otro aspecto importante en el diseño que va más allá del control directo de los LED. La elevada resistencia de control del puerto evita el acoplamiento no deseado cerca de los circuitos ruidosos como reguladores conmutados y señales PWM de alta velocidad. El mayor nivel de ruido radiado se puede eliminar mediante un pequeño filtro RC en la patilla del puerto para mantener las ventajas de una elevada resistencia de control.

Un buen ejemplo de los aspectos comentados en este artículo es el caudalímetro mostrado en la Figura 3. La unidad CTMU (Charge Time Measurement Unit) integrada en el microcontrolador lee el caudal, la temperatura y el teclado capacitivo del medidor. La tensión de la batería se monitoriza mediante un convertidor A/D diferencial de 12 bit y una referencia de tensión, mientras que el módulo de puesta en marcha de bajo consumo inicia reactivaciones periódicas.  Este diseño demuestra que utilizando las funciones que ofrecen los microcontroladores más recientes se puede obtener un diseño robusto y de bajo consumo que además es capaz de alcanzar altos niveles de prestaciones.

Autor:

David Otten y Joel Mach, de Microchip Technology Inc.

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