La presión sobre los equipos de diseño para que acorten el tiempo entre la concepción de un producto y su producción en masa es más fuerte que nunca, mientras que los fabricantes de equipos originales (OEM) y las empresas de diseño jamás han trabajado con tan pocos recursos técnicos internos como hoy en día. Como resultado, los ingenieros están buscando maneras de minimizar el tiempo necesario para diseñar, desarrollar y prototipar un producto. Además, con las soluciones incorporadas, que cumplen una función vital en un número cada vez más elevado de aplicaciones, la selección correcta del microcontrolador contribuye en gran medida a alcanzar este objetivo.

Un método del que disponen los equipos de diseño para reducir el tiempo entre la aprobación de un proyecto y su desarrollo productivo (y su consiguiente fabricación rentable en masa) consiste en minimizar la curva de aprendizaje asociada a las tecnologías de microcontroladores y sus respectivas herramientas de desarrollo. Al mismo tiempo, la selección de microcontroladores con características y funciones de aplicación específica puede acortar el tiempo dedicado a la implementación de dichas funciones, lo que permite a los diseñadores centrarse en sus competencias de diseño propiamente dichas, que aportarán al producto final un máximo de ventaja competitiva.

Estos factores alimentan la gama cada vez más numerosa de microcontroladores que combinan núcleos de procesamiento de estándar industrial con funciones integradas de aplicación específica. La oferta de productos con la misma arquitectura de núcleos subyacente hace que sea más fácil para los desarrolladores cumplir los nuevos requisitos de diseño, utilizando destrezas y conocimientos obtenidos en proyectos anteriores, e intercambiar know-how entre los diferentes equipos participantes en el proyecto. Además, si se seleccionan microcontroladores que cumplan funciones de aplicación clave, no solamente se acorta el tiempo necesario para diseñar circuitos y programar software, sino que también se reduce el número de componentes, lo que a su vez reduce los costes originados por la lista de materiales, ahorra espacio en la placa y simplifica la fabricación final.

Microcontroladores ARM Cortex™-M3
Entre los núcleos de estándar industrial más comunes figura el ARM Cortex™-M3 RISC, que se ha optimizado para aplicaciones determinísticas en tiempo real. Presenta altos niveles de rendimiento y afronta los retos de reducir el consumo de energía dinámico y estático. Este núcleo capacita a los microcontroladores para ofrecer un rendimiento de 32 bits a un coste previamente asociado a las tecnologías de 16 bits. Ejecuta el conjunto de instrucciones Thumb®-2 para obtener un rendimiento y tamaño de código óptimos —incluyendo la división de hardware, multiplicación de ciclos simple y manipulación del campo de bits— y puede configurarse con hasta 240 interrupciones del sistema, cada una de ellas con prioridades individuales y repriorización dinámica.

Una vez seleccionado un núcleo ARM Cortex-M3 para el diseño, los desarrolladores deben elegir el dispositivo más apropiado entre una gama que crece día tras día. Toshiba Electronics, por ejemplo, ofrece ahora cinco familias de microcontroladores ARM Cortex-M3 diferentes, de las cuales cada una se ha diseñado para satisfacer las necesidades de un tipo concreto de aplicación. Los 16 dispositivos pertenecientes a estas familias permiten a los diseñadores elegir soluciones ideales para cualquier fin, desde la gestión de equipos portátiles alimentados por batería hasta el control de los motores de velocidad variable, que se usan cada vez más en bombas, ventiladores y electrodomésticos. 

Flash de alta capacidad
Un ejemplo es el Toshiba TMPM360, que es el primer microcontrolador de 32 bits que combina el núcleo ARM Cortex-M3 con 2 MB de memoria flash incorporada (figura 1). Este dispositivo se ha desarrollado específicamente para aplicaciones industriales y digitales de consumo que requieren un mínimo de componentes para ofrecer un alto rendimiento, funcionamiento con bajo consumo, almacenamiento de datos de alta capacidad y muchas interfaces serie.
Igual que los otros microcontroladores de la familia ARM-Cortex, el TMPM360 utiliza la memoria NANO FLASH™ de Toshiba para la ROM en chip. Esta tecnología combina los mejores atributos de las células flash NAND con las ventajas de los circuitos periféricos de memoria flash NOR. El resultado es una memoria incorporada de alta densidad que funciona con un consumo energético ultrabajo y proporciona cortos tiempos de programación y borrado así como accesos aleatorios rápidos.  

Tal como muestra la Figura 1, aparte del núcleo, que funciona a frecuencias de hasta 64 MHz, y de la ROM, el TMPM360 también consta de 128 KB de RAM integrada y de una amplia conectividad serie con 16 canales de entrada y salida de uso general, configurable para modo síncrono o hasta 12 UART; una interfaz de bus serie (SBI) de 5 canales, que funciona en modo I2C o síncrono; y una interfaz de bus serie síncrono (SSP), que soporta los formatos SPI, SSI y Microwire. Además, gracias a una unidad de control de electrónica de consumo (CEC) y a un preprocesador de señales de control remoto (RMC), el dispositivo simplifica el diseño de aplicaciones con funciones de control remoto. Entre otros periféricos en chip, se incluyen un convertidor analógico-digital (ADC) de 10 bits y de alta velocidad, un reloj en tiempo real (RTC), un temporizador watchdog (WDT) y un temporizador de 16 bits y 16 canales.

Opciones de bajo consumo de energía
Para muchos diseñadores el criterio más importante en su trabajo es un funcionamiento con bajo consumo de energía. Por este motivo, se han desarrollado productos como el TMPM395FWXBG con consumo de energía ultrabajo (figura 2).
El TMPM395FWXBG, que funciona a tensiones de tan solo 1,7 V y se suministra en un encapsulado BGA de 6 mm x 6 mm, es ideal para una gran variedad de aplicaciones, desde dispositivos portátiles y alimentados por batería hasta electrodomésticos y equipos electrónicos de consumo. El núcleo ARM de alta eficiencia, que funciona a frecuencias de hasta 20 MHz, y un diseño optimizado garantizan un consumo energético mínimo durante el funcionamiento. Además, varios modos de reposo (standby) reducen la corriente a niveles de tan solo 1 µA (modo RTC) cuando el procesador está en estado inactivo.

Igual que el TMPM360, este microcontrolador también incorpora funciones CEC y RMC. Además, un detector de frecuencia de oscilación (OFD) proporciona supervisión de hardware del reloj de la CPU (figura 3) y detecta automáticamente un funcionamiento anormal del reloj sin que hagan falta programas complejos de software, por lo que resulta considerablemente más fácil cumplir los requisitos del estándar de seguridad IEC60730 (clase B). Este es un aspecto importante en muchos diseños de electrodomésticos.

El TMPM395FWXBG viene con 128 KB de memoria flash y 8 KB de RAM e integra un ADC de 10 bits y 12 canales, un RTC, un temporizador de 16 bits y 10 canales y un WDT. También incorpora un detector de tensión y un oscilador interno de 10 MHz y de alta velocidad. La conectividad incluye una interfaz serie de uso general con 3 canales, que puede configurarse para el modo UART o modo síncrono, y una interfaz de bus serie de 2 canales, que permite elegir entre el bus I2(((2 elevado)))C o modo síncrono. Asimismo, presenta una interfaz SSP de 4 canales, que ofrece un modo SPI con tolerancia de 3 V. Para ayudar a los diseñadores a optimizar la eficiencia energética, el TMPM395FWXBG consta de cuatro modos de reposo –‘idle’, ‘slow’, ‘sleep’ y ‘back-up stop’– y tres modos de funcionamiento sub-reloj (32.768 kHz) –‘slow’, ‘sleep’ y ‘RTC’–. En el modo RTC el consumo de corriente es de tan solo 1 µA.

Control de motor
Un área de aplicación que ha adquirido cada vez más importancia en el desarrollo de soluciones incorporadas es la del control de motor. Los OEM se han visto presionados por imperativos comerciales y legislativos cada vez más insistentes para mejorar la eficiencia y la funcionalidad de aplicaciones, que van desde bombas industriales y ventiladores a lavadoras y lavavajillas. Esto ha impulsado el diseño de motores de velocidad variable, basado en motores trifásicos de corriente continua sin cepillo (BLDC). Los motores de velocidad variable requieren unas técnicas mucho más complejas para la regulación y el control de motor que los motores convencionales de velocidad constante, sobre todo si han sido diseñados para un funcionamiento sin sensores. Por esta razón, los diseñadores están buscando soluciones de microcontroladores que les permitan afrontar estos retos complejos sin tener que dedicarles más tiempo ni más recursos de lo absolutamente necesario.

Por regla general, se prefiere el control vectorial, denominado FOC (Field Oriented Control), en sistemas con motores sin cepillo. Esta técnica de control compleja manipula las corrientes y tensiones del motor para mantener un campo del estátor constante en cuadratura con el campo del rotor, lo que ha supuesto gastos generales significativos originados por el desarrollo y la implementación de software. Sin embargo, desde hace poco están disponibles microcontroladores específicos que integran el control vectorial en el hardware. Estos microcontroladores no solamente minimizan la necesidad de programación de software y de almacenamiento de códigos, sino que también pueden mejorar el rendimiento del control de motor en general.
Un ejemplo son los productos de la serie TMPM370 de Toshiba, basados en el núcleo ARM Cortex-M3 que funciona a frecuencias de 80 MHz. Este circuito integrado simple de 100 pines integra el sistema de control de motor programable PMD3+, patentado por Toshiba, y un motor vectorial (VE), como se muestra en la Figura 4.

La serie TMPM370 es ideal para compresores, ventiladores y otras aplicaciones en las que se requiere un control de motores BLDC con o sin sensores, así como para diseños de electrodomésticos basados en el control de motores trifásicos de inducción. Gracias a la operación simple de 5 V, combinada con un OFD incorporado, este dispositivo también resulta atractivo para los diseñadores de electrodomésticos. Las funciones PMD y VE gestionan la generación de formas de onda PWM, el control de velocidad y la estimación de posición, por lo que el núcleo ARM queda disponible para gestionar otros elementos del diseño de soluciones incorporadas. Las funciones integradas, como por ejemplo una funcionalidad de ADC de 12 bits, un comparador, amplificador y codificador, incluyendo una amplia gama de interfaces, reducen la necesidad de componentes adicionales.

Apoyo al desarrollo
A la hora de seleccionar el microcontrolador más apropiado para una aplicación determinada, también es importante tener en cuenta la disponibilidad de herramientas de desarrollo y de materiales de apoyo adicionales. Todos los microcontroladores descritos con anterioridad tienen sus kits de arranque específicos, diseñados para permitir a los ingenieros iniciar con rapidez el desarrollo productivo. En función del procesador de destino, estos kits incluyen placas de evaluación; hardware de aplicación específica (en el caso del TMPM370, por ejemplo, motor y control de motor); notas de aplicación detalladas; herramientas de desarrollo de software, tales como emuladores en circuito (ICE) y depuradores; así como documentación exhaustiva, que abarca notas de aplicación, diseños de referencia e información sobre listas de materiales.

El autor
Roland Gehrmann dirige el departamento de marketing dedicado a circuitos integrados industriales y de consumo, Consumer and Industrial IC Marketing, de Toshiba Electronics Europe.

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