Este aumento de la conectividad convierte efectivamente a estos dispositivos en nodos periféricos del IoT, pero eso tiene el coste de aumentar los requisitos de procesamiento y los subsistemas de memoria más grandes.

Desafíos del sistema
La mayoría de los sistemas embebidos también están «conectados» a su entorno inmediato, es decir, ofrecen facilidades para algún tipo de detección ambiental, accionamiento mecánico o interfaz humana. Por ejemplo, los termostatos inteligentes están conectados a redes locales de sensores de temperatura y humedad, además de albergar una serie de botones o sensores capacitivos para la entrada humana. Y, por supuesto, el objetivo principal de un aparato de cocina conectado es comprender sus deseos en cuanto a la temperatura de los alimentos y traducirlos en cantidades de calor aplicadas con precisión. Estos sistemas principalmente «analógicos» se están abriendo camino en el mundo cada vez más acelerado de la comunicación en la nube, lo que plantea un problema único: ¿se adapta el sistema a la entrada lenta del mundo analógico o se compromete la fidelidad analógica en aras de la velocidad y el aumento de la funcionalidad general? Para explorar el problema en profundidad, veremos un ejemplo omnipresente y sencillo de este tipo de aplicación: el nodo de sensor edge de IoT.

Subsistemas analógicos
Los nodos de sensores edge de IoT necesitan algún subsistema analógico para medir y controlar las condiciones ambientales como la temperatura, la humedad, el movimiento y más. Los subsistemas analógicos incluyen un microcontrolador (MCU) que leerá los datos del sensor, los procesará de alguna manera y los comunicará a través de una red. Por lo general, los datos ambientales cambian lentamente, por lo que la mayoría de los nodos periféricos no necesitan procesar un flujo continuo e ininterrumpido de datos. Como un nodo periférico a menudo funciona con la misma batería de pequeño formato durante varios años, pasa la mayor parte del tiempo en un modo de «suspensión» de bajo consumo y solo se activa periódicamente para detectar cambios en el entorno. Durante el período de activación, el nodo recopila datos y los transmite a través de una red. Luego, vuelve a la suspensión hasta que necesita tomar la siguiente medición. A medida que aumenta el número de nodos periféricos y de datos recopilados en nuestro mundo hiperconectado, la eficiencia energética y el funcionamiento con bajo consumo son una consideración de diseño vital para prolongar la vida útil de la batería en los subsistemas analógicos.

Segmentación de sistemas embebidos
Para que los sistemas embebidos sean eficientes, lo mejor es segmentar el sistema en diferentes «dominios de velocidad» utilizando un puente para conectar el procesador principal rápido a los subsistemas analógicos. La partición permite que el subsistema analógico se centre en la gestión de tareas de cambio lento, mientras que las tareas de procesamiento intensivo y ultrarrápido se gestionan con un procesador principal rápido, maximizando así la fuerza funcional de cada tipo de procesador. Con la creciente tendencia de dispositivos más conectados, I3C® es la interfaz de comunicación en serie de última generación que admite la comunicación de alta velocidad entre chips. Como sucesor de I2C, es más adecuado para futuras aplicaciones con una interfaz más rápida e inteligente y sofisticadas capacidades de control. I3C mantiene la compatibilidad con dispositivos I2C, lo cual es esencial para facilitar la adopción de I3C en plataformas de hardware existentes. Además, los dispositivos I2C pueden coexistir con controladores I3C que funcionan a 12,5 MHz, lo que permite la migración de diseños de bus I2C existentes a la especificación I3C. Por ejemplo, un microcontrolador que admita tanto I3C como una interfaz de comunicación heredada como I2C, SPI o UART puede servir como dispositivo puente. Este puente conecta un procesador rápido a un sensor a través del microcontrolador. El microcontrolador mide la entrada del sensor, calcula los resultados y transfiere los datos de manera eficiente. Esta configuración mantiene la integridad y la velocidad del bus I3C al tiempo que permite la comunicación entre el controlador I3C y los dispositivos I2C/SPI a través del microcontrolador. Al dividir los sistemas embebidos y aprovechar I3C, es posible implementar diseños de sistemas de manera exitosa y sólida.

MCU PIC18-Q20
Microchip ha desarrollado la familia de productos PIC18-Q20 específicamente para sistemas embebidos de procesadores distribuidos modernos. Estos MCUs ofrecen interfaces de comunicación en serie avanzadas, que incluyen hasta dos periféricos I3C, para una conectividad de alta velocidad a múltiples buses, lo que mejora la flexibilidad. Además, vienen equipados con protocolos de comunicación heredados incorporados como UART, SPI, I2C y SMBus, lo que permite una integración perfecta como dispositivo puente y el aislamiento de los dispositivos cliente I2C/SPI de un bus I3C puro. Esta configuración mantiene la velocidad del bus I3C al tiempo que permite que un controlador I3C se comunique con dispositivos I2C/SPI a través del microcontrolador. Además, el PIC18-Q20 admite múltiples dominios de voltaje, por lo que puede conectarse fácilmente a varios componentes con un nivel de voltaje de funcionamiento diferente. Esto elimina la necesidad de cambiadores de nivel, lo que reduce el coste de la lista de materiales y simplifica el diseño del sistema. Los MCU PIC18-Q20 también incluyen periféricos independientes del núcleo (CIP) en el chip que pueden funcionar sin interacción constante de la CPU y comunicarse directamente con otros periféricos. Estos periféricos basados en hardware consumen una potencia mínima, requieren poco o ningún código y menos memoria RAM y Flash para implementar las mismas funciones en software. Además, se pueden habilitar muchas funciones simultáneas en un solo MCU. Los diseñadores pueden personalizar fácilmente combinaciones de CIP, incluido el periférico I3C, utilizando el MPLAB(R) Code Configurator (MCC), un entorno sencillo de interfaz gráfica de usuario (GUI), para generar código de aplicación sin tener que leer las hojas de datos. Con los CIP, los ingenieros pueden dividir cada tarea del sistema para facilitar la gestión de las funciones, reduciendo el número de componentes, el tamaño del código, el tiempo de desarrollo y el consumo de energía.

Conclusión
En nuestro mundo en constante cambio, las innovaciones y los avances tecnológicos exigen velocidades de procesamiento más rápidas, conectividad más rápida y miniaturización. Mientras que la electrónica moderna está cada vez más conectada a nuestro mundo exterior, se necesitan subsistemas analógicos de pequeña escala y energéticamente eficientes para detectar y medir el «mundo real» en los sistemas conectados. Dado que los cambios en los datos ambientales suelen producirse gradualmente, los objetivos de diseño van en direcciones opuestas.
Los sistemas embebidos eficientes se consiguen dividiendo el sistema en diferentes dominios de velocidad, utilizando un puente para conectar el procesador rápido a las partes circundantes del sistema donde existen subsistemas analógicos. Dado que el I3C se está convirtiendo en la interfaz de facto para la comunsicación de alta velocidad entre chips, es importante que los ingenieros seleccionen MCU avanzados que estén equipados para soportar plenamente los crecientes requisitos de alto rendimiento en el ámbito digital, manteniendo al mismo tiempo una alta precisión analógica para los diseños de próxima generación.


Más información sobre la familia de microcontroladores PIC18-Q20 

Sobre el autor

Greg Robinson es el vicepresidente corporativo de la unidad de negocio de MCUs de 8 bits y cuenta con más de 30 años de experiencia en la industria de los semiconductores. Se incorporó a Microchip Technology en 1995 y, durante este tiempo, Robinson ha sido responsable de varias funciones diferentes dentro de la empresa. Comenzó su carrera como ingeniero de productos/pruebas y luego pasó varios años centrándose en operaciones, ingeniería de aplicaciones automotrices, gestión de ventas y marketing, lo que le dio una perspectiva única de las diferentes áreas funcionales dentro de Microchip. Robinson es licenciado en ingeniería eléctrica por la Universidad Estatal de Washington y tiene un MBA en Gestión Tecnológica.