Se conocen perfectamente los componentes más importantes del bloque sensor: el sensor y el transceptor. Por lo tanto, ya se puede seleccionar el microcontrolador, el cual será el encargado comunicarse con ambos dispositivos y procesar los datos.
Características necesarias
Las características que debe cumplir el microcontrolador son:
Número de pines necesarios
Esta característica la fijan en gran medida los componentes que forman el bloque sensor. Como se ha mostrado en entradas anteriores, el sensor necesita dos líneas para la comunicación (DATA y SCK) y el transceptor necesita cinco para un solo transceptor (CLK1, DR1, DOUT1, CS y CE) y ocho para dos (CLK2, DR2 y DOUT2). En el módulo sensor sólo se utilizará un transceptor de los dos disponibles, por lo que el número total de líneas estrictamente necesarias es de siete. Es importante especificar las características de cada línea pues hay microcontroladores con líneas de sólo entrada, de sólo salida y bidireccionales. La tabla siguiente muestra las líneas con el tipo de estas.
Además de estas líneas, puede ser interesante utilizar una línea más conectada a la alimentación del transceptor, para alimentarlo o no según el uso. De este modo se reduciría el consumo estático del sistema dado que el consumo en reposo del transceptor es relativamente alto.
También son necesarias otras líneas para interactuar con el usuario, tales como LED o pulsadores; por ello las líneas disponibles del microcontrolador deben ser algo mayores de siete.
Periféricos
Actualmente los microcontroladores disponen de diversos periféricos que dotan al microcontrolador con diversas funcionalidades adicionales, tales como: conversores analógico-digital y/o digital-analógico, comparadores, periféricos de comunicación específica como USART, I2C, SPI, USB, etc. Normalmente estos periféricos son activables y desactibables durante la programación por lo que no suponen un consumo en el caso de no ser utilizados. No obstante se intentará utilizar un microcontrolador con los periféricos estrictamente necesarios.
En un principio, la aplicación puede necesitar de periféricos y/o modos que permitan una gestión del consumo.
Consumo
Al tratarse de un sistema alimentado por batería, es necesario obtener el mínimo consumo posible. En concreto, para el bloque sensor se prioriza el consumo, ya que se pide un dispositivo sensor autónomo e independiente durante el máximo tiempo posible. Es por esto que el microcontrolador debe consumir el mínimo posible de corriente y debe disponer de modos de ahorro de energía.
El consumo de un componente electrónico digital se puede dividir en consumo en estado estacionario y en estado dinámico.
- El consumo en estado estacionario es el consumo que se produce por el mero hecho de alimentar al dispositivo. Este consumo es debido a la corriente de fugas vinculada a los transistores que forman la lógica CMOS.
- El consumo en estado dinámico es el consumo que se produce cuando el dispositivo está en funcionamiento. Este consumo es debido principalmente a la corriente de conmutación de los CMOS las cuales son sensibles a la tensión de operación y a la frecuencia de conmutación.
Entonces, la potencia total consumida de un circuito integrado viene dada por la expresión siguiente:
Es decir, el consumo total es la suma del consumo en estado estacionario, en estado dinámico y el debido a las pérdidas de conmutación. Tal y como se ha comentado, se observa que el consumo en estado estacionario depende de la corriente de fugas y de la tensión de alimentación. El consumo en estado dinámico, al estar causado por los procesos de carga y descarga de capacidades, depende de la capacidad, de la frecuencia y de la tensión de alimentación. El consumo de las pérdidas de conmutación es debido al pico de corriente producido durante la transición de estados, es por esto que depende de los tiempos de subida y de bajada, de la corriente de pico producida, de la frecuencia y de la tensión de alimentación.
Entonces, se observa como una medida eficaz para reducir el consumo del circuito integrado consiste en reducir la tensión de alimentación. También es interesante reducir la frecuencia de operación aunque, para determinadas aplicaciones, compensa en promedio trabajar con altas frecuencias durante cortos periodos de tiempo. También se debe tener en cuenta fijar estados claros en las entradas del microcontrolador, ya que un estado indeterminado produciría un cierto consumo por pérdidas.
Tensión de operación
Como se ha comentado anteriormente, el consumo está relacionado con la tensión de alimentación por lo que se forzará a la mínima posible. Para ello, se consideran las tensiones mínimas de alimentación de los dispositivos que forman el módulo sensor. Como se ha comentado en entradas anteriores, la tensión de alimentación del transceptor puede comprender valores entre 1.9 y 3.6 V, y la tensión de alimentación del sensor puede comprender valores entre 2.4 y 5.5 V. Por lo que se tomará una tensión de alimentación de 2.5 Voltios ya que el sensor tiene el rango más restrictivo.
Frecuencia de funcionamiento
La frecuencia de funcionamiento, en esta aplicación, viene determinada únicamente por los componentes que forman el bloque sensor ya que la velocidad sólo es necesaria en la comunicación con ambos componentes.
Como se ha expuesto en entradas anteriores. Tanto el sensor como el transceptor pueden llegar, como máximo, a comunicarse a una frecuencia de 1MHz sin tener un mínimo. Teniendo en cuenta que una señal de reloj, normalmente, supone dos instrucciones; estrictamente el ciclo de instrucción debe ser de 500ns. Lo que según la arquitectura del microcontrolador implica una frecuencia de reloj distinta. No obstante, se puede trabajar a una frecuencia menor.
Alternativas
Los siguientes dispositivos cumplen con las características necesarias para el proyecto; se han destacado sus características principales para encontrar la solución óptima:
La familia S08QE de Freescale. [ver datasheet]
Es la familia de bajo consumo de Freescale; típicamente a 1MHz y con todos los periféricos funcionando consume una corriente de 800µA@3V y con todos los periféricos detenidos consume una corriente de 510µA@3V. Además dispone de varios modos de operación de bajo consumo. Por otra parte, estos dispositivos suelen integrar diversos periféricos la mayoría de los cuales no son útiles en este diseño, exceptuando el módulo RTC (Real Time Counter, contador en tiempo real) el cual supondría precisión en el tiempo entre medidas. También hay que destacar la falta de un oscilador interno integrado.
La familia MSP430 de Texas Instruments. [ver datasheet]
Es una familia de muy bajo consumo de Texas Instruments; típicamente a 1MHz consume una corriente de 300µA@3V. Además dispone de varios modos de operación de bajo consumo. Esta familia suele integrar periféricos como conversores analógico-digital de varios tipos, comparadores analógicos y periféricos de comunicación UART o USI (ISP o I2C). En concreto todos los dispositivos de esta familia disponen de un periférico de conversión analógico-digital. En este sentido el dispositivo no es óptimo para el sistema. Otra característica a tener en cuenta es el oscilador interno de frecuencia seleccionable.
La gama media de la familia PIC de Microchip. [ver datasheet]
En general, es la familia de rango medio microcontroladores de Microchip. Dicha familia contiene dispositivos que integran una tecnología propietaria de muy bajo consumo llamada nanoWatt. Los dispositivos que integran dicha tecnología consumen típicamente a 1MHz una corriente de 220µA@3V. Además, dicha tecnología supone la integración de periféricos de bajo consumo como un oscilador interno seleccionable dinámicamente entre ocho frecuencias distintas y como un temporizador de muy bajo consumo (Ultra Low Power Wake Up Timer, temporizador despertador1 de muy bajo consumo). Esta familia de microcontroladores es muy amplia (gama baja,media y alta), oferta una gran diversidad de modelos con prestaciones y recursos muy diferentes, lo que facilita un cambio de dispositivo en caso de futuras necesidades. En cuanto a los periféricos la familia contiene dispositivos con periféricos muy variados y, al tratarse de una familia tan extensa, adaptables para diversas aplicaciones.
Normalmente, al modo de operación bajo consumo de los microcontroladores se le conoce como dormir (Sleep), entonces el término despertador se entiende como salir del modo de bajo consumo.
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