Utilice un microcontrolador optimizado de 8 bits para simplificar el diseño de dispositivos con recursos limitados

Para los diseñadores de dispositivos con limitaciones de potencia y espacio, como herramientas eléctricas, productos de higiene personal, juguetes, electrodomésticos y controles de iluminación, tradicionalmente ha bastado con una unidad de microcontrolador (MCU) de 8 bits. Sin embargo, a medida que las aplicaciones evolucionan, requieren mayor velocidad, opciones de periféricos más potentes y herramientas de desarrollo de software más resistentes. Migrar a una alternativa de 16 o 32 bits puede ayudar, pero a menudo a costa de un mayor tamaño del paquete y más potencia.

Para resolver estos problemas, los diseñadores pueden aprovechar las ventajas de las MCU basadas en la arquitectura 8051, que trasladan muchas de las ventajas de los procesadores de 16 y 32 bits al ámbito de los 8 bits. Lo hacen en un tamaño tan reducido como 2 x 2 milímetros (mm), al tiempo que ofrecen un moderno entorno de desarrollo.

Este artículo describe brevemente la arquitectura 8051 y su idoneidad para aplicaciones con recursos limitados. A continuación, presenta una familia de MCU basados en 8051 de Silicon Labs, describe los principales subsistemas y muestra cómo cada uno de ellos aborda retos de diseño críticos. El artículo concluye hablando del soporte de hardware y software.

¿Por qué utilizar la arquitectura 8051?

A la hora de seleccionar una unidad de microcontrolador para una aplicación con limitaciones de espacio, los procesadores de 8 bits como el conocido 8051 ofrecen muchas ventajas, como un tamaño reducido, un bajo consumo y un diseño sencillo. Sin embargo, muchos procesadores 8051 tienen periféricos relativamente sencillos, lo que limita su idoneidad para casos de uso específicos. Por ejemplo, los convertidores de analógico a digital (ADC) de baja resolución son insuficientes para aplicaciones de alta precisión como los dispositivos médicos.

Los relojes relativamente lentos también pueden ser un problema. La unidad de microcontrolador 8051 típica funciona a frecuencias de reloj de 8 megahercios (MHz) a 32 MHz, y los diseños más antiguos requieren varios ciclos de reloj para procesar las instrucciones. Esta baja velocidad puede limitar la capacidad de las MCU de 8 bits para realizar operaciones en tiempo real, como el control preciso de motores.

Además, los entornos tradicionales de desarrollo de software para procesadores 8051 no se ajustan a las expectativas de los desarrolladores de software modernos. Esto, unido a las limitaciones inherentes a la arquitectura de 8 bits, puede dar lugar a un proceso de codificación lento y frustrante.

Las limitaciones de los procesadores tradicionales de 8 bits pueden llevar a los desarrolladores a plantearse la migración a MCU de 16 o 32 bits. Aunque estas MCU ofrecen una gran potencia de cálculo, periféricos de alto rendimiento y modernos entornos de software, también son relativamente grandes. Esto dificulta su integración en diseños con limitaciones de espacio, lo que puede retrasar el desarrollo o aumentar el tamaño del diseño.

El aumento del tamaño del código y del consumo de energía asociado a las MCU de 16 y 32 bits también puede dar lugar a diseños subóptimos. Estos inconvenientes son especialmente problemáticos para las numerosas aplicaciones que no implican matemáticas complejas y, por tanto, no se benefician de las capacidades avanzadas de estos procesadores.

El equilibrio ideal de estas compensaciones puede no ser evidente al inicio de un proyecto, y cambiar de procesador a mitad de diseño puede retrasar el desarrollo o comprometer el tamaño o la funcionalidad del producto. De este modo, muchos diseños con limitaciones de espacio pueden beneficiarse de una MCU basada en 8051 más capaz que aporta muchas de las ventajas de los procesadores de 16 y 32 bits al dominio de 8 bits, compacto y de bajo consumo.

EFM8BB50 aporta mayor funcionalidad a las MCU de 8 bits

Silicon Labs ha creado la familia EFM8BB50 de MCU de 8 bits teniendo en cuenta estas consideraciones (Figura 1). Estos MCU ofrecen un rendimiento mejorado, periféricos avanzados y un moderno entorno de desarrollo de software.

Figura 1: Se muestra un diagrama de bloques de la unidad de microcontrolador EFM8BB50. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El corazón de la MCU es el núcleo CIP-51 8051, una implementación de Silicon Labs de la arquitectura 8051 optimizada para aumentar el rendimiento, reducir el consumo de energía y mejorar la funcionalidad. La actuación es especialmente digna de mención. En el EFM8BB50, el núcleo alcanza velocidades de hasta 50 MHz, y el 70% de las instrucciones se ejecutan en uno o dos ciclos de reloj. Esto proporciona a las MCU un rendimiento considerablemente superior al de los procesadores tradicionales de 8 bits, lo que ofrece a los desarrolladores margen de sobrecarga para aplicaciones más complejas.

Las MCU también destacan por sus diminutas dimensiones. Las variantes de 16 patillas de la familia, como la EFM8BB50F16G-A-QFN16, están disponibles en encapsulados de tan solo 2.5 mm x 2.5 mm. Las versiones de 12 clavijas, como la EFM8BB50F16G-A-QFN12 , son incluso más pequeñas, con tamaños de encapsulado de hasta 2 mm x 2 mm.

A pesar de sus diminutas dimensiones, las MCU EFM8BB50 están repletas de una impresionante matriz de características, entre las que se incluyen:

• Un ADC de 12 bits, esencial para aplicaciones que requieren datos precisos de los sensores.
• Sensor de temperatura integrado que permite a la unidad de microcontrolador controlar su temperatura interna o la temperatura ambiente sin necesidad de componentes externos.
• Una matriz de contadores programables (PCA) de tres canales con modulación por ancho de pulsos (PWM) que puede generar señales PWM para el control de salida variable en aplicaciones como el control de motores y la atenuación de LED.
• Un motor PWM de tres canales con inserción de tiempo muerto (DTI) para añadir control a la electrónica de potencia, como controladores de motor o convertidores de potencia.

Otras entradas/salidas (E/S) incluyen diversas interfaces de comunicaciones serie, un juego de temporizadores de 8 y 16 bits y cuatro unidades lógicas configurables. Todas las clavijas de la familia de unidades de microcontrolador son compatibles con 5 voltios, y las E/S digitales pueden asignarse de forma flexible para aprovechar al máximo el número limitado de clavijas.

Administración avanzada de energía

El EFM8BB50 incorpora varias funciones de gestión de la energía para optimizar el consumo y prolongar la duración de la batería. Se inician con varios modos de consumo, incluido un modo inactivo que reduce la velocidad del reloj del núcleo mientras mantiene activos los periféricos. El modo Stop va más allá, deteniendo el núcleo y la mayoría de los periféricos y conservando el contenido de la RAM y los registros. Algunos periféricos pueden configurarse para activar el núcleo desde el modo de parada, lo que beneficia a las aplicaciones basadas en eventos que predominantemente permanecen en un estado de bajo consumo.

Las opciones flexibles de sincronización contribuyen aún más al ahorro de energía. Un oscilador interno de precisión elimina la necesidad de osciladores de cristal externos en muchos casos, lo que reduce el consumo total de energía. La unidad de microcontrolador también admite la sincronización de relojes, que desactiva de forma selectiva los relojes de varios periféricos, lo que permite a los desarrolladores desactivar los que no estén en uso.

Los periféricos también se han diseñado pensando en la eficiencia energética. En particular, la unidad lógica configurable (CLU) puede realizar funciones lógicas sencillas de forma independiente, lo que reduce la necesidad de que el núcleo salga de los modos de bajo consumo para realizar tareas sencillas. Además, el Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) de bajo consumo puede funcionar en modos de alimentación en los que el oscilador primario está desactivado, lo que permite la comunicación serie en estados de bajo consumo.

Apoyo al desarrollo intuitivo de software

Los desarrolladores pueden crear software para la familia EFM8BB50 en Simplicity Studio Suite de Silicon Labs. Este entorno se utiliza para el EFM8BB50 de 8 bits, los MCU de 32 bits de la Empresa y sus sistemas en chip (SoC) inalámbricos. Como resultado, los desarrolladores obtienen un entorno moderno con las características que esperarían de procesadores más potentes. Por ejemplo, ofrece un perfilador de energía que proporciona perfiles de potencia del código en tiempo real (Figura 2).

Figura 2: Simplicity Studio incluye un perfilador de energía que proporciona perfiles de potencia del código en tiempo real. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Las herramientas se basan en un entorno completo de desarrollo integrado (IDE) con editores de código estándar, compiladores, depuradores y un motor de interfaz de usuario (UI) para desarrollar interfaces modernas y con capacidad de respuesta. Este entorno de desarrollo proporciona acceso a recursos web y SDK específicos de cada dispositivo, así como a herramientas especializadas de configuración de software y hardware.

Simplicity Studio también es compatible con Silicon Labs Secure Vault. Secure Vault, una suite de seguridad muy avanzada con certificación PSA de nivel 3, permite a los diseñadores reforzar los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) y proteger su superficie de ataque frente a las crecientes ciberamenazas, al tiempo que se adapta a la evolución de las normativas de ciberseguridad.

Empezar rápidamente con los kits de evaluación

Los desarrolladores interesados en experimentar con el EFM8BB50 pueden considerar el Kit Explorer BB50-EK2702A que se muestra en la Figura 3. Este kit de factor de forma pequeño se ajusta a las dimensiones del tablero de pruebas para facilitar su acoplamiento a sistemas prototipo y hardware de laboratorio. Incluye interfaz USB, depurador SEGGER J-Link integrado, LED y botón de interacción con el usuario. El kit es totalmente compatible con Simplicity Studio Suite y puede utilizarse con la utilidad Energy Profiler. Se proporcionan ejemplos de software para cada periférico, y las demos ejercitan el LED, el botón y el Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART).

Figura 3: Se muestra el Kit Explorer BB50-EK2702A. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El kit incluye una toma mikroBUS y un conector Qwiic. Este complemento de hardware permite a los desarrolladores crear rápidamente prototipos de aplicaciones utilizando placas estándar de distintos fabricantes.

Los desarrolladores interesados en un punto de partida más completo pueden utilizar el Kit BB50-PK5208A Pro que se muestra en la Figura 4. Diseñado para evaluaciones y pruebas en profundidad, este kit contiene sensores y periféricos que demuestran muchas de las capacidades de la MCU.

Figura 4: Se muestra el kit BB50-PK5208A Pro para evaluación y pruebas en profundidad. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El Kit Pro incluye conectividad USB, una pantalla LCD con memoria de 128 x 128 píxeles de consumo ultrabajo, una palanca de mando analógica de ocho direcciones, un LED y un pulsador de usuario. También cuenta con el sensor de humedad relativa y temperatura Si7021 de Silicon Labs y varias fuentes de alimentación, como USB y una batería tipo pila.

Para la ampliación, la placa ofrece una cabecera de 20 patillas y 2.54 mm. Además, ofrece pastillas de conexión para acceder directamente a los pines/clavijas de E/S. Al igual que el Kit Explorer, el Kit Pro es compatible con el Energy Profiler y se suministra con ejemplos de software para cada periférico.

Opciones del depurador EFM8BB50

Silicon Labs ofrece varios depuradores compatibles con sus MCU. Para depuración de propósito general, la empresa ofrece el DEBUGADPTR1-USB, un adaptador de depuración USB de 8 bits con un sencillo conector de 10 patillas.

El depurador Simplicity Enlace SI-DBG1015A ofrece funciones más especializadas. Se conecta a la interfaz Mini Simplicity incluida en los dos kits mencionados. Además de sus funciones básicas, Simplicity Enlace ofrece otras adicionales, como un depurador SEGGER J-Link, una interfaz de trazado de paquetes, un puerto COM virtual y paneles de conexión para sondear fácilmente señales individuales.

Conclusión:

Las MCU 8051 modernas, como el EFM8BB50, llevan al dominio de los 8 bits características típicamente asociadas a dispositivos de 16 y 32 bits. Con sus rápidas velocidades de reloj, sus periféricos de alto rendimiento y su sólido entorno de desarrollo de software, esta familia de MCU ofrece a los desarrolladores la combinación adecuada de funciones para un número cada vez mayor de aplicaciones en las que el espacio y la potencia son limitados, pero se requiere un mayor rendimiento y flexibilidad.