Microcontroladores de 8 bits de la marca Microchip Technology

Microcontroladores se han convertido en un elemento indispensable de los dispositivos electrónicos: hoy es difícil encontrar circuitos desprovistos de algún tipo de sistemas programables. Microchip Technology ha acompañado esta revolución desde el principio, y los sistemas de 8 bits de esta marca están disponibles incluso hoy.

La arquitectura de 8 bits de los microcontroladores es hoy en día una limitación secundaria, ya que los sistemas modernos están equipados con interfaces avanzadas y periféricos que amplían la funcionalidad de los sistemas mucho más allá de lo que era posible hace dos o tres décadas. Además, muchos dispositivos simplemente no requieren la funcionalidad avanzada ofrecida por las unidades de 32 bits. Más aún: las capacidades limitadas de los microcontroladores clásicos se convierten en una ventaja en el contexto de las crecientes preocupaciones sobre la seguridad de nuestros datos y redes locales.

En el catálogo de TME, la oferta de microcontroladores de Microchip Technology incluye aproximadamente 10,000 posiciones. Por supuesto, sería difícil en un solo artículo describir la funcionalidad de todos estos sistemas, pero aquí podemos destacar sus características generales y presentar de manera resumida las capacidades de este surtido. Esto ayudará no solo a conocer la oferta de Microchip Technology, sino también a entender por qué las soluciones del fabricante todavía son de las más populares en el mundo.

Microcontroladores de 8 bits de Microchip Technology

En este artículo abordamos temas como:

• Antecedentes históricos de la división en microcontroladores AVR y PIC
• Entorno MPLAB X
• Sistemas de Microchip Technology ultra miniaturizados
• Revisión de las tecnologías más importantes utilizadas por Microchip Technology
• Principales grupos de productos dentro de la familia PIC
• Especificación y áreas de aplicación de los microcontroladores ATmega y ATtiny

División de la oferta de Microchip Technology en sistemas PIC y AVR

La división del portafolio de Microchip Technology en sistemas PIC y AVR tiene, por supuesto, un origen histórico. La empresa Microchip Technology adquirió el surtido de su competidor de muchos años, la marca Atmel. Dado que las soluciones de este último gozaban de reconocimiento internacional, se dejaron en el catálogo y todavía se desarrollan, aunque actualmente la dirección de desarrollo de AVR ya está estrechamente vinculada con los cambios que podemos observar entre los PIC. Como resultado, bajo la marca Microchip Technology encontramos dos grupos de productos algo diferentes, pero que se caracterizan por una similar, e incluso en ciertas áreas, idéntica característica.

En este texto nos centramos en la oferta completa de Microchip Technology, por lo tanto, no haremos hincapié en buscar diferencias entre la oferta de AVR y PIC, solo prestaremos atención a las familias de productos presentes en ambos grupos.

Programación

El entorno de programación básico para las familias AVR/PIC es actualmente el software gratuito MPLAB X IDE. Permite crear código, programar y depurar. Un complemento indispensable es el MPLAB Code Configurator (MCC), también gratuito y disponible como complemento. Es una herramienta para configurar los recursos del microcontrolador seleccionado utilizando un entorno gráfico y la generación automática de código de inicialización y controladores. Para programar en lenguaje C, Microchip Technology ofrece el compilador MPLAB XC8 gratuito y completamente funcional, destinado a sistemas de 8 bits PIC y AVR. En el caso de AVR, todavía se puede utilizar el entorno clásico AVR-GCC, disponible en varios herramientas y entornos de programación. El fabricante también ofrece (aunque no recomienda) el entorno Microchip Technology Studio, derivado de Atmel Studio. Es importante destacar que el fabricante está integrando intensamente el entorno MPLAB X con el editor Visual Studio Code. Gracias a esto, el programador puede trabajar utilizando esta herramienta universal pero a través del paquete Microchip Technology Extensions for VS Code crear software para sistemas PIC/AVR utilizando recursos como:

• compilador MPLAB XC8
• asistente virtual de programación (MPLAB AI Code Assistant)
• otras herramientas MPLAB (incluyendo MPLAB Code Configurator y MPLAB Data Visualizer)
• importar al editor VS Code proyectos anteriores desarrollados en el entorno nativo MPLAB X.

Microchip Technology está dirigiendo cada vez más a los usuarios hacia MPLAB Tools for VS Code como la plataforma preferida y futura. Al mismo tiempo, MPLAB X sigue siendo desarrollado.

Dimensiones

A menudo, una de las características que decide la elección de un modelo específico de microcontrolador es la dimensión o tipo de su encapsulado. Aquí, la diversidad de la oferta de Microchip Technology es muy amplia: incluye modelos ultra-miniaturizados en encapsulados SOT23-6, sistemas con pines ubicados debajo del cuerpo, minimizando la necesidad de espacio en la PCB (VFQFN), así como modelos "clásicos" THT en encapsulados DIP (paso estándar de 2.54mm).

Funcionalidad

Independientemente de las características externas, las características clave de los microcontroladores de 8 bits siguen siendo, por supuesto, su funcionalidad, la amplia selección de periféricos y el bajo consumo de energía. La velocidad y la potencia de cálculo en sí no juegan un papel tan importante aquí, porque en caso de una demanda realmente alta, los diseñadores se dirigirán hacia soluciones de 32 bits. Veamos, entonces, qué posibilidades nos ofrecen los sistemas con una arquitectura mucho más simple.

Periféricos Independientes del Núcleo (CIP)

CIP es un grupo de periféricos que pueden realizar tareas específicas de hardware, literalmente independientemente del núcleo. Gracias a esto, el microcontrolador puede reaccionar a eventos, generar señales, realizar operaciones temporales o procesar datos sin la participación o con una carga significativamente menor de la unidad CPU. Esto también permite reducir el consumo de energía y aumentar la previsibilidad temporal del funcionamiento de la aplicación. En los microcontroladores PIC, el concepto de CIP se desarrolla especialmente y abarca, entre otros, temporizadores, módulos PWM y elementos analógicos (mixtos). Un enfoque similar también se encuentra en los microcontroladores AVR, donde las funciones autónomas son realizadas, entre otros, por Event System (transmisión de eventos de hardware entre periféricos sin la participación de la CPU) y la presencia del bloque Configurable Custom Logic (CCL).

CLC o Célula de Lógica Configurable

CLC es un bloque de lógica de hardware programable, que permite al diseñador crear sus propias funciones lógicas dentro del microcontrolador. CLC puede combinar señales provenientes de entradas, temporizadores, PWM y otros periféricos y generar señales de salida específicas basadas en ellas. Gracias a esto, algunas funciones que tradicionalmente requerirían manejo de software pueden ser realizadas a un nivel de hardware muy bajo. Las áreas de aplicación potenciales incluyen la creación de circuitos lógicos simples, la sincronización de señales, el control de formas de onda y la reacción a eventos específicos. Esta solución se encuentra en microcontroladores PIC seleccionados (bajo el nombre de Configurable Logic Cell - CLC) y AVR (aquí como Configurable Custom Logic, CCL).

Convertidores A/C con funciones matemáticas (ADCC)

ADCC significa Analog-to-Digital Converter with Computation, es una versión extendida del convertidor analógico-digital utilizado en microcontroladores PIC seleccionados. Además de la conversión de voltaje analógico a valor digital, el módulo puede realizar operaciones adicionales en los resultados de las mediciones (por ejemplo, promediar los resultados de mediciones de múltiples muestras, realizar sobremuestreo, comparar valores medidos con umbrales establecidos, o finalmente generar eventos o interrupciones al cumplir ciertas condiciones sin la participación del núcleo). Y nuevamente: esto permite reducir el número de operaciones realizadas por la CPU y simplifica el programa, lo que se traduce, por ejemplo, en un menor consumo de energía. ADCC es especialmente útil en aplicaciones que requieren monitoreo continuo de voltaje (por ejemplo, para manejo de sensores con salida analógica).

DMA

DMA (Direct Memory Access) permite la transferencia directa de datos entre la memoria y los periféricos sin involucrar al núcleo. El controlador DMA puede, por ejemplo, tomar datos del ADC y almacenarlos en la memoria RAM u otro registro, o transferir datos de la memoria al módulo de comunicación. La CPU puede, mientras tanto, realizar otras tareas, lo que aumenta la eficiencia de todo el sistema. DMA es especialmente importante en microcontroladores que realizan mediciones en tiempo real, transmisión de datos o manejo de múltiples periféricos simultáneamente.

Modos de bajo consumo de energía

Los microcontroladores de Microchip Technology están equipados con numerosos mecanismos que permiten reducir el consumo de energía durante los períodos de inactividad. Dependiendo de la familia y el modelo, están disponibles diferentes modos de suspensión, en los que el núcleo de la CPU se detiene, pero los periféricos seleccionados pueden seguir funcionando. Al ocurrir un evento específico, como una interrupción, una señal de temporizador o un cambio de estado de entrada, el microcontrolador puede ser despertado y reanudar la ejecución del programa. Esta solución será especialmente importante en dispositivos alimentados por baterías: sensores, dispositivos portátiles y sistemas IoT. Los PIC y AVR modernos ofrecen varios niveles de gestión de energía, permitiendo un compromiso entre el consumo de corriente, el tiempo de despertar y el rango de funciones periféricas activas.

Interfaces de comunicación

Para concluir la revisión de funciones, es importante destacar que los microcontroladores de Microchip Technology ofrecen un conjunto muy amplio de interfaces de comunicación de hardware, especialmente seriales. Las más utilizadas son UART/USART, SPI e I²C, utilizadas para el intercambio rápido de datos con sistemas periféricos: sensores, memorias, etc. Dependiendo de la familia, también están disponibles interfaces más especializadas, como CAN o USB. La implementación de hardware descarga a la CPU y garantiza un manejo más rápido y optimizado energéticamente de los protocolos.

Microcontroladores PIC

Aunque las diferencias en las capacidades de los microcontroladores AVR y PIC se están desvaneciendo gradualmente, la división en familias específicas sigue siendo característica de cada uno de estos grupos de productos. Veamos, entonces, cómo se configura este surtido en ambas ofertas.

Las familias de microcontroladores PIC más populares son PIC10, PIC12, PIC16 y PIC18. Cabe señalar que esta división no es sinónimo del uso de diferentes arquitecturas, sino que más bien define a qué segmento de productos y rango general de aplicaciones será más adecuado un sistema determinado. Las familias PIC12 y PIC16 son especialmente diversas, abarcando varias generaciones de productos.

Grupo PIC10

Los sistemas PIC10 ofrecen minimización de costos y dimensiones. Incluyen los microcontroladores PIC de 8 bits más pequeños, destinados principalmente a funciones de control muy simples (generación de PWM simple, manejo de LED multicolor, diferenciación de señal de salida según el método/tiempo de pulsación de un botón en interfaces minimalistas). En este grupo son características las pequeñas encapsulaciones SMD, el número reducido de pines, la memoria de programa limitada y, por supuesto, el bajo costo.

Microcontroladores PIC10

Grupo PIC12

Sistemas pequeños pero más funcionales se encuentran entre los modelos PIC12. Todavía estamos tratando con un número limitado de pines/entradas-salidas (5 o 6), pero los microcontroladores son impulsados por relojes más rápidos y tienen una gama mucho más amplia de periféricos/interfaces, incluidos convertidores A/C y C/A, temporizadores, generadores PWM, puertos de comunicación de estándares populares. Gracias a esta construcción, los productos serán suficientes para realizar funciones simples: manejo de sensores alimentados por batería con salida analógica, control condicional de una carga pequeña, etc.

Microcontroladores PIC12

Grupo PIC16

El grupo más extenso de microcontroladores PIC es PIC16: sistemas universales de 8 bits con un conjunto de periféricos muy desarrollado. Esta familia incluye tanto sistemas más antiguos como elementos más avanzados adaptados a los requisitos contemporáneos. Por ejemplo, en las series pertenecientes a este surtido, Microchip Technology a menudo ofrece soluciones que utilizan la tecnología Core Independent Peripherals. Además, es estándar encontrar aquí soluciones como células lógicas (CLC), osciladores controlados digitalmente (NCO), periféricos PWM avanzados, CWG, ADC (con funciones matemáticas, es decir, ADCC), comparadores, DAC, amplificadores operacionales o sistemas de detección de cruce por cero (ZCD).

Gracias a esto, los periféricos en sí pueden realizar muchas funciones sin una carga permanente en la CPU. PIC16, por lo tanto, constituye una "clase media" universal de microcontroladores PIC de 8 bits. Funcionarán excelentemente, entre otros, como controladores de motores (utilizando PWM, ADC y bloques de control de hardware), así como en automatización industrial, como sistemas centrales de muchos dispositivos simples, máquinas, etc., en electrodomésticos, en fuentes de alimentación y convertidores, o como componentes de interfaz hombre-máquina (HMI).

Microcontroladores PIC16

Grupo PIC18

La serie PIC18 en el surtido de microcontroladores de 8 bits representa el máximo rendimiento, memoria y capacidades de comunicación. Estos sistemas utilizan un conjunto de instrucciones de 16 bits separado y una arquitectura optimizada para la programación en lenguaje C.

PIC18 ofrece los mayores recursos de memoria y número de pines entre los PIC de 8 bits, así como los periféricos más desarrollados. Dependiendo del modelo específico, están disponibles, entre otros, USB, CAN, Ethernet, LCD, DMA y bloques analógicos avanzados. Estas capacidades permiten realizar por ejemplo, controladores industriales con interfaz CAN/USB, que requieren más memoria y software más complejo.

Microcontroladores PIC18

Microcontroladores AVR

Las familias de productos AVR más grandes todavía se encuentran bajo sus nombres tradicionales (o muy cercanos a ellos). Y aunque no todas se siguen desarrollando, Microchip Technology todavía ofrece soporte para ellas, y en muchos casos, continúa la producción de sistemas.

Grupo AT90

AT90 es una generación más antigua de microcontroladores AVRRISC de 8 bits. Fue diseñada para aplicaciones más especializadas que los microcontroladores más universales posteriores de las familias ATTiny/ATmega. Actualmente, estas soluciones se utilizan raramente, pero todavía están disponibles tanto en el portafolio de Microchip Technology como en el surtido y almacenes de TME. La serie tiene actualmente importancia principalmente como base de proyectos probados y aún utilizados (por ejemplo, en algunos dispositivos de diagnóstico o componentes en el campo de la automoción). Las series más conocidas dentro de esta familia son AT90CAN, AT90USB y AT90PWM.

Microcontroladores AT90

Grupo ATtiny

Desde el principio, los productos ATtiny se caracterizaron por su máxima miniaturización y bajo consumo de energía (actualmente, esta característica es compartida por la mayoría de los nuevos modelos ofrecidos por el proveedor). Muchos sistemas ATtiny tenían un número limitado de pines, pero mantenían la arquitectura AVR. Microchip Technology todavía desarrolla soluciones de este grupo, aunque ahora son sistemas más complejos y universales. Se fabrican pensando en aplicaciones relativamente simples (por ejemplo, interruptor inteligente).

También vale la pena mencionar que hoy en día los sistemas ATtiny se denominan más bien tinyAVR (series 0, 1 y 2). Los microcontroladores de este tipo son impulsados por relojes de hasta 20MHz, y están disponibles en versiones adaptadas para trabajar en un rango de temperatura muy amplio (por ejemplo, de -40°C a 125°C).

En los modelos de esta familia, una funcionalidad popular son las entradas con detección de cambios capacitivos del sensor colaborador para las necesidades de PTC, es decir, Peripheral Touch Controller, que sirve para realizar botones táctiles. Esta tecnología permite convertir casi cualquier superficie en un elemento de interfaz HMI.

Microcontroladores ATtiny

Grupo ATmega

ATmega es la familia AVR más universal y ampliamente conocida. En este surtido se pueden encontrar sistemas con capacidades muy diversas, rango de parámetros (frecuencia de reloj, capacidad de memoria de programa, operativa, no volátil).

Estos microcontroladores están equipados de manera estándar con el conjunto más amplio posible de periféricos de comunicación (principalmente interfaces seriales de hardware, como UART/USART, SPI, I²C), así como componentes que facilitan la realización de circuitos de control avanzados: convertidores A/C, temporizadores/contadores que sirven, entre otros, para generar formas de onda cuadradas, es decir, PWM. En modelos más nuevos, también se encuentran relojes RTC y, cada vez más, interfaces USB de hardware.

En gran medida, los productos ATmega deben su popularidad a los aficionados, que durante años han utilizado estos sistemas en sus proyectos: anteriormente incorporándolos directamente, ahora más a menudo dentro de la plataforma Arduino (el corazón de Arduino Uno, las versiones más populares de este kit de desarrollo, son precisamente los sistemas ATmega). Los diseñadores recurren con gusto a los microcontroladores de esta familia debido a la amplia disponibilidad de bibliotecas, ejemplos y el apoyo de una enorme comunidad de usuarios, pero la funcionalidad desarrollada de los sistemas, constantemente mejorada y ampliada con nuevos periféricos (descritos anteriormente), también tiene una importancia considerable.

Microcontroladores ATmega

Transfer Multisort Elektronik (TME) es uno de los mayores distribuidores mundiales de componentes electrónicos, partes electrotécnicas, equipos de taller y automatización industrial. El catálogo incluye más de 1.500.000 de productos de 1.300 fabricantes líderes. Los modernos centros logísticos de TME en Łódź y Rzgów (Polonia), con una superficie total de más de 40.000 m², envían casi 6.000 paquetes diarios a clientes en más de 150 países.

TME también invierte en el desarrollo de los conocimientos y habilidades de jóvenes ingenieros y entusiastas de la electrónica a través del proyecto TME Education, y apoya a la comunidad tecnológica organizando la serie de eventos TechMasterEvent, que promueve la innovación y el intercambio de experiencias.