Acelerar proyectos MCU y MPU utilizando una plataforma de desarrollo flexible

Los sistemas integrados y sus aplicaciones se diversifican rápidamente, y también lo hacen los procesadores que son parte de los mismos. En respuesta, los procesadores integrados son cada vez más sofisticados, proporcionando a los ingenieros una lista de opciones cada vez mayor que a menudo se solapan en características. Aunque siempre se aceptan más opciones, explorar las posibilidades puede ser prohibitivamente laborioso. Para tener éxito en un entorno dinámico, los desarrolladores necesitan un medio para evaluar rápidamente múltiples opciones de silicio, desde unidades microcontroladoras (MCU) hasta unidades microprocesadoras (MPU), al tiempo que se agiliza el proceso de creación de prototipos.

Una forma de ayudar a los diseñadores es adoptar un enfoque de bloques de construcción para el hardware. Al combinar placas de desarrollo simplificadas con una extensa biblioteca de módulos de expansión y software de apoyo, los diseñadores pueden combinar según sea necesario.

Este artículo repasa cómo están cambiando los requisitos de diseño de sistemas integrados y qué significan esos cambios para la selección del procesador. A continuación, se muestra cómo una plataforma de NXP permite a los diseñadores explorar múltiples clases de procesadores, desde MCU de baja potencia hasta MPU de clase Linux altamente integradas y procesadores de aplicación.

Los límites difusos del diseño integrado

Hasta hace poco, la mayoría de las aplicaciones integradas encajaban en categorías con límites bien definidos. La lógica simple de E/S y control era dominio de las MCU de 8 bits; las MCU de 32 bits gestionaban tareas complejas en tiempo real. Las aplicaciones que requerían un Sistema Operativo (SO) completo o una Interfaz gráfica de usuario (GUI) se encontraban firmemente en territorio MPU.

Hoy en día, esos límites son difusos. Muchas aplicaciones tradicionales de 8 bits se han visto empujadas al dominio de los 32 bits, ya que las aplicaciones que antes eran independientes añaden una conectividad sofisticada. Las pilas de software complejas proliferan en las aplicaciones en tiempo real, fusionando las exigencias de las aplicaciones de MCU y MPU. Al mismo tiempo, la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML) se están integrando en una gama cada vez más amplia de aplicaciones.

Las distinciones entre las clases de procesadores también se han vuelto difusas. Las MCU de alto rendimiento ahora cuentan con aceleradores gráficos y capacidades de IA/ML que antes estaban reservadas para MPU de alta gama. Las MPU están añadiendo capacidades de tiempo real que antes sólo estaban disponibles en las MCU. Para añadir complejidad, la demanda de gráficos de gama alta, IA y otras características sofisticadas ha impulsado la introducción de la aplicación procesadora, con arquitecturas tomadas de los teléfonos móviles.

Todo esto ocurre mientras la innovación sigue acelerándose. Entre el inicio de un ciclo de diseño y el lanzamiento del producto, la dinámica del mercado puede cambiar significativamente los requisitos del proyecto. Por ejemplo, de un diseño basado en una MCU sin cabeza podría brotar inesperadamente una pantalla táctil, lo que obligaría a dar el salto a una MPU. A la inversa, un equipo de marketing de producto puede decidir en el último momento que un producto de gama alta necesita ir acompañado de una versión básica, lo que crea gran prisa por encontrar un procesador de menor costo.

Estas tendencias y cambios han creado la necesidad de un ecosistema de evaluación de procesadores que permita a los diseñadores explorar diversas opciones con facilidad. Las placas de evaluación tradicionales han tenido dificultades para satisfacer esta demanda. A menudo destinados a demostrar todas las características significativas de una familia de procesadores, tendían a utilizar diseños complejos optimizados para una estrecha gama de aplicaciones. Como resultado, el esfuerzo invertido en una placa rara vez era transferible a otra.

Una plataforma flexible permite una evaluación más rápida del procesador

Para responder a las necesidades de los diseñadores de sistemas integrados, NXP se planteó de nuevo el problema y ha creado la plataforma de desarrollo FRDM (Figura 1). En lugar de incluir todas las funciones posibles, las placas FRDM incluyen solo lo esencial: el procesador, la memoria y E/S básicas. La funcionalidad específica de la aplicación puede añadirse accediendo al vasto ecosistema de cabezales de expansión de Arduino (Arduino), Pmod (Digilent) y mikroBUS (MikroElektronika). NXP apoya este enfoque modular con su hub de placa de expansión, que ofrece opciones para pantallas, sensores, interfaces de comunicación y mucho más.

Figura 1: Las placas FRDM incluyen solo lo esencial, dejando funcionalidades como pantallas y E/S a placas de expansión basadas en estándares. (Fuente de la imagen: NXP)

Este enfoque de bloques de construcción facilita la ampliación de la funcionalidad y la reutilización del hardware entre proyectos. Debido a que los módulos de expansión comparten las mismas interfaces estándar de la industria, la misma placa periférica puede evaluarse con diferentes procesadores. Un diseñador podría, por ejemplo, validar un módulo sensor en una plataforma MCU de nivel básico y luego reutilizar ese hardware exacto con una MPU de alto rendimiento, todo ello sin rediseñar el prototipo.

Lo que hace que esta flexibilidad sea tan potente es la amplitud de procesadores basados en Arm soportados por la plataforma FRDM. La gama comienza con las MCU de nivel básico de muy bajo consumo y se extiende por una amplia gama de dispositivos con muchas funciones, incluyendo opciones adaptadas para control motor, gráficos y conectividad inalámbrica. En el segmento alto, abarca MPU y procesadores de aplicaciones con un rendimiento de nivel gigahercio (GHz) y características avanzadas, como aceleradores de IA.

Introducción a la placa de desarrollo de MCU de nivel básico

La serie FRDM-MCXC444 (Figura 2) ilustra las ventajas de la plataforma FRDM. Esta placa básica proporciona una base de muy bajo consumo para aplicaciones integradas sensibles a los costos, destacando la MCU MCXC444VLH . Esta MCU forma parte de la serie MCX C de NXP, diseñada para aplicaciones en las que priman la potencia, la eficiencia y el bajo costo.

Figura 2: La placa básica FRDM-MCXC444 cuenta con una MCU de la serie C de bajo consumo MCXC444VLH MCX, una pequeña pantalla LCD y puertos USB. (Fuente de la imagen: NXP)

La MCXC444VLH está construida en torno a un núcleo ARM Cortex-M0 que funciona hasta 48 megahercios (MHz). Consume 54 microamperios por MHz (μA/MHz) en modo de funcionamiento de muy bajo consumo y solo 1,96 μA en modo de suspensión profunda. Este bajo consumo de corriente lo hace excepcionalmente adecuado para aplicaciones alimentadas por batería.

Otra característica distintiva de la serie MCXC444VLH es su controlador LCD de segmento integrado, que soporta hasta 24 × 8 o 28 × 4 segmentos sin necesidad de controladores externos. También incluye funcionalidad USB 2.0 de velocidad completa, sin necesidad de un cristal externo, lo que reduce así los costos de la lista de materiales (BOM) y la complejidad de la placa.

La placa FRDM-MCXC444 muestra estas características con una pantalla LCD y USB integradas. Otras características destacadas incluyen un acelerómetro y un sensor de luz, que permiten prototipar diseños controlados por sensores. La placa es un buen punto de partida para dispositivos alimentados por batería que requieren interfaces de usuario simples y conectividad periódica.

Introducir el control del motor con una placa de desarrollo MCU convencional

Avanzando hacia el rango medio, la serie FRDM-MCXA346 (Figura 3) destaca cómo la plataforma FRDM soporta tareas de control más refinadas. Esta placa está orientada al control de motor y cuenta con la MCU MCXA346VLQ , parte de la serie MCX A de NXP, diseñada para aplicaciones generales que requieren integración sofisticada.

Figura 3: La placa de evaluación FRDM-MCXA346 se basa en una MCU de la serie MCXA346VLA MCX A y ofrece un conjunto completo de características para el control industrial, incluyendo CAN FD. (Fuente de la imagen: NXP)

La serie MCXA346VLQ está construida en torno a un núcleo Arm Cortex-M33 que funciona a 180 MHz. Incluye 1 megabyte (Mbyte) de memoria flash y 256 kilobytes (Kbytes) de memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), proporcionando un espacio de almacenamiento amplio para el código de la aplicación y los datos. La unidad de punto flotante (FPU) y las extensiones de procesamiento digital de señales (DSP) del procesador lo hacen muy adecuado para algoritmos de control complejos.

Para las aplicaciones de control de motores, la serie MCXA346VLQ proporciona un amplio soporte de hardware. Dos módulos FlexPWM, cada uno con cuatro submódulos, proporcionan hasta 16 salidas complementarias de modulación de ancho de pulso (PWM) para accionar motores sin escobillas CC (BLDC) y motores sincrónico magnético permanente (PMSM). Cuatro convertidores analógico-digital (ADC) de 16 bits muestrean hasta 3,2 megamuestras por segundo (Mmuestras/s), permitiendo una monitorización precisa a lo largo de múltiples fases del motor. Dos módulos codificador/decodificador en cuadratura (eQDC) gestionan la retroalimentación de posición del rotor, mientras que dos y/o/invertidos (AOI) proporcionan lógica de hardware para secuencias de control complejas.

La placa FRDM-MCXA346 ofrece acceso directo a las claves de entrada/salida, incluyendo USB de velocidad completa y CAN FD para aplicaciones de redes industriales. La placa soporta interfaces de pantalla y cámara en paralelo, lo que permite el desarrollo de interfaces gráficas sin necesidad de hardware externo. Estas características hacen que la placa sea adecuada para desarrollar equipos industriales que requieren una interfaz hombre-máquina (HMI).

Abordar la IA de bordes con una placa de desarrollo MPU de alto rendimiento

En lo más alto de la gama FRDM, la serie FRDM-IMX8MPLUS (Figura 4) demuestra cómo la plataforma va más allá de las MCU para abarcar el diseño de un procesador de aplicación completo. Esta placa está basada en la MIMX8ML8DVNLZAB, miembro de la familia i.MX 8M Plus de NXP, que cuenta con procesadores multinúcleo GHz-plus y aceleradores de IA.

Figura 4: La placa de desarrollo FRDM-IMX8MPLUS se basa en la MPU MIMX8ML8DVNLZAB de la familia i.MX 8M Plus; incluye extensas interfaces multimedia y aceleración por IA. (Fuente de la imagen: NXP)

Específicamente, la serie FRDM-IMX8MPLUS combina cuatro núcleos Arm Cortex-A53 que funcionan hasta 1,8 GHz con un núcleo dedicado Cortex-M7 en tiempo real que funciona a 800 megahercios (MHz), y una unidad de procesamiento neuronal (NPU) que ofrece 2,3 operaciones tera por segundo (TOPS). Esta arquitectura heterogénea proporciona una base sólida para la visión por computadora, el reconocimiento de voz y otras aplicaciones de IA, además de soportar el control en tiempo real.

Para multimedia y conectividad, la placa ofrece un conjunto completo de interfaces. HDMI 2.0, MIPI-DSI y salidas duales de señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS) soportan el desarrollo de pantalla, mientras que las entradas MIPI-CSI duales permiten la integración de cámaras para aplicaciones visuales. La red y la expansión son igualmente versátiles, con Ethernet Gigabit dual, USB 3.0 y un módulo integrado Wi-Fi 6/Bluetooth 5.4/802.15.4 tri-radio.

Acelerar el desarrollo con un completo soporte de software

La flexibilidad de hardware de la plataforma FRDM se complementa con recursos de software integrales diseñados para agilizar el desarrollo en toda la gama de procesadores. NXP soporta esto proporcionando dos vías de desarrollo de software, una para MCU en tiempo real y otra para MPU de alto rendimiento.

Para el desarrollo de MCU, NXP proporciona la suite de software y herramientas MCUXpresso. Se trata de un conjunto completo para procesadores Cortex-M (como el MCX C y el MCX A) que incluye el entorno de desarrollo integrado (IDE) MCUXpresso, una extensión VS Code, herramientas de configuración y un kit de desarrollo de software (SDK) de alta calidad. Esta ruta está diseñada para aplicaciones en tiempo real y soporta IDE integrados conocidos, como Embedded Workbench de IAR Systems y Keil MDK.

Para el desarrollo de MPU en procesadores como el i.MX 8M Plus, NXP ofrece soporte robusto para Linux integrado, incluyendo paquetes de soporte de placa (BSP) para Yocto Project y Debian. Para una rápida introducción, NXP ofrece GoPoint, un repositorio de demos preconstruidas basadas en Linux y guías paso a paso para aplicaciones avanzadas, como visión por computadora, IA y multimedia.

Para acelerar la creación de prototipos en el lado de la MCU, NXP también ofrece el Hub de código de aplicación MCUXpresso. Se trata de un repositorio centralizado de ejemplos de software y demostraciones de aplicaciones desarrolladas por expertos y socios de NXP. El hub ofrece más de 180 ejemplos de código que abarcan el control motor, la detección y la inteligencia artificial. Estos ejemplos están diseñados para funcionar directamente con placas FRDM, permitiendo que un prototipo de aplicación construido en una placa MCU FRDM sea migrado a otra MCU compatible con cambios mínimos.

Conclusión

A medida que los requisitos de sistemas integrados evolucionan y se solapan, los ingenieros necesitan formas eficientes de experimentar con múltiples procesadores y crear rápidamente prototipos de sus ideas. El hardware modular y los recursos de software compartidos de la plataforma FRDM NXP hacen que esta exploración sea práctica, soportando desde MCU de bajo consumo hasta control de gama media y MPU de clase Linux habilitadas con IA. Al estandarizar la expansión y la reutilización del código, se acorta el camino desde el concepto hasta el prototipo funcional, preservando la flexibilidad a medida que los diseños escalan.