Electrónica Embebida Aplicada

Prefacio

Este trabajo se ha traducido utilizando IA. Agradecemos tus opiniones y comentarios: [e-mail]

Por qué escribí este libro

Mientras que la mayoría de los libros de texto académicos cubren la teoría ideal de la electrónica, el enfoque aquí se centra en los métodos de diseño que funcionan en el desafiante entorno de los dispositivos del mundo real.

Los temas fueron motivados por mis experiencias solucionando problemas de dispositivos poco fiables y problemáticos para muchos clientes. El libro surgió de mis revisiones de componentes electrónicos deficientes y de mis sesiones de coaching con diseñadores sobre cuestiones importantes que deben abordarse para desarrollar productos fiables. Muchos incidentes de este tipo me motivaron a publicar una serie de artículos en revistas especializadas sobre temas relacionados, y la necesidad de este libro se hizo evidente.

A quién va dirigido este libro

Este libro es una referencia para ingenieros, científicos y otros diseñadores que quieran crear un sistema electrónico. El término electrónica embebida aplicada abarca una amplia gama de dispositivos que incluye controladores embebidos, teléfonos móviles, instrumentos médicos, ordenadores y tabletas, toda la electrónica de consumo, robots industriales, sistemas de automatización e innumerables otros. Todos los dispositivos electrónicos que utilizan métodos de control digital también entran dentro de este amplio epígrafe.

Los temas que aquí se tratan son comunes a todos estos dispositivos. Aquí se hace hincapié en el diseño del hardware -los circuitos y sistemas reales- con un breve repaso a las cuestiones de codificación y software.

Se supone que el lector tiene formación en ingeniería o ciencias y conocimientos básicos de electrónica.

Métodos de diseño en evolución: Un enfoque diferente

Los libros de texto de electrónica suelen clasificarse en tres grupos. El primer grupo incluye los libros de texto académicos que introducen a los estudiantes de ingeniería en temas específicos. Estos libros utilizan un enfoque teórico y, por simplicidad, se centran en situaciones ideales libres de efectos y problemas de segundo orden.

El segundo grupo incluye libros que explican la electrónica a aficionados y experimentadores no profesionales. Aunque estos libros tienen muchos seguidores, suelen ser muy globales en lo básico y se concentran en métodos que no se utilizan en los productos comerciales.

El último grupo está formado por libros para ingenieros en ejercicio. Estos libros realizan una inmersión técnica profunda en un aspecto concreto de la tecnología, sin profundizar en las cuestiones circundantes necesarias para utilizar esa tecnología en un producto funcional.

Este texto adopta un enfoque diferente. La tecnología moderna ha evolucionado hacia la era del "sistema en un chip" (SoC), en la que gran parte de la "inmersión técnica profunda" se ha integrado en un circuito integrado de aplicación específica (ASIC). En consecuencia, el diseñador de circuitos integrados necesita profundidad técnica, pero los diseñadores de sistemas y placas de circuito impreso (PCB) necesitan un enfoque diferente.

Aquí la atención se centra en armar el sistema, prestando especial atención a los elementos importantes que hacen que el sistema sea fiable y funcional en todas las condiciones. Este libro adopta la perspectiva de que la electrónica moderna utiliza métodos SoC siempre que es posible, y los creadores necesitan los "elementos esenciales del diseño" para reunir esos dispositivos en un sistema mayor. Para ello, aquí se hace hincapié en explicar los conceptos importantes que son comunes a todos los sistemas electrónicos y en ilustrar estos conceptos mediante gráficos extensos y ecuaciones mínimas.

La evolución de los sistemas electrónicos ha visto dos tendencias distintas. En primer lugar, siempre que ha sido posible, los métodos analógicos han cedido el paso al procesamiento digital de señales y a los métodos digitales de control. En un sistema moderno, la información analógica del mundo real se convierte en equivalentes de datos digitales lo más rápidamente posible.

En segundo lugar, la búsqueda de niveles progresivamente más altos de integración ha sido implacable. Históricamente, lo que antes era una miríada de transistores y circuitos discretos evolucionó hacia op-amps más modulares, amplificadores de banda ancha, ADCs, DACs y puertas lógicas. Ese nivel modular progresó después hacia niveles más altos de integración con aplicaciones específicas como objetivo.

Siempre que los volúmenes de productos de lo hacen rentable, se crean CI dedicados para cubrir sistemas enteros en un solo chip. Para esos productos de un solo chip, sólo tienes que añadir una fuente de alimentación y conexiones externas, y (¡en teoría!) estarás listo para funcionar.

Los sistemas más complejos utilizan una colección de frontales analógicos (AFE) específicos de la aplicación que se conectan al mundo exterior y proporcionan una interfaz de datos a un controlador digital. Idealmente, los diseñadores sólo tienen que seleccionar un controlador digital adecuado y escribir el código para procesar y controlar los flujos de datos, y ya tienen un producto.

Los problemas de estos sistemas modernos suelen estar en áreas como las señales alteradas por el ruido, la fiabilidad de los enlaces de datos, la estabilidad del sistema de alimentación, la capacidad inadecuada de las baterías, la EMI radiada, los fallos de los circuitos de los controladores y sensores, el control de realimentación mal configurado, los fallos en las pruebas reglamentarias y el código mal escrito. Con los métodos aquí expuestos, los diseñadores pueden evitar estos problemas y fabricar productos robustos y fiables.

Con la evolución de la electrónica, también ha cambiado el conjunto de habilidades del diseñador. Los circuitos a nivel de transistor son ahora el reino de los diseñadores de circuitos integrados, y los diseñadores de sistemas modernos se han vuelto más expertos en codificación y métodos digitales.

Cómo está organizado este libro

Muchos de estos temas están entrelazados y deben tratarse desde diferentes perspectivas. En este libro, cuando proporciono una referencia cruzada "Tratado más a fondo en" (FDI) (por ejemplo, "FDI: Aspectos esenciales", "FDI: Arquitectura", "FDI: EMI y ESD", "FDI: Potencia", etc.) te estoy haciendo saber que hay información complementaria disponible en otras partes del libro. Además, cada capítulo incluye una sección de "Lecturas complementarias" para quienes busquen fuentes adicionales.

El libro abarca los siguientes temas:

Capítulo 1, "Conceptos esenciales" (Esenciales)

Para empezar, este capítulo se asegura de que todos los lectores tengan un conocimiento básico común de la electrónica del mundo real. Se presenta a los lectores la naturaleza no ideal de la electrónica, cómo las simplificaciones académicas pueden inducir a error, cómo la impedancia de las conexiones afecta al rendimiento, los problemas de acoplamiento parásito, la conexión a tierra no ideal y el rebote a tierra, y los componentes no ideales, entre otras muchas cuestiones.

Capítulo 2, "Arquitectura del sistema" (Arquitectura)

¿Cómo encaja todo? ¿Qué procesador debes utilizar? Todo sistema tiene cosas que monitorear, cosas que controlar y señales que procesar. En este capítulo se abordan las consideraciones generales, incluyendo la comprensión de las características de los controladores digitales, la elección de los métodos de control digital adecuados y la partición de un sistema. También se tratan los métodos de procesamiento de señales, el uso de chipsets y la creación de una arquitectura "mayoritariamente digital".

Capítulo 3, "Comunicación digital robusta" (Digital)

Mover información digital entre dispositivos puede requerir muchas estrategias diferentes, según la velocidad de transmisión de datos, la distancia recorrida y el entorno de la aplicación. Se revisan las capacidades y limitaciones de las interfaces digitales tanto cableadas como inalámbricas.

Capítulo 4, "Sistemas de potencia" (Potencia)

Todos los sistemas necesitan una alimentación fiable y segura, así como eficiencia energética. Los temas incluyen la seguridad de la alimentación de CA, la seguridad de CA con protección a tierra y doble aislamiento, los métodos de protección del enlace más débil, los convertidores CA/CC, los reguladores de tensión lineales, los reguladores de baja caída, los reguladores de conmutación buck, los reguladores de conmutación boost, la configuración de sistemas de alimentación multirreguladores, los métodos de derivación y desacoplamiento, la optimización del ruido para los convertidores de potencia, los retos especiales de los transitorios de corriente digitales, la estabilización de alta frecuencia de las redes eléctricas y la secuenciación controlada de la potencia para todo el sistema.

Capítulo 5, "Alimentación por batería" (Batería)

La alimentación por batería es esencial para los dispositivos modernos, incluidos los enchufados, que suelen tener baterías internas para preservar los sistemas críticos durante los cortes de energía. Aquí se tratan los tipos de química de las baterías, las opciones de carga y de un solo uso, la capacidad de corriente, la duración prevista de la batería, el cálculo de los perfiles de tiempo y descarga, y cómo diseñar un paquete de baterías y un sistema de carga.

Capítulo 6, "Interferencias electromagnéticas y descargas electrostáticas" (EMI y ESD)

La mayoría de los sistemas electrónicos crean ruido electrónico e irradian energía acústica. Cualquier producto comercial debe cumplir los límites impuestos por la ley a esa energía acústica radiada. Se presentan técnicas para que un sistema sea más silencioso y no interfiera con otros dispositivos. Además, los sistemas estarán expuestos al ruido electrónico y a eventos de ESD, por lo que también se trata el diseño de un sistema que sea inmune al ruido y que sobreviva a la ESD sin sufrir daños.

Capítulo 7, "Convertidores de datos: ADC y DAC" (ADC y DAC)

Se discuten importantes parámetros de rendimiento de los convertidores de datos. Se examinan las limitaciones de los DAC PWM utilizados habitualmente y se presentan técnicas de circuitos para mejorar el rendimiento.

Capítulo 8, "Manejar dispositivos periféricos" (Drive)

Se tratan los métodos utilizados para accionar motores, actuadores, luces, pantallas visuales, altavoces y otros dispositivos. También se trata el uso de transistores de potencia y la selección de dispositivos adecuados para cada aplicación.

Capítulo 9, "Dispositivos periféricos sensores" (Sense)

Se examinan formas de medir parámetros como la temperatura, la presión atmosférica, la fuerza, la aceleración, la velocidad, la ubicación y otros. La información de los sensores puede ser ruidosa o incoherente debido al entorno de la aplicación. Se tratan los métodos para procesar la información bruta de los sensores de modo que sea utilizable y fiable para un controlador digital.

Capítulo 10, "Control digital realimentado" (Control)

Los periféricos de accionamiento y detección pueden utilizarse como parte de un bucle de control realimentado. Los métodos clásicos de los sistemas de control analógicos están en gran medida obsoletos, y la mayoría de los dispositivos modernos utilizan métodos digitales. Se examinan los métodos de control PID digital y de gestión de trayectorias más utilizados en la industria.

Capítulo 11, "Del esquema a la placa de circuito impreso" (PCB)

La implementación de un diseño de placa de circuito impreso requiere una estrategia adecuada de conexión a tierra y plano de alimentación, una buena integridad de la señal y aislamiento del ruido, y una estrategia incorporada para las pruebas. Se tratan la organización esquemática, la selección de componentes, la creación de huellas, el montaje mecánico, las capas de la placa de circuito impreso, las reglas de diseño físico, la estrategia de colocación, la interconexión RLC, las vías de conexión entre capas, las líneas de transmisión, las notas de fabricación y los archivos de fabricación.

Capítulo 12, "Software y codificación" (Código)

Se tratan los temas de los sistemas operativos en tiempo real, la configuración de puertos y procesadores, el desarrollo de controladores de dispositivos, el código para la comunicación periférica, los métodos de codificación defensiva, las técnicas de autorrecuperación de fallos, los temporizadores watchdog y la codificación de multicontroladores.

Capítulo 13, "Sistemas y aplicaciones especiales" (Especial)

No todos los sistemas electrónicos se diseñan con los mismos métodos y prioridades. Las restricciones y el cumplimiento normativo impulsan el diseño en muchos sectores. Se exploran los requisitos especiales en aviónica, astronáutica, militar, médica, automoción, consumo y automatización industrial.

Capítulo 14, "Crear grandes productos" (Grandes productos)

Con las soluciones a los retos técnicos exploradas en capítulos anteriores, en este capítulo se ofrece una breve muestra de cuestiones no técnicas, como el marketing y la demanda del producto, la comprensión del mercado objetivo, los productos que resuelven el problema del cliente, el precio viable del producto, los mercados limitados por ventanas temporales, la facilidad de uso del producto, las consideraciones del equipo de diseño, el diseño mínimo para evitar el "feature creep", la facilidad de fabricación y la obtención de la opinión del cliente.

Todos estos temas son esenciales para el éxito de un sistema electrónico robusto y fiable. Un diseñador puede conectar una colección de periféricos a un controlador digital, pero el sistema no funcionará de forma fiable si el diseñador no aborda las importantes cuestiones que aquí se analizan. Con frecuencia, los diseñadores aprenden esto por las malas: cuando un nuevo diseño no es funcional, surgen fallos sobre el terreno o se retrasa el lanzamiento de un producto debido a fallos en las pruebas reglamentarias.

En los debates sobre tecnología electrónica se utiliza un gran número de siglas, y este libro no es una excepción. La mayoría de las siglas que aparecen aquí son de uso común y no será necesario definirlas para muchos lectores. Cuando se utiliza como libro de consulta para obtener respuestas sobre temas concretos, es posible que el libro no se lea de principio a fin. Por ello, los acrónimos se incluyen en un glosario para facilitar su consulta.

¡Empecemos!

Jerry Twomey
San Diego, octubre de 2023
effectiveelectrons.com

Convenciones utilizadas en este libro

En este libro se utilizan las siguientes convenciones tipográficas:

Cursiva

Indica nuevos términos, URL, direcciones de correo electrónico, nombres de archivo y extensiones de archivo.

Constant width

Se utiliza en los listados de programas, así como dentro de los párrafos para referirse a elementos del programa como nombres de variables o funciones, bases de datos, tipos de datos, variables de entorno, sentencias y palabras clave.

Constant width bold

Muestra comandos u otros textos que deben ser tecleados literalmente por el usuario.

Constant width italic

Muestra el texto que debe sustituirse por valores proporcionados por el usuario o por valores determinados por el contexto.

Consejo

Este elemento significa un consejo o sugerencia.

Nota

Este elemento significa una nota general.

Advertencia

Este elemento indica una advertencia o precaución.

Aprendizaje en línea O'Reilly

Nota

Durante más de 40 años, O'Reilly Media ha proporcionado formación tecnológica y empresarial, conocimientos y perspectivas para ayudar a las empresas a alcanzar el éxito.

Nuestra red única de expertos e innovadores comparten sus conocimientos y experiencia a través de libros, artículos y nuestra plataforma de aprendizaje online. La plataforma de aprendizaje en línea de O'Reilly te ofrece acceso bajo demanda a cursos de formación en directo, rutas de aprendizaje en profundidad, entornos de codificación interactivos y una amplia colección de textos y vídeos de O'Reilly y de más de 200 editoriales. Para más información, visita https://oreilly.com.

Cómo contactar con nosotros

Dirige tus comentarios y preguntas sobre este libro a la editorial:

• O'Reilly Media, Inc.
• 1005 Gravenstein Highway Norte
• Sebastopol, CA 95472
• 800-889-8969 (en Estados Unidos o Canadá)
• 707-829-7019 (internacional o local)
• 707-829-0104 (fax)
• [e-mail]
• https://www.oreilly.com/about/contact.html

Tenemos una página web para este libro, donde se enumeran erratas, ejemplos y cualquier información adicional. Puedes acceder a esta página en https://oreil.ly/applied-embedded-electronics.

Para obtener noticias e información sobre nuestros libros y cursos, visita https://oreilly.com.

Encuéntranos en LinkedIn: https://linkedin.com/company/oreilly-media

Síguenos en Twitter: https://twitter.com/oreillymedia

Míranos en YouTube: https://youtube.com/oreillymedia

Agradecimientos

La primera mitad de este libro se escribió durante los encierros de COVID-19, así que un agradecimiento especial al personal sanitario, a los primeros intervinientes y a los trabajadores de primera línea que no pudieron quedarse en casa. Todos vosotros nos ayudasteis a mantenernos vivos y a salvo. ¡Gracias a todos!

Mi más sincero agradecimiento al equipo de O'Reilly y a los revisores técnicos que ayudaron a reunirlo todo. No podría haberlo conseguido sin todos vuestros esfuerzos. ¡Gracias a todos!

Debo mucha gratitud a todos mis amigos y familiares que han tolerado mi "participación limitada en la vida" durante mis prolongados esfuerzos por terminar este libro. Ha sido un largo camino, y aprecio enormemente vuestra paciencia y apoyo. Gracias a todos.