Implemente de manera rápida eficiente funcionalidad de reloj/calendario en tiempo real en diseños incorporados

Por Steve Leibson

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Muchas aplicaciones integradas deben conocer el tiempo para activar tareas específicas en determinada hora y fecha, o eventos con marca temporal, o ambos. Los chips de RTCC (reloj y calendario en tiempo real, real time clock and calendar) para ejecutar esta función han estado disponibles durante décadas, pero los diseñadores se enfrentan al desafío de reducir la cantidad de componentes y el espacio físico y, al mismo tiempo, minimizar el consumo de energía y el tiempo de diseño.

Los dispositivos RTCC integrados y los módulos innovadores están a la altura de estos desafíos.

En este artículo se menciona cómo seleccionar un chip RTCC y diseñarlo para integrarlo a un sistema incorporado rápidamente, al tiempo que se minimiza el espacio y el consumo de energía. Incluirá un debate sobre MCU con RTCC integrados, así como también el uso de los módulos de RTCC disponibles que sirven de ayuda para la creación de prototipos con RTC de montaje en superficie y otros componentes.

Los chips RTCC incorporados en módulos son comúnmente compatibles con bibliotecas Arduino y superposiciones de unidades Raspberry Pi Raspbian, que pueden facilitar la experimentación y creación de prototipos integrados con estos dispositivos.

Función de los RTCC

Muchas aplicaciones incorporadas deben llevar un registro del tiempo en relación con el mundo real con un consumo de energía mínimo y liberar el procesador principal para otras áreas.

No obstante, en sí mismo, un chip RTCC no puede hacer demasiado. Se requiere un cristal preciso para el registro del tiempo (quizás un cristal con compensación de temperatura para un registro del tiempo preciso) y energía de batería de respaldo de modo que se pueda registrar incluso cuando el sistema incorporado se haya apagado. Estos componentes auxiliares definen la capacidad de RTCC para llevar a cabo sus dos tareas principales:

  1. Mantener una consistencia en la precisión de hora y fecha en todas las condiciones
  2. Minimizar el consumo de energía cuando el resto del sistema incorporado está apagado

Algunos microcontroladores incorporan RTCC

Algunos controladores, como el PIC32MZ2064DAA288 de 32 bits de Microchip Technology, incorporan un bloque de RTCC interno. Es posible que usar un dispositivo de este tipo para el diseño de un sistema que requiere un registro temporal preciso resulte una idea excelente, especialmente dado que el microcontrolador PIC32MZ2064DAA288 cambiará automáticamente la energía interna a su pasador de entrada de batería (VBAT) cuando no haya voltaje suficiente en los pasadores de suministro de energía normales del microcontrolador (VDDCORE y VDDIO) para energizar el dispositivo.

No obstante, hay algunos desafíos adicionales con este tipo de dispositivos que están vinculados directamente a dos tareas esenciales de RTCC mencionadas anteriormente: registro preciso del tiempo y funcionamiento con baja energía.

En primer lugar, el bloque RTCC del microcontrolador PIC32MZ2064DAA288 requerirá la conexión de un cristal de 32768 Hertz (Hz) a sus dos pasadores del oscilador secundarios para mantener un tiempo preciso mientras el controlador está apagado. Si bien es posible usar el oscilador del reloj principal del microcontrolador para operar el bloque de RTCC, ese oscilador deja de funcionar cuando el microcontrolador está en el modo de hibernación profunda.

El RTCC del chip incorpora un registro de calibración, y el microchip proporciona un procedimiento de calibración que puede reducir el error de registro temporal a 0,66 segundos por mes para frecuencias del oscilador de cristal descompensadas por tanto como 260 partes por millón (ppm). Sin embargo, la calibración fija no representa la variación de temperatura, que también puede afectar la frecuencia del oscilador y, por lo tanto, la precisión del registro temporal.

En segundo lugar, el microcontrolador no se apaga por completo cuando cambia al suministro de batería, excepto para el bloque de RTCC. Otros bloques en el microcontrolador posiblemente estén habilitados, o no, durante la operación con batería, dado que están controlados por software. El desafío creado aquí es que la batería se agota y la vida útil comienza a depender del software.

Este desafío no es exclusivo del microcontrolador PIC32MZ2064DAA288. Sucederá con cualquier microcontrolador que incorpore un bloque de RTCC. El uso de un chip RTCC individual resuelve la cuestión al aislar libremente la función de registro de tiempo del microcontrolador, y también es la única opción de diseño cuando el microcontrolador no tiene RTCC interno.

Chips RTCC y módulos

Los ingenieros de diseño han estado utilizando chips RTCC individuales para llevar un registro del tiempo en una variedad de aplicaciones incorporadas y de cómputo durante décadas. Si bien distintos proveedores de IC ahora ofrecen este tipo de chips, la tecnología de montaje en superficie (surface mount technology, SMT) ha complicado la evaluación de chips RTCC porque los dispositivos no pueden soldarse manualmente o enchufarse de manera sencilla.

Una buena solución es usar módulos de bajo costo en función de estos chips RTCC que eliminan los desafíos de la creación de prototipos asociados a IC montados en superficie pequeños. Estos módulos también incorporan baterías, por lo general de celdas de monedas, para mantener la energía incluso mientras el sistema principal está apagado.

Un buen ejemplo de este tipo de módulo es el 255 Chronodot de Adafruit (Figura 1). Este tipo de módulos son útiles para evaluar chips RTCC, para crear circuitos experimentales y prototipos, e incluso para la fabricación en volumen en muchos casos.

Imagen de 255 Chronodot de Adafruit

Figura 1: 255 Chronodot de Adafruit incorpora un chip RTCC y una batería en un módulo de orificios pasantes. (Fuente de la imagen: Adafruit)

La Tabla 1 enumera seis módulos RTCC diferentes sobre la base de tres chips RTCC diferentes de dos proveedores de IC.

Módulo RTCC Chip RTCC Interfaz Batería Vida útil mín. de la batería (típ.)
DFRobot DFR0151 Maxim DS1307 I²C CR1225 9 (17) años
SparkFun BOB-12708 Maxim DS1307 I²C CR1225 9 (17) años
Adafruit 3103 Maxim DS3231 I²C CR1220 ND
255 Chronodot de Adafruit Maxim DS3231 I²C CR1632 8 años
Maxim DS3231MPMB1# Maxim DS3231 I²C CR1025 ND
STM STEVAL-FET001V1 STMicro M41T62 I²C Externo ND

Tabla 1: Seis módulos RTCC ejemplifican la amplia disponibilidad y variedad de módulos RTCC. (Origen de datos: Digi-Key Electronics)

Los módulos RTCC, como los seis mencionados en la Tabla 1, facilitan la adición del registro de tiempo a los sistemas de prototipos. Un análisis más profundo del diseño de estos módulos revela información útil durante el desarrollo de una placa que incorpora el chip RTCC subyacente.

Lo primero para destacar de la Tabla 1 es que todos estos módulos RTCC comparten algo en común, una interfaz I2C. Los primeros chips RTCC de la década de 1970 emulaban pequeños SRAM mediante el uso de buses de datos y dirección paralelos. Esta fue una época en que los buses de microprocesadores paralelos eran comunes, y los protocolos en serie incorporados todavía no se habían diseminado.

En la actualidad, los protocolos en serie chip a chip, en especial, I2C, son la interfaz de preferencia para dispositivos periféricos que requieren relativamente poco ancho de banda. Los chips RTCC definitivamente califican porque se requieren muy pocos bytes para transferir la información de fecha y hora.

Los primeros dos módulos RTCC que se muestran en la Tabla 1, DFR0151 de DFRobot y BOB-12708 de SparkFun, están ambos basados en el chip RTCC DS1307 de Maxim Integrated, que es un dispositivo de 8 pasadores. A partir de su popularidad, hay bibliotecas Arduino y una superposición de unidades Raspberry Pi Raspbian disponibles para los módulos sobre la base de este chip.

El RTCC DS1307 posee pasadores separados para el riel de la fuente de alimentación y la batería para ofrecer un cambio automático entre el riel de la fuente de alimentación del sistema incorporado y la batería de respaldo cuando la energía del sistema falla (Figura 2).

Diagrama del chip RTCC DS1307 de Maxim Integrated

Figura 2: El chip RTCC DS1307 de Maxim Integrated cambia automáticamente de VCC a VBAT cuando el voltaje del pasador VCC cae por debajo de aproximadamente 4,5 voltios. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

La Figura 2 también muestra la conexión entre el chip RTCC DS1307 y un cristal. Para los chips RTCC, este cristal prácticamente siempre es un cristal de reloj de 32768 Hz económico, tal como el WATCH-2X6 de IQD Frequency Products. Este cristal presenta dos nuevos factores para tener en cuenta durante el diseño con chips RTCC.

El primer factor es la estabilidad del cristal por sobre la temperatura. La mayoría de los RTCC usa cristales de “diapasón” diseñados originalmente para relojes pulsera. Estos cristales se apartan de su frecuencia nominal sobre la temperatura (Figura 3).

Gráfico de frecuencia resonante de un cristal de 32768 Hz

Figura 3: La frecuencia resonante de un cristal de 32768 Hz varía según la temperatura, que afectará la precisión del registro temporal del RTCC. (Fuente de la imagen: IQD Frequency Products)

La frecuencia resonante del cristal IQD WATCH-2X6 cambia la temperatura, que modifica la frecuencia del oscilador y provoca un error en el registro temporal. Tenga en cuenta que un cambio de 20 ppm en la frecuencia del oscilador se traduce en aproximadamente un minuto de error en el registro temporal por mes.

El segundo factor está oculto por la excesiva simplificación de la conexión entre el cristal y el chip RTCC en la Figura 2. Los pasadores de entrada del cristal de los chips RTCC comúnmente tienen impedancia muy alta, lo que hace que los conductores del cristal del reloj y los trazos de la placa del equipo actúen como una antena. Esta “antena” puede acoplar señales de alta frecuencia y ruido del resto del sistema en el oscilador del cristal interno del RTCC.

Cualquier ruido acoplado a través de los trazos entre el cristal del reloj y el chip RTCC puede provocar transiciones adicionales en el circuito del oscilador del chip RTCC, lo que puede causar la aceleración del reloj. La solución es un cuidadoso diseño de placa de equipo. Esto incluye colocar el cristal lo más cerca posible de los pasadores del oscilador del chip RTCC, y colocar un plano terrestre por debajo de los pasadores de entrada del cristal y todo el cuerpo del cristal del reloj (Figura 4).

Diagrama del área externa entramada debajo del paquete de RTCC

Figura 4: El cuidadoso diseño de la placa del equipo sobre un plano terrestre evita que el ruido indeseado afecte la precisión del registro temporal de un chip RTCC. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Además, la Figura 4 muestra un área externa entramada debajo del paquete de RTCC para evitar trazos estrechamente espaciados del ruido de acoplamiento a los pasadores de entrada del cristal de los chips RTCC. Si es posible, agregue un anillo de protección sobre la capa del componente de la placa del equipo que rodea el cristal y los pasadores de entrada del cristal del chip RTCC para ayudar a evitar que el ruido afecte la precisión del registro temporal.

Extracción del cristal del reloj de la placa del equipo e incorporación en el chip

Para omitir algunos de los desafíos en relación con el diseño de la placa del equipo para un cristal externo, elija el RTCC M41T62 de STMicroelectronics con un cristal integrado. Este chip RTCC está disponible en la placa de evaluación STEVAL-FET001V1 de STMicroelectronics, que tiene el espacio físico de un DIP de 24 pasadores. En la Figura 5 aparece un diagrama esquemático de esta placa. Hay una biblioteca Arduino y una superposición de unidades Raspberry Pi Raspbian disponibles para el M41T62.

Diagrama del chip RTCC M41T62 de STMicroelectronics

Figura 5: El chip RTCC M41T62 de STMicroelectronics (centro) está disponible en la placa de evaluación STEVAL-FET001V1, en el paquete como un DIP de 24 pasadores. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Tal como muestra el diagrama esquemático, el M41T62 tiene solo un pasador VCC. No tiene un pasador VBAT separado para cambiar cuando falla la energía principal porque el dispositivo, que mide solo 1,5 x 3,2 mm, está diseñado para usarse en dispositivos ponibles y cámaras digitales. En estas aplicaciones incorporadas, la batería comúnmente es la única fuente de alimentación y el espacio es una prioridad.

Observe que también es posible usar un supercapacitador como fuente de alimentación para el M41T62. En un sistema incorporado, se puede conectar el suministro del sistema o un cargador al pasador VCC de M41T62 a través de un diodo de bloqueo, D1 (Figura 6).

El diodo necesitaría ser de un tipo de bajo voltaje como el 1N4148WS, que se muestra en la Figura 5 anterior, para evitar la descarga del supercapacitador a través del suministro del sistema cuando el resto del sistema está apagado.

Diagrama del supercapacitador recargable que alimenta al chip RTCC Ma1T62

Figura 6: Es posible usar un supercapacitador recargable para alimentar al chip RTCC M41T62. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Compensación de temperatura domina el cristal

Tres de los módulos RTCC mencionados en la Tabla 1 (3013 de Adafruit, 255 Chronodot de Adafruit y DS3231MPMB1# de Maxim) están basados en el chip RTCC DS3231 de Maxim (Figura 7). Junto con un cristal integrado, el dispositivo incluye un sensor de temperatura, lo que explica el nombre largo oficial del dispositivo: "Extremely Accurate I²C-Integrated RTC/TCXO/Crystal”.

Diagrama del chip RTCC DS3231 de Maxim

Figura 7: El chip RTCC DS3231 integra el cristal del reloj de 32768 Hz, un sensor de temperatura y un arreglo de capacitores conectado para mantener la precisión del registro temporal del dispositivo dentro de los ±2 minutos por año. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Tal como se muestra en el diagrama de bloques, el oscilador del cristal con compensación de temperatura (TCXO) del DS3231 comprende el cristal interno, un sensor de temperatura y un arreglo de capacitores conectado. Al igual que el RTCC DS1307, el DS3231 también tiene pasadores separados para la energía principal (VCC) y la batería de respaldo (VBAT).

Tal como sucede con el chip RTCC M41T62 de STMicroelectronics, el chip RTCC DS3231 distribuye los desafíos de diseño de un cristal externo. Su TCXO reduce la variación en la precisión del registro temporal provocada por los cambios de temperatura. El TCXO interno del DS3231 mantiene la precisión del registro temporal de dispositivo en dentro de los 2 minutos más o menos por año a través de un rango de temperatura de operación muy amplio de -40 °C a +85 °C.

A partir de su popularidad, hay varias bibliotecas Arduino y una superposición de unidades Raspberry Pi Raspbian disponibles para los módulos sobre la base del chip RTCC del DS3231.

¿Cuál será la duración de la batería?

Las baterías son artículos de mantenimiento que no duran para siempre. Al agregar un RTCC a un diseño incorporado, es importante notar la corriente de la batería requerida por el chip RTCC para el tamaño adecuado de la batería de respaldo.

La duración de la batería en una aplicación RTCC estará determinada por el consumo de corriente del chip RTCC mientras registra el tiempo, el voltaje de operación mínimo requerido por el chip RTCC y la cantidad de tiempo que la batería podrá suministrar la corriente requerida antes de que su voltaje de salida caiga por debajo de ese voltaje de operación mínimo (Tabla 2).

Chip RTCC Tipo de corriente de batería (nA) (máx.)
Maxim DS1307 300 (500)
Maxim DS3231 840 (3000)
STMicro M41T62 5000 (7000)

Tabla 2: Las calificaciones de corriente de suministro de la batería para los chips RTCC lo ayudan a dimensionar la batería de respaldo correspondiente. (Origen de datos: Digi-Key Electronics)

Para los módulos RTCC que se mostraron antes en la Tabla 1, ya se han seleccionado las baterías de respaldo. Algunos de los proveedores de módulos incluyen números de duración de la batería en las hojas de datos del módulo, que también se muestran en la Tabla 1. Las celdas de monedas de litio son en la actualidad el tipo de batería de preferencia para estos módulos. Los diámetros de la tabla varían en 10, 12 y 16 mm. Con seguridad, cuanto mayor sea la capacidad de la batería, más espacio y peso suele agregar, pero la clara ventaja es una mayor duración de la batería para un consumo de corriente determinado.

Conclusión

Se debe tener cuidado al seleccionar dispositivos RTCC, al elegir el cristal que lo acompaña y la batería para garantizar un funcionamiento preciso, y al diseñar la placa del equipo. Como alternativa, los módulos disponibles basados en chips RTCC ofrecen un atajo para la creación de circuitos experimentales y prototipos, lo que reduce ampliamente el tiempo de desarrollo.

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Acerca de este autor

Steve Leibson

Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.

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