Todo desarrollo o producto, tangible o intangible, parte de un esbozo, el diseño electrónico no es la excepción. El ciclo de desarrollo de productos electrónicos parte desde la concepción de una idea que resuelve una necesidad particular buscando una conexión con una solución.
Una vez se tiene clara la interfaz entre la necesidad y la solución propuesta, se inicia el proceso de diseño, que estará presente en todo el ciclo y guiará las actividades de desarrollo, pruebas y fabricación.
En otras entregas se han presentado distintas recomendaciones de diseño orientadas a mejorar los resultados del ciclo de desarrollo y prototipado de dispositivos electrónicos. Además, se han recopilado los términos más comunes utilizados en el proceso de prototipado a modo de glosario, y se han compartido los conceptos claves que todo desarrollador debe tener claros al momento de diseñar y programar software embebido sobre un microcontrolador o un microprocesador.
En esta entrega se tomarán como base algunos de esos conceptos, para brindar una introducción rápida a los fundamentos de diseño electrónico que se aplican en las distintas etapas del proceso de prototipado de dispositivos electrónicos.
¿En qué consiste el diseño electrónico?
Si contempla a su alrededor verá que le rodea una serie de objetos y dispositivos, todos ellos, incluido sus sistemas, piezas y partes fueron concebidos a través de un diseño.
Como se adelantó en la introducción, el diseño es la conexión entre una necesidad y una solución, el diseño captura la intención o razón central de un producto destinado a una función específica que parte de una necesidad.
En el campo de la electrónica, tal como alude la firma británica Datasound Labs. El diseño electrónico contempla:
- El bosquejo preliminar o ideación
- La definición de requisitos
- La propuesta y especificaciones de diseño
- Un plan de proyecto para establecimiento de costos, escala de tiempo
- Y previsiones de cara a etapas posteriores del desarrollo y prototipado, validaciones y fabricación
El diseño electrónico también incluirá la definición de un diseño esquemático y un diseño de PCB, antes de avanzar a prototipos funcionales y realizar pruebas para garantizar el cumplimiento legal con las certificaciones requeridas y estándares, para culminar con el paso a la fabricación y la gestión de la producción.
Conozca 4 Fundamentos del Diseño Electrónico
1. Diseño Esquemático
Una de las herramientas fundamentales del diseño electrónico es el diagrama esquemático.
Según Hillman Curtis, se trata de una descripción concisa y simbólica de un circuito eléctrico/electrónico.
Una que detalla los elementos que componen un circuito y cómo están conectados entre sí. Los diagramas esquemáticos son uno de los lenguajes básicos de la ingeniería eléctrica y electrónica.
Su importancia radica en que provee a los equipos de diseño y desarrollo una imagen gráfica, simple y estandarizada del circuito en el que están trabajando, capaz de probar circuitos e identificar problemas y limitaciones de diseño antes de avanzar en costos y esfuerzos.
Fuente: Workforcedevelopment.com -Understanding and Using Electronic Diagrams.
Un diagrama esquemático producido profesionalmente comunica fácilmente el propósito, la función y los objetivos del diseño. Asimismo, se comprende el diseño esquemático para tres propósitos fundamentales, que se describen brevemente a continuación.
1.1. Diseño esquemático para ilustración
Se utiliza para comunicar conceptos o ideas, en lugar de proporcionar detalles precisos para su implementación.
Son utilizados en documentos educativos, presentaciones y material promocional para transmitir información de manera comprensible y atractiva, sin necesidad de incluir todos los detalles técnicos específicos del circuito.
Fuente: Tomado de Analog Devices
1.2. Diseño esquemático para simulación
Este tipo de diseño electrónico esquemático está especialmente configurado para ser compatible con un software de simulación, lo que permite analizar el comportamiento del circuito bajo diferentes condiciones y parámetros sin necesidad de construirlo físicamente.
En el proceso de prototipado de dispositivos electrónicos, el esquemático para simulación puede resolver cuellos de botella en aspectos sobre los cuales el diseñador no está completamente seguro.
Para Analog Devices los modelos de simulación de circuitos electrónicos involucran distintos aspectos que gobiernan el comportamiento físico de los circuitos y sus componentes, lo cual ayuda a validar distintas configuraciones y conexiones entre componentes en la fase de diseño, antes de pasar a la fase de construcción.
Fuente. Tomado de Analog Devices.
1.3. Diseño esquemático para construcción
Este tipo de diseño electrónico esquemático se centra en especificar todos los componentes, conexiones y características del circuito de manera clara y completa, de modo que los ingenieros, técnicos y fabricantes puedan comprender y ejecutar correctamente la construcción del circuito según las especificaciones indicadas en el diseño esquemático.
El fin último del diseño esquemático para construcción es vincular un esquema a un diseño físico. Más concretamente, al diseño de la tarjeta de circuito impreso (PCB).
El diseño esquemático y el diseño de PCB son sólo eslabones dentro del proceso de prototipado electrónico. Explore más sobre el Prototipo en la Industria Electrónica
2. Diseño de PCB
Avanzamos al segundo concepto fundamental en diseño electrónico, se trata de la PCB (Printed Circuit Board), o Placa de Circuito Impreso. Una estructura mecánica que alberga componentes y conductores en su interior.
Está compuesta por capas alternas de cobre conductor y material aislante no conductor. Las trazas de cobre conectan los componentes del circuito, mientras que una capa protectora proporciona estabilidad y protección.
Adicionalmente, se pueden incorporar capas de texto (Silkscreen) que permiten indicar siglas o nombres para las conexiones externas, agregar logos o números de serie, entre otros usos que se mencionan en la entrega: Tips para el diseño de circuitos impresos en prototipos electrónicos.
2.1. Importancia de las PCB en el diseño electrónico
Antes de las PCBs, los circuitos dependían de cables individuales, lo que resultaba en diseños complejos y poco confiables. Con la introducción de las PCBs, el proceso se simplificó, permitiendo conexiones más eficientes y confiables en una amplia gama de dispositivos electrónicos.
Tal como argumenta la firma norteamericana VSE, el papel fundamental de las placas de circuito impreso en el diseño electrónico es contener y conectar todos los componentes críticos de un diseño en un paquete compacto, económico y confiable que pueda fabricarse a escala, con alto rendimiento y alta calidad.
Hoy en día, el diseño de PCBs se ha sofisticado enormemente gracias al software especializado. Los diseñadores pueden convertir esquemas electrónicos en diseños de PCBs virtuales, optimizando la colocación y el enrutamiento de componentes.
La integración de bibliotecas y la gestión de materiales optimizan la calidad del producto y su cadena de suministro.
Además, se pueden incorporar reglas de diseño que habiliten la validación automática de cualquier error potencial como: pistas desconectadas de su red correspondiente, pistas muy cercanas, agujeros o vías del tamaño inadecuado, entre otras; lo que representa un importante ahorro de costos, esfuerzo y dinero.
2.2. Lineamientos de diseño de PCB para circuitos analógicos y digitales
Las PCB digitales han avanzado para satisfacer la demanda de dispositivos ágiles y compactos. Ofrecen una mejor adaptación de impedancia y control de pérdida de inserción en comparación con los circuitos analógicos.
Las PCB digitales y analógicas tienen similitudes y diferencias en enrutamiento, condensadores de bypass y diseño de tierra. Mientras que los circuitos exclusivamente analógicos se enfocan en filtrar señales, los digitales operan con lógica binaria.
Quien desee ahondar en fundamentos de diseño electrónico debe estar familiarizado con la IPC International, Inc. Una organización global que define los estándares y normas técnicas de diseño de PCB, que permiten a los diseñadores de dispositivos electrónicos, seguir una serie de lineamientos para garantizar la fiabilidad y seguridad de estos.
Desde el grosor de las pistas, el uso de una o varias capas de cobre, hasta la mitigación de interferencia electromagnética (EMI), el seguimiento de las normas IPC en el diseño de PCB puede marcar la diferencia entre un producto electrónico exitoso y un producto defectuoso o de baja calidad.
Adicionalmente, en el diseño de PCB, la selección de requisitos y materiales es crucial.
Aspectos como estabilidad dimensional, gestión térmica y control de impedancia son esenciales. Materiales como FR-4, G-10 y PFTE se adaptan a diversas necesidades, desde alta densidad hasta alta frecuencia y potencia.
3. El Diseño de Software Embebido
Otro concepto básico en fundamentos de diseño electrónico es el firmware o software embebido: “El elemento intangible o capa de abstracción lógica que hace que el hardware cobre vida”.
El software embebido es el cerebro detrás del correcto funcionamiento de cualquier circuito digital basado en microprocesador o microcontrolador. Se ejecuta dentro de dispositivos electrónicos, permitiéndoles interactuar con el entorno y realizar tareas complejas.
Desde controlar los distintos sensores y funciones de un automóvil, hasta ajustar la temperatura del hogar a través de herramientas de domótica; desde permitir el almacenamiento de datos en una memoria flash, hasta capturar imágenes mediante un satélite.
Este elemento esencial dentro del diseño de dispositivos electrónicos, se adapta al hardware particular de cada dispositivo, siendo fundamental en su diseño y operación.
3.1. Arquitectura de software embebido en diseño electrónico
En el contexto de diseño electrónico, la arquitectura del software embebido hace referencia a la estructura del software que se ejecuta internamente en el dispositivo, con recursos limitados, de forma eficiente, segura y confiable.
Definir correctamente la arquitectura del software embebido requiere un enfoque integral y una comprensión clara de los requisitos del sistema, las limitaciones del hardware y las necesidades del usuario final.
Aquí hay algunas variables que se deben tener previamente en cuenta:
- Requisitos del sistema: identificar los requisitos funcionales y no funcionales, como el rendimiento, la seguridad, la fiabilidad, etc.
- Restricciones de hardware: conocer las limitaciones del hardware en términos de capacidad de procesamiento, memoria, almacenamiento, consumo de energía, interfaces de hardware disponibles, etc.
- Plataforma de desarrollo: seleccionar la plataforma de desarrollo adecuada, incluyendo el microcontrolador o microprocesador, el sistema operativo (si es necesario), y las herramientas de desarrollo y compilación.
Definir la arquitectura del software embebido es un paso crítico que establece la estructura general y la organización del sistema teniendo en cuenta los requisitos del sistema y las limitaciones de recursos.
Estas son algunas consideraciones adicionales:
Selección de la arquitectura adecuada: podría incluir arquitecturas como la basada en eventos, la basada en capas, la basada en microservicios o la arquitectura orientada a servicios, entre otras.
- Estrategias de comunicación: decide cómo se comunicarán los diferentes componentes del sistema entre sí.
- Gestión de la concurrencia y sincronización: si el sistema embebido requiere manejo de múltiples tareas concurrentes, por ejemplo, a través de la integración de un sistema operativo de tiempo real (RTOS).
- Seguridad y confiabilidad: puede incluir la implementación de mecanismos de autenticación, autorización, encriptación de datos, y manejo robusto de errores.
3.2. Especificación de los bloques del software del sistema embebido
Descomponer el sistema en módulos o componentes más pequeños facilita la gestión del diseño, la implementación y el mantenimiento del software embebido.
Aquí hay algunas pautas:
- Desglosar en módulos individuales que representan diferentes aspectos del sistema.
- Aplicar principios de diseño modular como la cohesión y el acoplamiento mínimo.
- Organizar los módulos en una jerarquía lógica que refleje la estructura y las interacciones del sistema.
- Especificar las interfaces entre los diferentes módulos, incluyendo los tipos de datos que se intercambian, los parámetros de entrada y salida, y cualquier restricción o contrato que deba cumplirse
Siguiendo estos pasos, se puede desarrollar una arquitectura de software embebido sólida y bien estructurada, que cumpla con los requisitos del sistema, y sea fácil de mantener y escalar en el futuro.
Conozca más sobre el firmware o software embebido como elemento fundamental en el diseño electrónico: Diseño de software embebido – lo básico que debe conocer.
4. Diseño de Pruebas
Otra práctica común en fundamentos de diseño electrónico es la definición de pruebas y validaciones para avanzar en etapas posteriores de desarrollo y producción.
Se trata de las previsiones de cómo se va a probar su funcionamiento y dar cumplimiento a estándares y normativas.
Cuando este paso fundamental se subestima, normalmente ocurren dos cosas:
1) Se olvida probar algunos casos de uso, lo que conlleva riesgos de falla en el despliegue
2) No funciona como se espera y hay que reparar o en el peor de los casos, rediseñar por completo.
Pride Industries de manera un poco catastrófica (pero realista), define cómo la confiabilidad de ciertos dispositivos electrónicos vía pruebas y validaciones, resulta en una cuestión de vida o muerte, por el impacto que puede tener un fallo de estos dispositivos en la integridad o la vida de una persona, como es el caso de vehículos autónomos o dispositivos médicos avanzados.
Por esta razón, es recomendable contemplar desde el inicio del proyecto, es decir, desde el inicio del diseño electrónico esquemático, de PCB y de software embebido, la manera en que cada uno de estos elementos se validará, los resultados esperados y el plan a seguir para corregir los posibles errores que se encuentren.
4.1. Diseño de pruebas en esquemático
En el proceso de diseño esquemático suele concentrarse el esfuerzo en:
- Determinar las conexiones, componentes y circuitos que compondrán el producto
- Asegurar que todo esté diagramado adecuadamente
- Que exista un orden jerárquico si se trata de un diseño complejo con muchos módulos
- Entre otros aspectos que son de vital importancia para obtener un diseño confiable.
Sin embargo, para dichos circuitos y componentes, también es importante definir qué tipo de pruebas se realizarán una vez la tarjeta esté construida, de tal modo que desde el diseño se consideren aquellos componentes o conexiones adicionales que se requerirán en el proceso de validación.
También se pueden realizar pruebas anteriores a la fabricación, a través de herramientas de simulación de circuitos, que permitan identificar posibles puntos de mejora. ElectronicsHub resalta las siguientes ventajas de la simulación de circuitos:
- Validar la funcionalidad sin necesidad de fabricar
- Ahorrar tiempo y costo en el diseño de circuitos complejos
- Reducir posibles partes sobrantes en el circuito
- Rediseñar y corregir posibles errores de diseño de forma oportuna
- Validar formas de onda en circuitos de amplificación, filtrado, entre otros.
Adicional a lo anterior, hay otros aspectos a considerar, que pueden facilitar el proceso de validación del prototipo.
Por ejemplo, es común que aún luego de simular se tengan dudas sobre partes aisladas del circuito, como fuentes, amplificadores, filtros u otras. En tales casos, la incorporación de jumpers THT o SMT para pruebas es bastante útil.
Para incorporar un jumper SMT que permita aislar una parte del circuito, basta con incorporar una resistencia de 0 Ohm en el camino que se quiere interrumpir.
En la siguiente figura se muestra un ejemplo para una fuente de 3.3 V, donde una vez fabricado el circuito se puede desconectar o conectar el punto de entrada de señal a través de la resistencia R94, y además desconectar o conectar la salida mediante R96.
Ejemplo de jumpers SMT a través de resistencias de 0 Ohm
4.2. Diseño de pruebas en PCB
Así como en el diseño esquemático se deben planear acciones de prueba, en el diseño de PCB existen también algunas buenas prácticas que vale la pena seguir para incrementar las posibilidades de éxito de una tarjeta electrónica.
En la entrega “Tips para el diseño electrónico de PCB en prototipado” se mencionan algunas, orientadas a lo que se conoce como “Diseño para pruebas” o Design for Testing (DFT).
De acuerdo con Altium, una buena herramienta aplicada en DFT es el uso de puntos de prueba. Estos son puntos de conexión o Pads en la tarjeta, que se pueden usar para ubicar instrumentos de medición de forma fácil, y validar señales o variables eléctricas de interés.
Además, son requeridos en caso de que se desee aplicar pruebas eléctricas automatizadas para validar la integridad de la tarjeta en el proceso de fabricación de PCB.
Otra parte clave en el diseño para pruebas, es asegurarse de incorporar en el Screen de la tarjeta, aquellas indicaciones, nombres, siglas, entre otros, que permitan identificar con facilidad la función de los conectores, la orientación de un componente en particular, entre otros aspectos que agilicen el proceso de prueba de la tarjeta.
4.3. Diseño de pruebas en software embebido
En el diseño de software embebido sucede algo similar al diseño de hardware, solo que peor, porque en muchas ocasiones el equipo de desarrollo ni siquiera diseña el software, sino que inicia a programar con base en los requisitos, y en el camino el código se empieza a convertir en una trama imposible de desenredar.
Si a esto se le suma que no es muy común que se hagan pruebas junto con los diseños de firmware, la consecuencia es que no solo se afecta la funcionalidad del dispositivo, sino también el tiempo de entrega, los costos de mantenimiento, la confiabilidad del sistema y la reputación de la empresa.
En el artículo dedicado a fundamentos software embebido se mencionaron los aspectos fundamentales en el diseño de firmware.
Ahora agregaremos un elemento más con el diseño de pruebas, el cual se enfoca en que en el mismo momento en que se definen las entradas, salidas e interfaces de un bloque de software, también se define la manera en que estas se validarán.
Por ejemplo, si se tiene un bloque que lee un sensor de forma periódica a través de un puerto I2C, se puede establecer un caso de prueba en el cual el sensor arroja datos errados, o un caso en el cual no hay sensor conectado al puerto.
Con esta sencilla práctica se habrán contemplado desde el inicio, mecanismos de tolerancia a fallos y reporte de errores en el sistema, y se evitará dar por sentado que todo siempre funcionará a la perfección.
El definir casos de prueba para el software embebido y aplicarlos a cada módulo construido, trae beneficios como:
- Facilita enormemente las tareas de revisión de avances
- Reduce los tiempos debidos a corrección de fallas
- Eleva la calidad y confiabilidad del dispositivo.
Cuando no se tiene la infraestructura y equipamiento completo para llevar a cabo pruebas y validaciones en desarrollo y diseño electrónico, una opción viable es la tercerización.
Lo que debe conocer sobre fundamentos de diseño electrónico - Conclusión
En esta entrega presentamos algunos fundamentos de diseño electrónico que pueden ser de gran utilidad para cualquier proyecto de desarrollo y prototipado, más allá de su envergadura.
Diseños esquemáticos, de PCB, firmware, pruebas y validaciones, son aspectos claves que ayudarán a conducir los recursos técnicos y humanos de forma eficiente en el delicado proceso de diseño electrónico, evitando así costosos y altamente riesgosos reprocesos en etapas posteriores en fabricación y comercialización.
Estos fundamentos de diseño electrónico agregan mayor confiabilidad a los dispositivos y elevan las capacidades del equipo de desarrollo para enfrentar retos cada vez mayores.
El proceso de diseño y prototipado de dispositivos electrónicos es complejo, y no siempre todo sale como se espera. Es por ello que contemplar la realización de pruebas en cada una de las etapas de diseño puede brindar grandes ventajas, no solo reduce costos y tiempos, sino que también eleva la calidad de los productos.
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