Cuando se habla de producto electrónico lo que salta a la vista es lo tangible, el hardware; pero en su funcionamiento y viabilidad interviene lo intangible; el software. Desde el diseño, el prototipado y las pruebas; hasta su funcionalidad en manos del usuario el software juega un papel fundamental. Dedicamos esta entrega al rol de software en el prototipado electrónico.
Como se ha visto en entregas anteriores, cuando se habla de diseño y prototipado de productos electrónicos se abarcan muchos aspectos involucrados en el proceso. Estos pueden clasificarse en dos grandes categorías: hardware y software.
Y tal como menciona Cambridge Design Tech: “la clave del diseño y prototipado de un dispositivo está en comprender cómo los elementos de hardware y software se interconectan para realizar las funciones manuales o automatizadas requeridas por el usuario”.
Con respecto al hardware, están sus componentes electrónicos, mecánicos, interconexiones, su forma, materiales externos, dimensiones, entre otros.
Y en lo que refiere al software, el enfoque normalmente se dirige a las funciones del dispositivo electrónico, es decir, a lo que se conoce como su firmware.
No obstante, hay más papeles que cumple el software en el proceso de desarrollo de dispositivos electrónicos.
En esta entrega se presentan tres roles fundamentales del software en el diseño y prototipado de productos electrónicos, los cuales, deben considerarse desde el inicio del diseño e incluso desde la etapa temprana de definición de la idea, con el fin de obtener los resultados esperados.
¡Buena lectura!
Además del software hay otras herramientas que permiten el lanzamiento de un dispositivo exitoso. Estas son 7 Herramientas clave para el diseño de productos electrónicos
Los tres Roles Fundamentales del Software en el Diseño y Prototipado de Productos Electrónicos
Desde herramienta de apoyo al diseño y prototipado, hasta elemento fundamental para la interconexión y correcta funcionalidad en manos del usuario, estos son los distintos roles del software en desarrollo electrónico.
1. Software como herramienta de desarrollo en prototipado electrónico
Uno de los usos principales del software, que normalmente se da por sentado, es como herramienta de desarrollo.
Un amplio abanico de software suelen ser útiles en desarrollo y diseño electrónico, dependiendo del hardware o sus funcionalidades, desde lenguajes de programación, hasta plataformas eCAD.
En este contexto, se pueden encontrar dos clasificaciones o tipos de software que juegan un papel crucial en el diseño, construcción y pruebas de un dispositivo electrónico:
Herramientas CAD
En inglés Computer-Aided Design o Diseño Asistido por Computadora. Dentro de esta categoría se encuentran:
- Las herramientas de diseño de tarjetas de circuito impreso o software para el diseño de PCB
- Software para diseño circuital (que en ocasiones es el mismo software de diseño de PCB)
- Software para simulación de circuitos
- Software para diseño mecánico (diseño de carcasa y otros elementos mecánicos del aparato electrónico)
Compartiendo el criterio de Proto-Electronics, algunos de los mejores representantes de esta categoría son:
- Altium
- Cadence Design OrCAD
- EAGLE
- KiCad
- Proteus
Entornos Integrados de Desarrollo (IDE)
En inglés Integrated Development Environment. En esta categoría se encuentran los entornos de programación (como el entorno Arduino, por ejemplo), utilizados para la construcción del código fuente que representa las funcionalidades del prototipo o dispositivo electrónico.
Estos entornos pueden o no, incluir herramientas para depuración y pruebas del código. Las funcionalidades programadas son ejecutadas por un microcontrolador o un microprocesador, según la complejidad del dispositivo.
Para Electronic Design otros entornos IDE ampliamente utilizados por los desarrolladores de sistemas embebidos son:
- MPLAB X IDE
- Visual Studio de Microsoft
- Eclipse IDE
Si desea conocer más sobre software para el diseño de circuitos impresos, esta es una lista de software gratuito para el diseño de PCB.
2. Software como sistema embebido o firmware
El software embebido también conocido como firmware, es el software que se ejecuta dentro del dispositivo electrónico y que le permite llevar a cabo las funciones específicas para las cuales fue diseñado.
De su correcta integración con el hardware depende la factibilidad del prototipo. El sistema embebido se diseña y se prueba junto al prototipo y una vez validado se instala en el dispositivo como parte del proceso de fabricación.
Algunos ejemplos de sistemas embebidos
El router o módem WiFi que se encuentra en los hogares, tiene internamente un procesador que ejecuta un firmware a través del cual lleva a cabo todas las funcionalidades de creación y exposición de la red WiFi, enrutamiento, seguridad y conexión a Internet para los dispositivos que se conecten a él.
Otro caso con el cual tiene contacto todo ciudadano casi a diario, es la ECU (Engine Control Unit – Unidad de Control de Motor) de un vehículo, bien sea un carro particular, una moto o un vehículo de transporte público. Todos ellos cuentan con al menos un procesador, que ejecuta un software embebido encargado de controlar las señales eléctricas requeridas para sincronizar el movimiento del motor.
Como estos hay cientos de casos de este tipo de aparatos también conocidos como sistemas embebidos, presentes en la vida cotidiana.
Fortinet hace referencia a varios ejemplos de firmware, catalogándolos como ‘microcódigos’ incrustados en dispositivos, donde las tabletas, los teléfonos inteligentes, ordenadores de escritorio y dispositivos periféricos cuentan con software embebido para realizar funciones que pueden ser tan elementales como un juego de luces.
Prácticamente, donde sea que uno mire en su casa o en la calle, verá un electrodoméstico, un accesorio, una máquina o una herramienta, dentro de la cual existe una tarjeta electrónica con un circuito integrado programable que ejecuta un código firmware para cumplir determinadas funcionalidades.
Dependiendo de su complejidad y funcionalidad un firmware se puede ejecutar a través de dos dispositivos de procesamiento:
- Microcontroladores, como los que se encuentran en las tarjetas Arduino
- Microprocesadores, como los que se encuentran en las tarjetas Raspberry Pi.
Según si el desarrollador selecciona un microcontrolador o microprocesador, habrá ciertas particularidades con respecto al entorno y lenguajes de programación.
En próximas entregas se tratarán más en detalle las características de los entornos de programación de firmware, herramientas de hardware para desarrollar sistemas embebidos, diferencias entre microprocesadores y microcontroladores, criterios de selección y consideraciones de diseño.
PROTOTIPADO Y DISEÑO DE PCB 5 Tips para el diseño de circuitos impresos en prototipos electrónicos. Conocer
3. Software como elemento de gestión del dispositivo
El tercer caso de aplicación o rol del Software en el prototipado electrónico, es el software como herramienta de gestión del dispositivo electrónico.
Hoy en día muchos dispositivos electrónicos ya no trabajan como elementos aislados, sino como nodos dentro de un sistema o red. Esto como consecuencia del auge del Internet de las Cosas (IoT), que ha masificado el uso de plataformas en la nube para la gestión de dispositivos electrónicos.
El IoT ha traído además una fuerte reducción de costos en hardware, en los microcontroladores y módulos que integran comunicación inalámbrica (WiFi, Bluetooth, LoRa, etc.), y se ha facilitado cada vez más el despliegue o uso de las redes inalámbricas de largo alcance y bajo consumo de energía (LPWAN por sus siglas en inglés).
En la figura 1 es posible apreciar algunos casos de uso del software como herramienta de gestión de dispositivos electrónicos.
Figura 1 ejemplo del software como elemento de gestión del dispositivo Fuente. Elaboración propia.
Como se puede ver en la Figura 1, las aplicaciones de gestión pueden ser web, móviles o de escritorio, y en este caso el rol que cumple el software se puede clasificar en tres categorías:
Categoría 1: Software como elemento de gestión de configuración
El dispositivo cuenta con unos parámetros de funcionamiento por defecto, pero mediante una aplicación web, móvil o de escritorio, se pueden cambiar dichos parámetros.
Por ejemplo, un nodo de medición de nivel de CO2 ubicado en una habitación, al cual se le puede modificar el periodo de muestreo de datos y el umbral para generación de alarmas.
La comunicación puede ser unidireccional desde el software hacia el dispositivo, o bidireccional si el dispositivo envía alguna respuesta al actualizar su configuración.
Tal como reseña BMC, la administración unificada de endpoints o terminales (teléfonos inteligentes, sensores, portátiles) con fines de seguridad o sincronización, es un ejemplo de este tipo de software
Categoría 2: Software como elemento de gestión de monitoreo
El dispositivo toma periódicamente datos de una o varias variables de un entorno y los transmite hacia el software correspondiente de forma cableada o inalámbrica, para su visualización.
Por ejemplo, pueden enviarse datos por un cable USB hacia una aplicación de escritorio o por Bluetooth hacia un celular o por WiFi hacia una aplicación en la nube.
Normalmente, en este caso el intercambio o flujo de datos es unidireccional desde el dispositivo electrónico hacia el software de gestión.
Categoría 3: Software como elemento de gestión de control de dispositivos
Cuando el dispositivo electrónico cuenta con actuadores, estos pueden activarse o desactivarse desde el software de gestión.
Pero también el propio dispositivo puede habilitarse o deshabilitarse; por ejemplo, el nodo de medición de CO2 mencionado anteriormente podría deshabilitarse remotamente cuando la habitación no vaya a estar ocupada, de tal modo que no tome ninguna medición y se mantenga en un estado de bajo consumo de energía.
Del concepto a la producción: Etapas del Desarrollo de Productos Electrónicos Una visión general del proceso de desarrollo en electrónica
Rol del software en el prototipado electrónico - Conclusión
En esta entrega exploramos el rol que juega el software en el diseño y desarrollo de prototipos y productos electrónicos:
- El primer caso, corresponde al software como una herramienta de trabajo clave para el desarrollador de hardware.
- El segundo, corresponde a los conocimientos que el desarrollador debe adquirir y las habilidades que debe ganar, para construir el firmware de un producto confiable en su funcionalidad y seguridad.
- Y el tercero, refleja la necesidad de contar con equipos interdisciplinarios con habilidades en hardware y software (web y móvil principalmente), para el desarrollo de nuevas soluciones interconectadas.
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