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TEMA 1: Visión general del desarrollo de hardware
1. Introducción al hardware
El hardware es la parte tangible de un sistema informático. Es importante destacar que hardware y software son indisolubles. El desarrollo de hardware y software conjuntos se atribuye a la Ingeniería de Computadores.
Paradigma del hardware: smartphones
El componente principal de un smartphone es la PCB (Printed Circuit Board). A su vez, el componente principal de la PCB es el SoC (System on Chip). El SoC habitualmente integra núcleos de CPU y GPU, RAM, ROM, drivers USB, tecnología inalámbrica, etc.
Modelo de fabricación de un smartphone
- Empresa diseñadora/comercializadora: diseño final, componentes principales, ensamblaje, venta.
- Empresa proveedora de SoCs y demás componentes: diseñan los circuitos integrados y los comercializan. Pueden ser foundry o fabless.
- Empresa diseñadora de IPs: diseñan los componentes que conforman un IC.
- Empresa fabricante de ICs: fabrican los ICs diseñados para ellos y otros o exclusivamente para otros (para las fabless generalmente).
2. Plataformas SoC principales
Un SoC incluye gran cantidad de componentes. Lo importante no es sólo diseñar el hardware, sino también el software. El software de un SoC consiste en el kernel de un SO que pueda ejecutarse en el/las CPU/s; y los drivers de cada uno de los periféricos. Se suelen diseñar a partir de IP Cores.
IP Cores: Intellectual Property Cores
Componentes o celdas lógicas reutilizables en múltiples diseños. Se pueden usar dentro de ASIC o de FPGA. Se pueden dividir en varios tipos según:
Implementación
- Soft Cores: componentes implementados a nivel RTL, normalmente en lenguajes de descripción de hardware. También se pueden ofrecer en diseño a nivel de puertas lógicas.
- Hard Cores: implementación del core a nivel de transistores.
Licencia de uso
- Propietarias: requieren de una licencia comercial para su uso (legal). Por ejemplo: ARM.
- Abiertas: equivale al OSS. Por ejemplo: RISC-V.
3. Plataformas PCB de desarrollo de hardware
El diseño final consiste en interconectar todos los componentes necesarios, SoC, memorias, etc, entre sí en una PCB. Surge la necesidad de tener PCB para desarrollo a nivel de prototipado. Estas PCB pueden ser microcontrolador, SoC o FPGA y pueden tener los periféricos más habituales ya integrados. El conjunto de la PCB de desarrollo y sus herramientas software forman el kit de desarrollo. Se pueden clasificar en tres tipos:
SBM: Single Board Microcontroller
Hay un gran número por el bajo coste que conlleva fabricar PCB y microcontroladores.
STM32 MCU Discovery Kits
Desarrolladas por STM. Son microcontroladores de 32 bits de arquitectura ARM Cortex.
Texas Instruments
Desarrolladas por TI. Incorporan microcontroladores de la familia msp430 o ARM Cortex. Disponen de una especie de placas de expansión llamadas booster packs.
ESPRESSIF
Plataformas desarrolladas por ESPRESSIF que incorporan algún microcontrolador diseñado como empresa fabless por ellos mismos.
Wiring
De esta plataforma deriva arduino.
Arduino
Plataforma hardware de desarrollo abierta, basada principalmente en AVR 8 y ARM Cortex. Tienen placas de expansión llamadas shields.
SBC: Single Board Computer
En el diseño de sistemas empotrados en general se han venido empleando plataformas basadas en microcontroladores. Sin embargo, la evolución tecnológica ha permitido tener microprocesadores de alta capacidad (32/64 bits) y memorias grandes. Se les denomina: Single-Board Computers.
FPGA
Field Programmable Gate Array. Son básicamente arrays de puertas lógicas programables.
TEMA 2: Proyecto MySensors
1. Introducción a IoT
El IoT (Internet of Things) es la aplicación de la tecnología para interconectar mediante internet varias cosas que hace años no tenían conexión a internet. Existen varios entornos para aplicaciones IoT, como pueden ser el cuerpo humano, el hogar, las oficinas de trabajo, las fábricas, etc.
Arquitectura de sistemas IoT
Un sistema IoT se compone de las cosas (things) que proporcionan datos a través de sensores, las redes por las que se transfieren dichos datos y un procesamiento de ellos en un controlador para su posterior uso.
Redes para conexiones IoT
- WPAN: Wireless Personal Area Network
- WLAN: Wireless Local Area Network
- WMAN: Wireless Metropoly Area Network
- WWAN: Worldwide Wireless Area Network Se clasifican según dos características principales: rango de cobertura y consumo de potencia. Hay varias redes muy usadas para corto rango en aplicaciones IoT:
- Bluetooth (Standard y LE)
- Zigbee
- RFID
- RF4CE
- NRF24
- Thread
- WiFi También hay de largo alcance:
- LP-WAN: Low Power WAN
- Espectro sin licencia:
- LORAWAN
- SIGFOX
- Espectro con licencia:
- LTE-M
- NB-IoT
- Espectro sin licencia:
2. Proyecto MySensors
Proyecto OSH/S (Open Source Hardware/Software) enfocado al IoT DIY (Do-It-Yourself). MySensors es una red de sensores y actuadores que se intercomunican entre sí y también a través de un gateway con algún controlador. Su arquitectura es la siguiente:
- Nodos sensores/actuadores: leen información del sensor y tratan de transmitirla al gateway o reciben órdenes del controlador hacia el actuador.
- Nodos repetidores: si un nodo sensor está fuera del alcance del gateway, se comunica con este a través de un repetidor.
- Gateway: recibe los datos de los sensores y los pasa al controlador.
Protocolo de comunicación
<node-id>;<child-sensor-id>;<command>;<ack>;<type>;<payload>
TEMA 3: Diseño y fabricación de PCBs
1. ¿Qué es una PCB?
PCB: Printed Circuit Board
#### Double-sided sin PTH
La circuitería de ambas caras se realiza o bien soldando en ambas caras o bien con cables a través de agujeros o con algún tipo de ojales (eyelets). Se aconseja minimizar el número de componentes soldados a ambas caras para facilitar el cambio y por la dificultad que supone soldar en la cara de componentes.
#### Double-sided con PTH
La circuitería de ambas caras se interconecta con la metalización de las paredes de los agujeros metalizados que atraviesan el substrato. Es la más utilizada cuando el circuito es complejo.
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### Multi-layer PCB
Los circuitos **VLSI (Very Large Scale Integration)** han aumentado drásticamente la densidad de empaquetado y pistas debido al gran número de pines I/O de algunos chips. Surgen, por tanto, nuevos problemas como el ruido, cross-talk, capacidades parásitas, caídas de tensión, etc. Se emplean láminas de substrato más finas junto con capas de material aislante conocido como **pre-preg (láminas de fibras pre-impregnadas)**. Se usa PTH para interconexión entre capas.
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### Otros tipos de PCB
#### Flexibles
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#### HDI (High-Density Interconnect)
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#### IC substrate
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## 3. Proceso de implementación en PCB
### 1. Diseño
En esta fase se crea el layout de la PCB mediante la herramienta software adecuada. Se empieza con el esquemático del circuito.
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Seguidamente, la herramienta genera el layout con las footprints de los componentes y las pistas entre estos.
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Hay varios procesos en la fase de diseño:
- **Creación de librerías de componentes:** antes de realizar un esquemático y posterior layout, es necesario asegurarse de tener todos los símbolos (esquemático) y huellas (footprints) de los componentes a usar.
- **Diseño del esquemático:** se realiza el diseño del esquemático. La mayoría de herramientas permite realizar un **ERC (Electrical Rules Check)** para detectar posibles errores.
- **Diseño del layout:** a partir del esquemático, las herramientas generan un primer layout que habrá que modificar para colocar los componentes en la posición deseada así como enrutar las pistas entre estos. Las herramientas suelen incorporar un **DRC (Design Rule Check)**.
- **Generación de GERBERS:** los archivos GERBER indican la información geométrica de la placa:
- Gerber de la solder side
- Gerber de la component side
- Gerber de los taladros usados
- Gerber de los agujeros (drills)
- Gerber de la dimensión de la PCB
- ...
### 2. Fabricación
Se fabrica la PCB en el substrato. El substrato debe de tener diferentes características:
- Mecánicas: rígidos para mantener los componentes, fáciles de taladrar, suficientemente gruesas (entre 0.8mm y 3.2mm pero típico de 1.6mm).
- Químicas: metalizado de los taladros, retardante de las llamas (FR), no absorber demasiada humedad
- Térmicas: disipar el calor, capaz de soportar el calor al soldar
- Eléctricas: constante dieléctrica baja para tener pocas pérdidas a altas frecuencias, punto de ruptura dieléctrica alto
#### Traslado del patrón de circuito al substrato
**Impresión serigráfica**
Se utilizan tintas especiales resistentes al grabado para marcar el patrón en la capa de cobre. La pintura se puede aplicar con plantillas o un plotter específico para PCBs. Posteriormente se elimina el cobre sobrante no cubierto por la tinta con químicos. También se puede imprimir con tinta conductora usando máquinas como las Voltera.
Fotograbado Usa una transparencia del patrón en negativo para transferirlo a la placa con UV. Requiere placas fotosensibles (el cobre cubierto con resina fotosensible) para que cuando se transfiera, en las zonas que dejen pasar la luz, la resina reaccione.
Por revelado La resina desaparecerá de la placa menos en las zonas del patrón aplicado. Posteriormente se elimina el cobre sin resina con químicos.
Insoladora Caja que dispone de varios tubos fluorescentes de luz UV separados de la superficie por un cristal esmerilado.
Fresado Una máquina tipo plotter hace un "dibujo" sobre la placa empleando fresas que eliminan el cobre de la misma.
Impresión en material termosensible Se imprime el diseño del circuito sobre un papel fotográfico y luego aplicando calor se transfiere a la placa. El cobre no cubierto se elimina con químicos.
Metalización o pasta de soldadura
STENCIL: es la mascara que se superpone a la placa dejando al descubierto los pads/vías que deben metalizarse. Suelen estar hechos de acero inoxidable o níquel.
Máscara de soldadura
Para proteger el cobre de la oxidación del aire, se recubre la PCB con un material aislante y no oxidante, dejando al descubierto zonas de soldadura solamente. Le da el color característico a las PCB.
Silkscreen
Capa sobre la máscara de soldadura con tinta no conductora para imprimir texto o información de los componentes sobre la placa.
3. Ensamblaje
Se montan los componentes en la PCB (ya sean THT o SMD) y se sueldan (con soldadura blanda <450ºC o dura >450ºC para plata, oro o acero).
Soldadura
Durante la soldadura, se dice que el metal de soldadura "moja al otro metal" (wetted-metal), es decir, se adhiere bien al calentarse. En la unión Cu-Sn se forman capas cristalinas cuya resistencia depende de la temperatura y tiempo de calentado (espesor ideal 0.5µm). Las variables claves de la soldadura son la temperatura, el tiempo, la limpieza, el tipo de flux y la aleación.
Uso de flux
Es como un detergente metálico; limpia óxidos y baja la tensión superficial, ayudando al Sn a extenderse bien.