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Entender los sistemas empotrados
En pocas palabras, los sistemas embebidos se refieren a sistemas informáticos dedicados diseñados para realizar tareas específicas con limitaciones informáticas en tiempo real. Estos sistemas se encuentran en diversos aspectos de la vida cotidiana y las operaciones industriales. Están "embebidos" como parte de un dispositivo completo que incluye hardware y piezas mecánicas, de ahí el término.
Un sistema embebido puede definirse como un sistema basado en un microprocesador diseñado para cumplir una función concreta en un sistema mayor, a menudo con limitaciones informáticas en tiempo real. Abarca tanto el software como el hardware, e implica una serie de tareas de programación informática.
¿Cuáles son los ejemplos de sistemas embebidos?
Los ejemplos de sistemas embebidos están muy extendidos y se encuentran en numerosos dispositivos que utilizamos a diario. Ayudan a que los dispositivos sean más inteligentes y reactivos, mejorando su funcionalidad y rendimiento. En cada ejemplo se observan ciertas características únicas, adaptadas a la aplicación concreta.
Ejemplos cotidianos de sistemas empotrados
Desde tus alarmas matutinas hasta tus programas de televisión nocturnos, multitud de aparatos cotidianos funcionan según los principios de los sistemas empotrados. Echa un vistazo a algunos.
- Los teléfonos inteligentes son uno de los ejemplos más frecuentes. Contienen multitud de sistemas embebidos diseñados para gestionarlo todo, desde la respuesta táctil hasta la conexión a la red celular.
- Relojes digitales o rastreadores de fitness: Están integrados con sistemas incorporados para realizar funciones como contar los pasos, controlar la frecuencia cardiaca, etc.
- Los dispositivos de domótica, como los termostatos inteligentes, los sistemas de seguridad o los frigoríficos inteligentes, también contienen sistemas integrados para realizar sus funciones especializadas.
- Los televisores, reproductores de música y otros dispositivos de entretenimiento tienen sistemas integrados que descodifican los flujos de datos comprimidos y proporcionan la interfaz de usuario.
Tomemos por ejemplo el Amazon Echo Dot, un conocido dispositivo de domótica. Al "despertarlo" con una palabra concreta, puedes pedirle información o controlar tus otros dispositivos inteligentes. Toda la "inteligencia" que muestra basándose en los comandos hablados se debe a un sistema integrado. El sistema integrado dentro del Echo Dot procesa la voz, convierte las órdenes en acciones y controla otros elementos de hardware del dispositivo, como el altavoz.
Ejemplos industriales de sistemas integrados
Industrialmente, los sistemas embebidos desempeñan un papel importante en la automatización de procesos complejos y la mejora de la eficiencia. Observar los siguientes ejemplos te proporcionará una comprensión más clara de su papel vital en diversas industrias.
- Sistemas de fabricación: Las líneas de montaje, los dispositivos robóticos y los sistemas de control utilizados en las fábricas funcionan con sistemas embebidos.
- Equipos médicos: Aparatos como el ECG, la resonancia magnética y las máquinas de diálisis contienen sistemas embebidos que realizan diversas funciones sofisticadas.
- Aplicaciones aeroespaciales: Los sistemas de control de vuelo y los sistemas de navegación de los aviones, las naves espaciales y los satélites incluyen complejos sistemas integrados.
- Aplicaciones de automoción: Los vehículos modernos contienen docenas de sistemas integrados que controlan todo, desde el motor y los frenos hasta el climatizador y los sistemas de entretenimiento.
En la industria del automóvil, los sistemas antibloqueo de frenos (ABS) son un ejemplo perfecto de sistema embebido. Es un sistema de frenado antipatinaje de seguridad basado en un sistema embebido que impide que las ruedas se bloqueen (dejen de girar) y evita el derrape incontrolado al frenar. Un sensor en la rueda detecta una desaceleración rápida que indica un bloqueo inminente. El sistema integrado modula entonces la presión de frenado en esa rueda para evitar el bloqueo, permitiendo un control más seguro de la dirección al frenar.
Profundizando en los sistemas integrados
El mundo de los sistemas embebidos es muy amplio y abarca una miríada de aplicaciones en diversos ámbitos.
Tipos de sistemas empotrados con ejemplos
Los sistemas embebidos pueden clasificarse en distintos tipos en función de su funcionalidad, rendimiento y otros atributos. Los principales son autónomos, en tiempo real, en red o móviles.
Sistemas integrados autónomos
Los sistemas embebidos autónomos, como su nombre indica, funcionan de forma independiente sin necesidad de un sistema anfitrión o de soporte de red. Estos sistemas reciben entradas, procesan los datos y producen la salida deseada. Son relevantes en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos.
- Calculadoras: Probablemente el ejemplo más sencillo de sistema integrado autónomo. Toman entradas numéricas, realizan cálculos y muestran el resultado en una pantalla.
- Termostatos: Estos dispositivos toman lecturas de temperatura, las comparan con un valor establecido y controlan un sistema de calefacción o refrigeración para mantener la temperatura deseada.
- Reproductores MP3: Estos aparatos leen archivos de audio de un dispositivo de almacenamiento, descodifican los datos comprimidos y reproducen el audio resultante a través de un altavoz o de la toma de auriculares.
Sistemas integrados en tiempo real
Los sistemas embebidos en tiempo real están diseñados para realizar tareas dentro de un plazo o "fecha límite" especificada. Cualquier retraso en el procesamiento puede provocar resultados no deseados o incluso el fallo del sistema. Estos sistemas se dividen a su vez en dos tipos: Sistemas de tiempo real duro y sistemas de tiempo real blando.
Sistemas en tiempo real duro: El sistema debe completar su tarea en el plazo definido. De lo contrario, se considera un fallo del sistema. Algunos ejemplos son los sistemas de control de vuelo y los dispositivos médicos de cuidados críticos.
Sistemas en tiempo real blando: Lo ideal es que el sistema complete su tarea en el plazo establecido, pero se permiten retrasos ocasionales. Algunos ejemplos son el streaming de vídeo o los servicios VOIP.
Sistemas integrados en red
Los sistemas integrados en red, como su nombre indica, están conectados a una red, normalmente una red de área local (LAN). Dependen de la red para recibir entradas y, a veces, para enviar salidas. La pila de protocolos de red se encarga de todas las tareas de red, por lo que la programación de estos dispositivos es similar a la de los sistemas embebidos autónomos.
- Dispositivos domésticos inteligentes: Los dispositivos como las luces inteligentes, las cerraduras inteligentes o los termostatos inteligentes están conectados a la red doméstica, lo que te permite controlarlos a distancia.
- Sistemas de control industrial: Los sistemas de automatización de fábricas suelen utilizar sistemas integrados en red para tomar lecturas de varios sensores de la planta y, a continuación, controlar varios actuadores basándose en esos datos.
Sistemas embebidos móviles
Los sistemas embebidos móviles están diseñados para dispositivos portátiles y de mano. Entre las características de estos sistemas se incluyen el bajo consumo de energía, el tamaño reducido y la robustez para un funcionamiento fiable.
- Teléfonos inteligentes y tabletas: Estos dispositivos incluyen numerosos sistemas embebidos para gestionar sus interfaces y sistemas de comunicación. Están diseñados para ser compactos y eficientes energéticamente.
- Rastreadores de fitness portátiles: Realizan un seguimiento de diversos parámetros de salud y emiten alertas a intervalos especificados. Deben ser pequeños y consumir un mínimo de energía para permitir un uso continuo.
Por ejemplo, el monitor de frecuencia cardiaca de los rastreadores de fitness utiliza un sistema integrado en tiempo real que funciona iluminando la piel con un LED y midiendo después la cantidad de luz absorbida por la sangre que fluye bajo la piel. Las fluctuaciones en la absorción de la luz indican los latidos del corazón. A continuación, estos datos se procesan y se envían a un dispositivo móvil a través de un sistema integrado en red para mostrar las lecturas y las alertas.
La evolución de los sistemas integrados
Los sistemas integrados han recorrido un largo camino desde su creación. La evolución abarca desde sistemas básicos independientes hasta máquinas multitarea de gran complejidad que sustentan el Internet de las Cosas (IoT). La historia de estos sistemas está marcada por hitos significativos y cambios transformadores.
Ejemplos históricos de sistemas embebidos
Si te adentras en el pasado, encontrarás algunos ejemplos tempranos pero impresionantes de sistemas embebidos. Cada uno de ellos sirvió como paso previo a los sofisticados sistemas que encuentras hoy en día. Para comprender su evolución, es útil considerar una breve historia de los sistemas embebidos.
Los albores de los sistemas embebidos
Las raíces de los sistemas embebidos se remontan a mediados del siglo XX. Podría decirse que el primer sistema embebido reconocible fue el Ordenador de Guiado Apolo (AGC) desarrollado por la NASA para las misiones Apolo a la Luna en los años 60.
El AGC era un ordenador multitarea en tiempo real que cabía en una pequeña caja (aproximadamente un pie cúbico) y pesaba poco más de 30 kilos. Su misión consistía en realizar todos los cálculos de navegación y controlar la nave espacial. Los cálculos precisos en tiempo real eran esenciales para el aterrizaje con éxito del módulo lunar en la superficie de la Luna.
Las ecuaciones de guiado del AGC constituyeron un hito en la programación de sistemas integrados. En términos matemáticos, estas ecuaciones podían representar un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, como las siguientes
\[ \frac{{dx}}{{dt}} = f(x,u) \]donde \( x \) es el vector de estado de la nave espacial, \( u \) constituye las entradas de control, y \( f \) es la función del sistema que caracteriza el comportamiento dinámico de la nave espacial. El AGC calcularía rápidamente soluciones precisas de estas ecuaciones, garantizando un alunizaje seguro.
El AGC se diseñó utilizando miles de puertas lógicas implementadas con circuitos integrados, lo que lo convirtió en uno de los primeros diseños integrados a gran escala (LSI). Este enfoque revolucionó la ingeniería informática y allanó el camino para los ordenadores personales y los modernos sistemas integrados.
Sistemas integrados en la era digital
El auge de los microprocesadores a finales del siglo XX tuvo un gran impacto en los sistemas embebidos. A medida que la potencia de procesamiento se hizo más disponible y asequible, empezaron a surgir nuevos horizontes para los sistemas empotrados, que iniciaron la transición a la era digital.
El primer sistema embebido controlado por microprocesador fue el Autonetics D-17B, un componente del misil balístico intercontinental Minuteman II que se desarrolló a mediados de la década de 1960. Utilizaba más de 3000 circuitos integrados y no tenía sistema operativo: el software se ejecutaba directamente en el hardware.
El siguiente gran salto en el ámbito de los sistemas integrados fue la aparición del microprocesador Intel 4004 en 1971. El Intel 4004 era un microprocesador de 4 bits diseñado para una calculadora, pero acabó revolucionando la forma de diseñar los circuitos digitales al integrar el procesador, la memoria y los controles de entrada/salida en un solo chip.
El Intel 4004 allanó el camino al microcontrolador, un único circuito integrado con procesador, memoria y periféricos de entrada/salida. Por ejemplo, el microcontrolador ATmega328, utilizado habitualmente en la placa de desarrollo Arduino Uno, incorpora un procesador que funciona a 16 MHz, 32 KB de memoria flash, 2 KB de SRAM y diversos pines de entrada/salida digitales y analógicos.
Hoy en día, gracias a los avances en tecnologías de hardware y metodologías de software, los sistemas embebidos están por todas partes, desde dispositivos domésticos inteligentes y gadgets portátiles hasta sistemas de automatización industrial y aplicaciones aeroespaciales, acercando al mundo a la realización del Internet de las Cosas.
Explorando los sistemas embebidos en tiempo real
Los sistemas embebidos en tiempo real desempeñan un papel crucial en nuestra vida cotidiana. Estos sistemas se distinguen por su capacidad de responder a eventos o entradas dentro de un plazo estricto, lo que los hace vitales en aplicaciones en las que la puntualidad es un factor crítico.
Ejemplo de sistema integrado en tiempo real
Si observamos el panorama más amplio de los sistemas embebidos en tiempo real, los encontraremos en sectores que van desde el transporte a la sanidad, y más allá. La característica compartida entre todos estos sistemas es su necesidad de proporcionar respuestas a tiempo como parte de su funcionamiento.
Un sistema embebido en tiempo real es un tipo especial de sistema que responde a los cambios de su entorno dentro de un periodo de tiempo estricto y especificado. Esencialmente, las respuestas del sistema deben ser predecibles y oportunas para evitar errores y garantizar un rendimiento óptimo.
Para comprender mejor el concepto, considera el sistema antibloqueo de frenos (ABS) de un coche moderno. Es un ejemplo perfecto de sistema embebido en tiempo real. El ABS controla la velocidad de rotación de cada rueda durante el frenado. Cuando detecta que una o varias ruedas están a punto de bloquearse, modula automáticamente la presión de frenado en esa rueda o ruedas.
siVelocidadRueda < umbral reducirPresiónFreno(rueda) si no mantenerPresiónFreno(rueda)
Este código, aunque simplista, demuestra la base de una función ABS. Aun así, en la práctica, el sistema implica funciones más complejas, como los controles de dinámica del vehículo y los sistemas de control de tracción.
Sistemas integrados en tiempo real en el transporte
Los sistemas de transporte implican diversos componentes en tiempo real destinados a mejorar la seguridad, la eficacia y la comodidad.
- Sistemas de aviones: La aviónica de un avión incorpora múltiples sistemas en tiempo real. Entre ellos se incluye el sistema de control de vuelo, que debe responder inmediatamente a las entradas del piloto o a las señales de control automático para garantizar el vuelo estable del avión.
- Controladores de semáforos: Estos sistemas deben encender las luces a intervalos predefinidos, pero también pueden tener que responder a vehículos de emergencia o a la detección de averías en tiempo real.
- Sistemas de navegación: Los dispositivos como los receptores GPS reciben datos en tiempo real sobre las posiciones de los satélites y deben calcular y mostrar la ubicación del dispositivo en tiempo real.
Los sistemas embebidos en tiempo real en el transporte suelen entrar en la categoría de "tiempo real duro", en la que un retraso en la respuesta del sistema podría provocar resultados catastróficos, como accidentes en el caso de los sistemas de transporte.
Sistemas empotrados en tiempo real en la sanidad
En el sector sanitario, hay varios sistemas embebidos en tiempo real que se utilizan para automatizar procedimientos médicos complejos y controlar la salud de los pacientes.
- Sistemas de imágenes médicas: Dispositivos como los escáneres de TC, las máquinas de RM y los aparatos de ultrasonidos utilizan sistemas en tiempo real para procesar y mostrar imágenes rápidamente durante las exploraciones.
- Sistemas de Monitorización de Pacientes: Estos sistemas controlan continuamente parámetros vitales como la frecuencia cardiaca, la tensión arterial y el nivel de oxígeno, y proporcionan datos en tiempo real a los profesionales médicos.
- Dispositivos de asistencia: Los dispositivos como los audífonos y los marcapasos también son sistemas integrados que funcionan en tiempo real, ajustando continuamente su funcionamiento según las necesidades del paciente.
Los hospitales también emplean sistemas de localización en tiempo real (RTLS) para hacer un seguimiento en tiempo real de los equipos médicos, el personal y los pacientes. Por ejemplo, la posición prevista de un dispositivo médico móvil puede ser calculada por un sistema integrado en tiempo real utilizando una fórmula derivada de las leyes de la física, como por ejemplo
\[ x = x_0 + v_0t + \frac{1}{2} a t^2 \]donde \(x\) es la posición actual, \(x_0) es la posición inicial, \(v_0\) es la velocidad inicial, \(a\) es la aceleración, y \(t\) es el tiempo transcurrido. Esto ayuda a mejorar la gestión de los recursos y la atención al paciente.
La versatilidad de los sistemas integrados
Los sistemas embebidos, sin duda, ocupan un lugar importante en la tecnología debido a su versatilidad y amplia base de aplicaciones. Desde electrodomésticos y electrónica de consumo hasta equipos industriales, dispositivos médicos y sistemas de automoción, los ejemplos de sistemas embebidos están por todas partes.
Comparación de varios ejemplos de sistemas empotrados
Al considerar ejemplos de sistemas integrados, es importante comprender que pueden ser muy diferentes entre sí, dependiendo de su funcionalidad, complejidad y filosofías de diseño. Algunos están diseñados para realizar una sola función, mientras que otros pueden manejar multitud de tareas. Algunos son unidades autónomas, mientras que otros forman parte de una red mayor. Examinemos más a fondo algunos ejemplos de sistemas embebidos y discernamos cómo varían.
| Ejemplo | Función | Características |
| Controlador de lavadora | Controla los distintos ciclos de una lavadora | Función simple, autónoma y dedicada |
| Termostato inteligente | Controla y ajusta las condiciones ambientales | En red, interoperable, polivalente |
| Marcapasos | Regula los latidos del corazón | En tiempo real, de seguridad crítica, alimentado por batería |
| Sistemas de sensores para automóviles | Controlan diversos parámetros del vehículo | En tiempo real, en red, conectados a otros sistemas |
Por ejemplo, el controlador de una lavadora se limita a seguir una secuencia preprogramada de operaciones. En cambio, un termostato inteligente no sólo supervisa y controla la temperatura, sino que también aprende tu comportamiento a lo largo del tiempo, ajusta la configuración en función de las condiciones meteorológicas exteriores y permite el control remoto a través de una red. Esto muestra la diferencia de complejidad, ya que el controlador de la lavadora es un sistema integrado básico y el termostato inteligente representa un sistema integrado más avanzado, conectado en red y multifuncional.
Ventajas y limitaciones de los distintos sistemas integrados
Los sistemas integrados específicos pueden ofrecer ventajas únicas en función de la complejidad y funcionalidad que posean. Antes de profundizar en ello, merece la pena señalar que todos los sistemas embebidos comparten algunas ventajas comunes, como la eficiencia, la fiabilidad y el rendimiento. Por su diseño, los sistemas embebidos están optimizados para sus tareas específicas, lo que conduce a un uso eficiente de los recursos, un funcionamiento fiable y un rendimiento óptimo.
Sin embargo, la diversidad del panorama de los sistemas embebidos implica que no todos los sistemas serán adecuados para todos los fines. Dependiendo del diseño y la finalidad, estos sistemas también presentan limitaciones. Puede haber variaciones en aspectos como la capacidad de cálculo, la flexibilidad, la capacidad de actualización, la interoperabilidad y el coste. Y aunque no se consideren defectos rotundos, pueden limitar la aplicabilidad de un sistema en determinadas situaciones.
Por ejemplo, un controlador de lavadora es rentable y eficaz en su trabajo, pero su capacidad de cálculo es limitada y no puede reutilizarse para otras tareas. Por otra parte, un termostato inteligente proporciona mucha flexibilidad e interoperabilidad, pero es más caro y requiere una infraestructura de apoyo como una red Wi-Fi y un dispositivo inteligente para la interfaz de usuario. Del mismo modo, un marcapasos proporciona una funcionalidad vital, que requiere los más altos niveles de fiabilidad, pero se enfrenta a limitaciones en cuanto a su tamaño, consumo de energía y necesidad de biocompatibilidad.
Cómo elegir el sistema integrado adecuado a tus necesidades
Comprender la diversidad de los sistemas embebidos, sus ventajas, limitaciones y los entornos que los necesitan es un precursor necesario para seleccionar el sistema embebido adecuado. Lo "correcto" se deriva de la adecuación entre las capacidades del sistema y los requisitos del caso de uso. Sigue estas directrices:
- Identifica las funcionalidades básicas que debe proporcionar el sistema embebido.
- Decide los requisitos de tiempo real. ¿Necesita el sistema responder inmediatamente a un evento, o hay cierta flexibilidad en este aspecto?
- Piensa en la eficiencia energética. ¿El sistema funciona con pilas? ¿Es el consumo de energía una preocupación importante?
- Considera los requisitos de interoperabilidad. ¿Necesita el sistema conectarse con otros sistemas o redes?
- Estima un coste razonable para el sistema, manteniendo el equilibrio adecuado con otros parámetros de diseño.
En todos los casos, estos factores deben guiar la elección que hagas, garantizando que la especificación del sistema se ajuste a tus necesidades. Caracterizando cuidadosamente tu dominio del problema y actuando con la debida diligencia al considerar las opciones disponibles, puedes asegurarte de que el sistema embebido elegido resulte ser un acierto técnico.
Ejemplos de sistemas embebidos - Puntos clave
- Un sistema embebido es un sistema informático con una función específica que se integra en otros sistemas físicos o eléctricos.
- Hay múltiples tipos de sistemas embebidos, como los autónomos (por ejemplo, calculadoras, termostatos, reproductores MP3), los de tiempo real (duros y blandos), los conectados en red (por ejemplo, dispositivos domésticos inteligentes, sistemas de control industrial) y los móviles (por ejemplo, teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos de seguimiento de la forma física para llevar puestos).
- Algunos ejemplos de sistemas embebidos en tiempo real son los sistemas antibloqueo de frenos (ABS) de los vehículos y los dispositivos médicos de cuidados críticos.
- Algunos ejemplos históricos de sistemas integrados son el Ordenador de Guiado Apollo (AGC), el Autonetics D-17B y el microprocesador Intel 4004.
- Los sistemas embebidos son frecuentes en el transporte (por ejemplo, sistemas de aeronaves, controladores de semáforos, sistemas de navegación) y en la atención sanitaria (por ejemplo, sistemas de imágenes médicas, sistemas de monitorización de pacientes, dispositivos de asistencia).
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