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Tanner助力物联网(IoT)设计挑战

导读: 为成功开发出连接现实世界活动与互联网的产品,物联网(IoT)设计与多个设计领域进行了紧密结合。对当今的工程师而言,每个设计领域都具有挑战性。结合所有设计领域共同创建IoT产品,可能会对设计团队带来极大的压力。

简介

为成功开发出连接现实世界活动与互联网的产品,物联网(IoT)设计与多个设计领域进行了紧密结合。对当今的工程师而言,每个设计领域都具有挑战性。结合所有设计领域共同创建IoT产品,可能会对设计团队带来极大的压力。图1展示了一款典型IoT器件及它含有的各元素。

Tanner助力物联网(IoT)设计挑战

图1:典型的IoT器件

该IoT器件包含一个与互联网连接的传感器和执行器。传感器信号以放大器或低通滤波器的形式发送到模拟信号处理设备。输出结果连接至模拟/数字(A/D)转换器,转换成数字化信号。该信号被发送至包含微控制器或微处理器的数字逻辑模块。相反地,执行器由模拟驱动器通过数字/模拟(D/A)转换器进行控制。传感器遥测信号发送以及控制信号接收,通过使用诸如WiFi、蓝牙、ZigBee之类的标准协议或定制协议的射频模块进行。射频器件将数据通过智能手机或PC传送至云端。

设计集成

这些主要IoT功能模块可以由现成的离散元器件组装而成。但是,将图1所示的元器件集成到少数独立封装设计中并非易事。

集成意味着IoT器件成本、规模、性能和功耗的改善。创建多功能芯片可以减少元件数量并改善设计集成。图2展示了两个集成的例子。一家射频芯片公司新增加了微控制器、A/D转换器和D/A转换器。另一家传感器公司则新增加了模拟信号处理和A/D转换器。

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图2:集成多功能芯片案例

IoT设计挑战

IoT设计所面临的第一个基本挑战是集成。让我们从图3假定的IoT设计进一步展开讨论。

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图3:赛车队的轮胎压力监测系统

一辆赛车的四个轮胎都嵌入了轮胎压力监测设备。监测设备将轮胎压力值发送至车载基站,后者再将数据发送到云端,便于赛车队进行监测。如果压力太低,赛车队将收到警报,指示驾驶员前往维修站。

MEMS压力传感器可以持续测量轮胎的气压。该传感器发出的模拟信号被放大,然后转变为数字信号。数字接口将这些信号发送到微控制器进行处理,后者再将数据发送至射频器件。车载基站接收来自射频器件的数据,然后将数据上传到云端。赛车队的软件可以解读数据流并提供轮胎压力读数。系统采用电池为超级电容器进行充电,而后者将为微控制器和射频器件提供电源。

轮胎压力设计为IoT设计带来了一个基本挑战:图4展示了共存于IoT器件内的四个设计领域。

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图4:四个IoT设计领域

当设计集成涉及两个或更多设计领域, IoT设计将面临更大的挑战。IoT设计要求结合这四个设计领域,尤其是在同一芯片的情况下。即使组件针对的是之后再结合的不同芯片,在版图布局和验证过程中,它们仍需要协同工作。在轮胎压力设计中,A/D和放大器属于模拟领域,数字接口和微控制器属于数字领域,射频器件属于射频领域,而压力传感器属于MEMS器件。设计团队需要先绘制混合模拟与数字、射频和MEMS的设计,进行芯片版图布局,然后执行元器件和顶层仿真。

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