技術(shù)資訊 I 全面講解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計技巧和方法

耀創(chuàng)深圳

本文要點

了解不同的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和應(yīng)用

了解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的基本組成部分

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的混合信號、無線及低功耗設(shè)計技巧

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是一個由數(shù)十億臺設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備收集、處理和提供信息，旨在提高我們的生活質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備目前包括個人可穿戴設(shè)備、工業(yè)機械、醫(yī)療器械等。單個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備融合了射頻通信、混合信號功能和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，同時最大限度地降低了功耗。因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中需要考慮很多因素，以確保設(shè)備的可靠性和高效性。

在本文中，我們將詳細介紹物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的不同要素—物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本組成部分、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、低功耗設(shè)計、混合信號設(shè)計，以及如何將 SPICE 納入設(shè)計流程。


智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計對于加強新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)很有必要


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物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用于多個行業(yè)，從消費電子產(chǎn)品到醫(yī)療器械。其中的一項應(yīng)用是 RFID（radio field identification，無線射頻識別）。有了 RFID，企業(yè)就能跟蹤帶有 RFID 標(biāo)簽的物品的位置，從而實施相應(yīng)的系統(tǒng)，實現(xiàn)更高效的物品跟蹤，并獲取更多信息。下面讓我們來看一看物聯(lián)網(wǎng)作用日益凸顯的其他幾個行業(yè)。

商業(yè)
物聯(lián)網(wǎng)在商業(yè)的以下領(lǐng)域大有可為：

辦公環(huán)境、客戶服務(wù)和資源管理自動化。

獲取關(guān)于產(chǎn)品、服務(wù)和互動的更多數(shù)據(jù)。

用于庫存管理、跟蹤和維護的物流。

面向客戶的產(chǎn)品在需要維修時發(fā)出通知。

提高零售效率，如Nest恒溫器和智能燈泡。
制造
在工業(yè)和制造業(yè)中，通過使用智能背心、智能頭盔、智能眼鏡和其他可收集健康、位置、環(huán)境和生產(chǎn)率數(shù)據(jù)的設(shè)備，工廠、面粉廠和煉油廠的工作環(huán)境都會變得更加安全。這些設(shè)備連接在一起，在工廠運行期間提供信息，再結(jié)合在線分析，能有效確保工人的安全和工廠機械的平穩(wěn)運行。
體育運動與醫(yī)療保健
物聯(lián)網(wǎng)不僅對企業(yè)有價值，它還改變了體育運動。無論是業(yè)余選手還是專業(yè)運動員，都可以佩戴智能手環(huán)/手表，測量心率、體溫等生命體征。這種設(shè)備可以讓用戶更詳細地了解自己的運動表現(xiàn)和對刺激的反應(yīng)。

監(jiān)測人體基本數(shù)據(jù)的健康相關(guān)產(chǎn)品也改變了醫(yī)療保健和生物技術(shù)行業(yè)。跟蹤藥物使用情況的智能吸入器或溶于胃中的可食用傳感器等設(shè)備可以在體外進行通信，為醫(yī)護人員提供更多數(shù)據(jù)，幫助他們做出更明智的決定。

醫(yī)療器械物聯(lián)網(wǎng)是增長最快的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一


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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計：基本組成部分

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心包括幾個關(guān)鍵組件：傳感器、無線連接模塊和電源管理模塊。要想成功設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，需要解決的主要挑戰(zhàn)是如何讓這些組件順利協(xié)同運行。

傳感器
首先，傳感器主要用于收集來自外部世界的數(shù)據(jù)。例如，測量溫度、壓力、濕度的傳感器，以及紅外線、攝像頭和 RFID 標(biāo)簽傳感器。在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，不僅要考慮設(shè)備本身能利用哪些現(xiàn)實世界的信息，還要注意的是，這些設(shè)備還會與其他服務(wù)器、設(shè)備和節(jié)點通信。請繼續(xù)閱讀本文，了解選擇傳感器的技巧，包括設(shè)計注意事項和具體應(yīng)用。
無線連接模塊
其次，無線連接模塊在實現(xiàn)外部通信方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。常見的通信方式包括藍牙、Zigbee、WiFi 和 NFC。如需直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，可考慮使用 GSM/ LTE 或 WiFi。這些技術(shù)的連接時間、范圍和功耗各不相同。例如，一些 NFC 設(shè)備可以通過無線供電與收發(fā)器進行通信，而支持 WiFi 的設(shè)備則需要始終接通電源。
電源調(diào)節(jié)模塊
最后，電源調(diào)節(jié)模塊對確保設(shè)備的便攜性和通信能力極為關(guān)鍵。如果設(shè)備采用電池供電，那么在設(shè)計時就必須考慮到電源效率。為了盡可能延長設(shè)備的運行時間，最好使用低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器。在設(shè)計電路時，應(yīng)考慮只為相關(guān)的子電路供電。

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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計要點

衡量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計成功與否的真正標(biāo)準(zhǔn)是將前面討論過的這些技術(shù)整合到單個緊湊的設(shè)備中。該設(shè)備應(yīng)具有成本效益，甚至可能需要具備額外的數(shù)字信號處理、自然用戶界面處理、控制操作或模擬傳感功能。


物聯(lián)網(wǎng)電路板將多種不同技術(shù)整合到一個緊湊的設(shè)計中

在市場需求的推動下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能、能效、續(xù)航能力在不斷提升，而體積也在縮小。一臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中可能包含 CPU、內(nèi)存、顯卡、處理元件和無線電路。為了盡可能縮小設(shè)備尺寸，可以將其中的許多元件集成到單個系統(tǒng)級芯片 (SoC) 中，但并非所有元件都能如此。

由于需要節(jié)省空間，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵區(qū)別在于將整個產(chǎn)品或電路板設(shè)計成一個整體，而不是像過去那樣設(shè)計成許多較小的單個電路板。這就需要與機械設(shè)計師密切合作，確保將信號完整性、熱管理和尺寸都考慮在內(nèi)。

在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)時，需要注意的一點是傳感器和集成電路的發(fā)展日新月異。產(chǎn)品上使用的芯片可能會很快過時，更新?lián)Q代的速度超乎我們的預(yù)想。因此，最好將整個設(shè)計劃分成一個個子電路，這樣就能采用系統(tǒng)化的方法，也便于后續(xù)更新電路上的元件。在設(shè)計時，要考慮到每個子電路的輸入和輸出，以及如何將它們集成到更大的整個設(shè)備中。


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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的重要標(biāo)準(zhǔn)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三個不同的層：

設(shè)備層，包含收集數(shù)據(jù)的傳感器和執(zhí)行器。

邊緣層，包含數(shù)據(jù)處理元件，用于數(shù)據(jù)過濾、聚合和預(yù)處理。

云端層，連接到移動應(yīng)用程序或網(wǎng)頁應(yīng)用程序，進行最終處理。
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確保電路板上的各種器件符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備并不是憑空存在的，在物聯(lián)網(wǎng)中尤其如此。它們必須發(fā)揮功能、進行通信并與其他系統(tǒng)集成。在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，要考慮如何將其融入整體架構(gòu)。為此，最佳方法是采用并遵循某種標(biāo)準(zhǔn)。可以考慮采用單一標(biāo)準(zhǔn)，如 IEEE 243，并在設(shè)計設(shè)備時遵循這一標(biāo)準(zhǔn)。為了延長設(shè)計的使用壽命，除了考慮基本功能外，還要考慮它的使用環(huán)境，尤其重要的是它將與哪些其他設(shè)備通信。

如需采用更多標(biāo)準(zhǔn)，可考慮從印刷電路協(xié)會 (IPC) 的標(biāo)準(zhǔn)入手。其他基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 解決方案包括：

接口：MIPI DSI、CSI、SLIMbus、UniPro、DigRF、BIG、D-PHY、M-PHY、M-PCIe、USB、HDMI、SDIO

存儲器：SD/eMMC、NAND、LPDDR、寬 IO

模擬 IP：AFE、A/D（傳感器、無線電）、電源監(jiān)控器、熱傳感器

系統(tǒng)/外設(shè) IP：微處理器、總線和音頻 IP 以及定時器 IP


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低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計

由于您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計很可能是針對移動應(yīng)用，因此盡量降低耗電量至關(guān)重要。與讓設(shè)備始終保持開啟狀態(tài)相反，您可以讓設(shè)備支持不同的運行模式。此外，智能電源管理也有助于延長設(shè)備的運行時間。對于移動設(shè)備，需要使用能量收集電路（通常利用感應(yīng)式無線電能傳輸）或依靠電池供電。


在開發(fā)移動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，高能效對于確保產(chǎn)品的使用壽命和可靠性至關(guān)重要

電池供電
節(jié)省電池電量的最佳方法之一是在不使用時關(guān)閉設(shè)備的部分功能。為此，應(yīng)將 PCB 劃分成若干個功能模塊，為每個功能模塊分配適當(dāng)?shù)墓�耗預(yù)算。選擇符合規(guī)格的功率調(diào)節(jié)集成電路，確保設(shè)計中的每個模塊的功耗都不超出所分配的預(yù)算。
存儲器
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲器模塊也會耗電，選擇合適的存儲器對不超出功耗預(yù)算非常重要。例如，與動態(tài)隨機存取存儲器 (DRAM) 相比，使用直接存儲器存取 (DMA) 有助于降低功耗，但會在一定程度上增加延遲，減少吞吐量。
精確計算功耗預(yù)算
應(yīng)避免因 PCB 走線過長或過孔過多而造成電能浪費。信號從一個平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪粋�平面，會在電路板上產(chǎn)生不必要的電能損耗。精確的功率預(yù)算計算和高效的電源分配網(wǎng)絡(luò)有助于延長設(shè)備的使用壽命。建議使用精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析工具，在制造和測試前準(zhǔn)確了解設(shè)備的能效。

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物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將以無線方式與外界通信，很可能是通過 WiFi、藍牙或前面提到的其他方式。因此，熟悉各種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議非常重要。

需要注意的是，政府會監(jiān)管無線電頻譜的使用，某些頻段被分配用于特定用途。WiFi 通常在 2.4 GHz 頻段上運行，NFC 在 13.56 MHz 頻段上運行，而其他射頻協(xié)議則在各自的頻段上運行。因此，可以購買符合政府和行業(yè)規(guī)定的現(xiàn)成無線模塊，并將其整合到設(shè)計中。

天線設(shè)計也非常重要—在設(shè)計 PCB 時，應(yīng)考慮天線的方向、增益和指向性，然后根據(jù)外形尺寸選擇符合需求的天線。Z-Wave 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可支持數(shù)百臺設(shè)備；例如，Sigfox 使用新的超窄帶 (UNB) 進行無線電信息交換。

噪聲
您的設(shè)備將與其他設(shè)備一起運行，這些設(shè)備會使用它們各自的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。因此，噪聲會成為一個棘手的問題。設(shè)備大部分時間都處于空閑或待機模式，傳輸和接收數(shù)據(jù)的通信時間其實很短。要熟悉處理射頻電磁干擾的方法，并將其納入設(shè)計中。



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溫度
溫度也會對通信產(chǎn)生重大影響。應(yīng)考慮設(shè)備運行時的理想溫度范圍，確保器件符合溫度要求。

小貼士
物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療器械設(shè)計注意事項
如果您正在設(shè)計一款醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，需要注意，無線信號在自由空氣中傳輸與在人體內(nèi)部傳輸是不同的。醫(yī)療器械植入人體后，設(shè)備的工作頻率會衰減，可能會嚴(yán)重影響續(xù)航能力，因此要有針對性地進行設(shè)計。


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混合信號設(shè)計


物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中的數(shù)據(jù)可能包括多個模擬和數(shù)字信號，因此必須盡可能減少噪聲，保持信號的完整性

您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將通過模擬傳感器從現(xiàn)實世界中收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，就可以對數(shù)據(jù)進行編碼和處理，甚至可以通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

為此，您需要一個能夠高速傳輸數(shù)據(jù)的處理器。因此，在設(shè)計布局時需要解決串?dāng)_、時鐘偏移、傳播延遲、衰減和阻抗匹配等問題。按照混合信號布局設(shè)計的經(jīng)驗，最好將模擬部分和高速數(shù)字部分分隔開，將它們安排在電路板的不同區(qū)域。

小貼士
物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療器械設(shè)計注意事項
在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，信號攜帶著重要的人體健康信息，因此如果設(shè)備讀取到錯誤的信號，后果將不堪設(shè)想。


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緊湊型設(shè)計

要將各種不同的子電路和模塊集成到一個緊湊型 PCB 中，需要采用更先進的設(shè)計技術(shù)。其中包括高密互連 (HDI)、嵌入式器件和其他緊湊型器件，如多芯片組件 (MCM) 或三維集成電路 (3D-IC)。使用多層 PCB 能使電路板的尺寸更加緊湊。


物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的 PCB 需要采用緊湊型設(shè)計，具有柔性部分和高密互連

確定好 PCB 的外形尺寸并就此達成一致。特別是要與機械工程師和產(chǎn)品設(shè)計師溝通，確保制造商有能力組裝和制造您的設(shè)計。由于 PCB 的某些部分可能容易受到機械撓曲的影響，因此器件擺放變得更加重要。這時，柔性設(shè)計可能會派上用場。


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柔性設(shè)計
您的設(shè)計還可能存在機械限制，而柔性電路板或剛?cè)峤Y(jié)合電路板可以讓這些問題迎刃而解，它們是標(biāo)準(zhǔn)剛性 PCB 的替代方案，近年來越來越受歡迎。具體來說，標(biāo)準(zhǔn)剛性 PCB 使用復(fù)雜的線束或高密互連 (HDI) 來連接傳感器，與之相比，PCB 器件、互連器件和傳感器可以放置在柔性 PCB 上。這樣可以減少互連和導(dǎo)線的數(shù)量，有助于縮小設(shè)備尺寸。

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SPICE 仿真

在設(shè)計和制造過程中，使用 SPICE 工具可以調(diào)整設(shè)計的功率和可用性。與大多數(shù)消費電子產(chǎn)品一樣，可制造性和產(chǎn)品良率是成功設(shè)計電路板的關(guān)鍵。


利用 SPICE 程序的仿真結(jié)果來預(yù)測設(shè)備的行為

利用 SPICE 仿真，您可以根據(jù)制造良率和可靠性標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定公差。SPICE 仿真還有助于跟蹤電源效率，發(fā)現(xiàn)設(shè)計漏洞，分析阻抗并確定外形尺寸限制。SPICE 庫具有易于訪問的器件參數(shù)集成和建模功能，并提供了模板，用于構(gòu)建自定義模型。

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原文由Cadence楷登PCB及封裝資源中心整理撰寫。
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