3. Elementy projektu IoT

Ważnym etapem projektów IoT jest przegląd i wybór wszystkich potrzebnych komponentów. Wybór elementów dla sygnałów analogowych i mieszanych, przetworników ADC i DAC, czujników i układów wykonawczych, układów MEMS oraz modułów radiowych ma kluczowe znaczenia dla funkcjonalności i kosztów produktu (rys. 4). Produkty IoT wykorzystują miniaturowe komponenty zewnętrzne, takie jak diody LED, wyświetlacze i kamery, mikrofony i głośniki. Typowo spotykane są też elementy interfejsu fizycznego, takie jak przyciski i przełączniki, czujniki dotykowe i porty ładowania.

Rys. 4. Typowe komponenty projektu IoT (termostat Nest)

Urządzenia IoT mogą też zawierać czujniki zbliżeniowe, czytniki linii papilarnych, detektory nacisku i odkształcenia. Urządzenia interfejsu użytkownika (HID), takie jak smartfony i kompaktowe urządzenia ubieralne, są zasilane z baterii ładowanej przewodowo lub bezprzewodowo, zatem wymagają niskiego zużycia mocy. Z kolei inne urządzenia IoT, tradycyjnie pozbawione zaawansowanej elektroniki (dzwonki do drzwi czy termostaty) wykorzystują dostępną moc sieci elektrycznej.

4. Tworzenie schematu projektu urządzenia IoT

Gdy wszystkie komponenty urządzenia IoT zostały wybrane, kolejnym krokiem jest określenie połączeń między nimi na schemacie projektu. Aby zapewnić wydajność i produktywność, program do tworzenia schematów powinien obsługiwać także wybór komponentów, aby zapanować nad ich parametrami i kosztami. Bezpośredni dostęp do analizy obwodów analogowych i mieszanych z poziomu programu do tworzenia schematów (rys. 5) jest istotny w celu zapewnienia wymaganych parametrów fizycznych projektu i integralności sygnałowej.

Rys. 5. W pełni zintegrowane środowisko projektowe do tworzenia schematów

5. Symulacja i testy, pamięć i zużycie mocy w projektach IoT

Projekty IoT zawierają układy analogowe i mieszane (AMS). Ich wysoką wydajność można osiągnąć przez symulację AMS z wykorzystaniem modeli oraz analizę wyników w fazie tworzenie projektu (rys. 6). Wyznaczenie punktu pracy, analiza w domenie czasu i częstotliwości, a także analiza parametryczna, czułościowa, symulacja Monte Carlo oraz badanie najgorszych przypadków, weryfikacja behawioralna, analiza możliwych scenariuszy i optymalizacja komponentów obwodów AMS pozwalają uzyskać pewność, że projekt IoT działa zgodnie z założeniami, uzyskuje wymagane parametry i zapewnia niezawodność.

Rys. 6. Środowisko do symulacji i analizy sygnałów analogowych oraz mieszanych

Projekty IoT są szczególne, ponieważ typowo pracują w kilku różnych trybach – np. oczekiwania, transmisji i odbioru, aktywnego przetwarzania informacji z czujników, ładowania baterii i innych. Z tego powodu musi zostać określona specyfikacja funkcjonalna każdego trybu oraz przejść między trybami, która następnie zostanie poddana weryfikacji. Przykładowo, symulacja na poziomie tranzystorów jest konieczna, aby określić, czy wbudowany przetwornik ADC pracuje poprawnie w zadanym zakresie temperatur. Przeprowadzenie symulacji przed generacją layoutu oraz planowanie weryfikacji po wykonaniu tego layoutu jest konieczne, aby uzyskać pewność, że projekt spełnia wszystkie wymagania funkcjonalne stawiane produktowi IoT.

Obecnie wiele najbardziej popularnych produktów IoT to małe urządzenia ubieralne. Muszą być lekkie i niewielkich rozmiarów, a także zapewniać oszczędność energii. Zużycie mocy powinno dostosowywać się do trybu pracy, aby oszczędzać baterię, a tym samym wydłużyć czas pracy między ładowaniami. Co więcej, aby zapobiec awariom i niepoprawnemu zachowaniu produktu na skutek spadku napięcia, konieczna jest analiza integralności zasilania na etapie projektowania layoutu. Nieoczekiwane lub nieprzewidywalne zachowanie obwodu może być spowodowane problemami z zasilaniem. Aby zapewnić sprawne i wydajne zasilanie układu scalonego, należy zlokalizować obszary o dużej gęstości prądu już na początku procesu projektowego.

Produkty IoT zawierają nowoczesne procesory, które wykorzystują pamięć DRAM oraz Flash.  Aby  uzyskać dokładny wgląd w zachowanie interfejsu pamięci, należy uwzględnić efekty występujące na poziomie płytki, takie jak straty linii transmisyjnych, odbicia, zmiany impedancji, wpływ przelotek, przesłuchy i interferencje międzysymbolowe, opóźnienia i wiele innych szczegółów. Są do tego potrzebne dokładne symulacje.

Możliwość precyzyjnego ograniczenia i poprowadzenia ścieżek pamięci jest kluczowa w celu przyspieszenia projektowania i testowania projektów wykorzystujących pamięci DDR. Dzięki możliwościom tworzenia layoutu PCB uwzględniającego szczegółowe ograniczenia (rys. 7) i zaawansowane prowadzenie ścieżek pamięci DDR (rys. 8) projektanci są w stanie szybko i dokładnie poprowadzić szybkie ścieżki o wysokiej przepustowości.

Rys. 7. Zaawansowane zarządzanie ograniczeniami

6. Layout płytki PCB

Projekty IoT, zwłaszcza urządzeń użytkowych, takich jak urządzenia ubieralne, muszą zmieścić się w określonej formie i wymiarach, które są zazwyczaj zdefiniowane przez narzędzia CAD do projektowania trójwymiarowych obiektów mechanicznych. Zatem cenna jest możliwość obejrzenia płytki w 3D przed poprowadzeniem ścieżek i wylaniem płaszczyzn – daje to pewność, że projekt spełni wszystkie wymagania fizyczne narzucane przez produkt. Poza konturem płytki PCB wpływ na projekt mają też inne czynniki, takie jak docelowe środowisko pracy oraz fizyczna elastyczność  urządzenia. Poniżej znajduje się lista typowych ograniczeń:

Rys. 8. Interaktywne prowadzenie ścieżek w oparciu o ograniczenia

1. 1. 1. Rozmieszczenie komponentów: Gdy schemat projektu IoT jest kompletny i do środowiska projektowego zaimportowany został kształt płytki (w tym narzucona pozycja komponentów fizycznych, otworów montażowych itp.), rozmieszczenie komponentów powinno być łatwe i szybkie. Warto dokonywać porównania między schematem a layoutem i na odwrót – to może być bardzo pomocne. Możliwość rozmieszczenia komponentów w orientacji 2D lub 3D z jednoczesnym sprawdzeniem ograniczeń projektu skraca czas projektowania i pozwala uniknąć naruszenia tych ograniczeń.
      2. Zarządzanie ograniczeniami: Zintegrowane funkcje do kontroli ograniczeń pozwalają narzucić określone ograniczenia elektryczne na różnych etapach projektu. Umożliwia to kontrolę na poziomie klas czy grup elementów, definiowanie par pinów i innych właściwości projektu. Z kolei hierarchiczne zasady ograniczające layout pozwalają na bardziej efektywne prowadzenie ścieżek. W szczególności możliwe jest zapewnienie, że ścieżki spełnią wymagania transmisji wysokiej szybkości. Można zdefiniować specjalne zasady dla tych ścieżek w celu dopasowania i zrównania długości, prowadzenia par różnicowych i stosowania innych technik optymalizacji.
      3. Layout 2D i 3D: Podczas projektowania produktu IoT narzucającego ścisłe ograniczenia na wymiary i proces montażu bardzo cenna jest możliwość tworzenia layoutu i obserwacji projektu w szczegółowym widoku 3D. Dzięki fotorealistycznym wizualizacjom 3D używanym podczas rozmieszczania komponentów i dynamicznym sprawdzaniu reguł (DRC) można zagwarantować poprawność layoutu. Dokładne modele STEP komponentów oferują podgląd końcowego produktu, zapewniając, że rozmieszczenie i odstępy zgadzają się zadaną specyfikacją. Ponadto możliwość importowania mechanicznej obudowy produktu IoT do podglądu 3D pozwala uzyskać realistyczny obraz końcowego produktu i zagwarantować, że wszystkie elementy zmieszczą się w dostępnej przestrzeni i nie spowodują konfliktów.
      4. Sztywno-elastyczne elementy w projektach IoT: Elastyczne i sztywno-elastyczne (rigid-flex) płytki PCB (rys. 9) są  już spotykane we wszystkich typach urządzeń elektronicznych i często bywają wymagane w projektach IoT. Weryfikacja 3D pozwala zapewnić poprawną pozycję zgięć oraz sprawić, że inne elementy nie będą przeszkadzały w zginaniu. Opanowanie zgięć materiału, prowadzenie zgiętych ścieżek i wypełnienie płaszczyzn jest szczególnie ważne w tego typu projektach. Możliwość wizualizacji urządzenia IoT z elementami sztywno-elastycznymi na początku i we wszystkich fazach projektowania pozwala uniknąć kosztownych zmian. Ponadto funkcja eksportu takiego projektu jako jednorodnego modelu 3D do narzędzi MCAD zapewnia efektywną, dwustronną współpracę między projektami w domenie ECAD oraz MCAD, co pozwala uniknąć problemów podczas produkcji i montażu.
      5. Testowanie projektów IoT: Produkty IoT muszą być energooszczędne i wymagają platform testowych, które zapewniają szybką adaptację do nowych technologii. Potrzebne są testy czterech kluczowych parametrów produktów IoT: zasięgu, czasu pracy na baterii, współpracy z innymi elementami systemu oraz czasu odpowiedzi. Urządzenia wykorzystujące technologię Bluetooth będą miały dla przykładu krótszy zasięg od tych korzystających z Wi-Fi. W przypadku urządzeń IoT zasilanych z baterii ważny jest pomiar zużycia mocy urządzenia w realistycznych scenariuszach, aby zapewnić, że w będą one działały wystarczająco długo w różnych trybach pracy.
      

      Rys. 9. Płytki sztywno-elastyczne w środowisku projektowym 3D i 2D

      7. Produkcja i montaż urządzeń IoT

      Zapewnienie możliwości poprawnej produkcji i montażu powinno odbywać się na etapie projektowania produktu. Paradygmat projektowania z myślą o testach (DFT, Design for Test) pozwala uzyskać testowalność projektu dzięki samemu projektowi płytki, umożliwiając lokalizację zwarć i innych defektów powstałych w procesie produkcji. Podobnie, paradygmat DFMA (Design for Manufacturing and Assembly) oznacza analizę, która pomaga zidentyfikować problemy, takie jak odpryski warstwy rezystu i fragmenty miedzi niezabezpieczone przez maskę lutowniczą, dzięki czemu mogą być one poprawione przed rozpoczęciem produkcji.

      Zarówno dla dużych producentów elektroniki, jak i majsterkowiczów realizacja projektów IoT może być złożonym procesem i oszczędności na tym etapie mogą spowodować osiągniecie zysku bądź przekroczenie budżetu – niezależnie, czy mowa o masowej produkcji, czy serii kilku prototypów. Praca z narzędziem oferującym funkcje takie, jak analiza DFMA, panelizacja PCB czy wymiana plików ODB++ z zakładem produkcji pozwala uniknąć utrudnień, które zwiększają koszt lub obniżają uzysk – a to poprzez identyfikację problemów mogących powodować opóźnienia i kosztowne powtórzenie produkcji.

       

      Podsumowanie

      Projektowane urządzenia IoT przeznaczane są do coraz to nowych zastosowań, w tym dla przemysłu, motoryzacji, medycyny, wojska i na rynek konsumencki. Upowszechnienie się urządzeń IoT w tej dekadzie i przewidywany wzrost liczby urządzeń z funkcjami IoT wymaga szybkiego tworzenia prototypów i projektowania z myślą o produkcji masowej, aby zapewnić sukces produktu. Zatem badanie wymagań odnośnie jakości sygnału, zasilania i integralności mocy musi stać się częścią metodologii projektowania i analizy urządzeń IoT.

      Platforma Mentor PADS wspomagająca tworzenie produktów bezpośrednio adresuje wymagania technologiczne względem projektowania urządzeń IoT – dostarcza narzędzia i rozwiązania pozwalające na ich realizację. Mentor PADS umożliwia realizację projektu w krótkim terminie i wyprzedzenie konkurencji dzięki narzędziom, które rozwiązują złożone problemy metodologii projektowania urządzeń IoT – obecnie i w przyszłości. Natomiast środowisko projektowe Xpedition wspiera projektowanie urządzeń sztywno-elastycznych.