技術資訊 I 全面講解物聯(lián)網(wǎng)應用的設計技巧和方法

耀創(chuàng)深圳

本文要點

了解不同的物聯(lián)網(wǎng)領域和應用

了解物聯(lián)網(wǎng)設計的基本組成部分

物聯(lián)網(wǎng)設計的混合信號、無線及低功耗設計技巧

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是一個由數(shù)十億臺設備組成的網(wǎng)絡，這些設備收集、處理和提供信息，旨在提高我們的生活質量。物聯(lián)網(wǎng)是一個快速發(fā)展的領域，物聯(lián)網(wǎng)設備目前包括個人可穿戴設備、工業(yè)機械、醫(yī)療器械等。單個物聯(lián)網(wǎng)設備融合了射頻通信、混合信號功能和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g，同時最大限度地降低了功耗。因此，物聯(lián)網(wǎng)設計中需要考慮很多因素，以確保設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)設計的不同要素—物聯(lián)網(wǎng)設備的基本組成部分、物聯(lián)網(wǎng)設計標準、低功耗設計、混合信號設計，以及如何將 SPICE 納入設計流程。


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


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物聯(lián)網(wǎng)應用

物聯(lián)網(wǎng)設備應用于多個行業(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 標簽的物品的位置，從而實施相應的系統(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)的以下領域大有可為：

辦公環(huán)境、客戶服務和資源管理自動化。

獲取關于產(chǎn)品、服務和互動的更多數(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。這些設備連接在一起，在工廠運行期間提供信息，再結合在線分析，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。

監(jiān)測人體基本數(shù)據(jù)的健康相關產(chǎn)品也改變了醫(yī)療保健和生物技術行業(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)應用之一


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物聯(lián)網(wǎng)設計：基本組成部分

物聯(lián)網(wǎng)設備的核心包括幾個關鍵組件：傳感器、無線連接模塊和電源管理模塊。要想成功設計物聯(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 標簽傳感器。在設計物聯(lián)網(wǎng)設備時，不僅要考慮設備本身能利用哪些現(xiàn)實世界的信息，還要注意的是，這些設備還會與其他服務器、設備和節(jié)點通信。請繼續(xù)閱讀本文，了解選擇傳感器的技巧，包括設計注意事項和具體應用。
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。這些技術的連接時間、范圍和功耗各不相同。例如，一些 NFC 設備可以通過無線供電與收發(fā)器進行通信，而支持 WiFi 的設備則需要始終接通電源。
電源調節(jié)模塊
最后，電源調節(jié)模塊對確保設備的便攜性和通信能力極為關鍵。如果設備采用電池供電，那么在設計時就必須考慮到電源效率。為了盡可能延長設備的運行時間，最好使用低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器。在設計電路時，應考慮只為相關的子電路供電。

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物聯(lián)網(wǎng)設計要點

衡量物聯(lián)網(wǎng)設計成功與否的真正標準是將前面討論過的這些技術整合到單個緊湊的設備中。該設備應具有成本效益，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整合到一個緊湊的設計中

在市場需求的推動下，物聯(lián)網(wǎng)設備的性能、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)設計的關鍵區(qū)別在于將整個產(chǎn)品或電路板設計成一個整體，而不是像過去那樣設計成許多較小的單個電路板。這就需要與機械設計師密切合作，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想。因此，最好將整個設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備中。


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物聯(lián)網(wǎng)設計的重要標準

物聯(lián)網(wǎng)架構可分為三個不同的層：

設備層，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、聚合和預處理。

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

設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。在設計物聯(lián)網(wǎng)設備時，要考慮如何將其融入整體架構。為此，最佳方法是采用并遵循某種標準�？梢钥紤]采用單一標準，如 IEEE 243，并在設計設備時遵循這一標準。為了延長設計的使用壽命，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備通信。

如需采用更多標準，可考慮從印刷電路協(xié)會 (IPC) 的標準入手。其他基于標準的 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 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)設備設計

由于您的物聯(lián)網(wǎng)設計很可能是針對移動應用，因此盡量降低耗電量至關重要。與讓設備始終保持開啟狀態(tài)相反，您可以讓設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備的運行時間。對于移動設備，需要使用能量收集電路（通常利用感應式無線電能傳輸）或依靠電池供電。


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

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閉設備的部分功能。為此，應將 PCB 劃分成若干個功能模塊，為每個功能模塊分配適當?shù)墓�耗預算。選擇符合規(guī)格的功率調節(jié)集成電路，確保設計中的每個模塊的功耗都不超出所分配的預算。
存儲器
物聯(lián)網(wǎng)設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。
精確計算功耗預算
應避免因 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。精確的功率預算計算和高效的電源分配網(wǎng)絡有助于延長設備的使用壽命。建議使用精確的電源網(wǎng)絡分析工具，在制造和測試前準確了解設備的能效。

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物聯(lián)網(wǎng)無線設計

物聯(lián)網(wǎng)設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，并將其整合到設計中。

天線設計也非常重要—在設計 PCB 時，應考慮天線的方向、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)絡拓撲結構可支持數(shù)百臺設備；例如，Sigfox 使用新的超窄帶 (UNB) 進行無線電信息交換。

噪聲
您的設備將與其他設備一起運行，這些設備會使用它們各自的無線通信標準。因此，噪聲會成為一個棘手的問題。設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，并將其納入設計中。



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溫度
溫度也會對通信產(chǎn)生重大影響。應考慮設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)療器械設計注意事項
如果您正在設計一款醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備，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，設備的工作頻率會衰減，可能會嚴重影響續(xù)航能力，因此要有針對性地進行設計。


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混合信號設計


物聯(lián)網(wǎng)設計中的數(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)需要轉換成數(shù)字信號。一旦轉換為數(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，在設計布局時需要解決串擾、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)療器械設計注意事項
在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應用中，信號攜帶著重要的人體健康信息，因此如果設備讀取到錯誤的信號，后果將不堪設想。


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緊湊型設計

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計技術。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)設備中使用的 PCB 需要采用緊湊型設計，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)品設計師溝通，確保制造商有能力組裝和制造您的設計。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，柔性設計可能會派上用場。


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柔性設計
您的設計還可能存在機械限制，而柔性電路板或剛柔結合電路板可以讓這些問題迎刃而解，它們是標準剛性 PCB 的替代方案，近年來越來越受歡迎。具體來說，標準剛性 PCB 使用復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線的數(shù)量，有助于縮小設備尺寸。

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SPICE 仿真

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


利用 SPICE 程序的仿真結果來預測設備的行為

利用 SPICE 仿真，您可以根據(jù)制造良率和可靠性標準來設定公差。SPICE 仿真還有助于跟蹤電源效率，發(fā)現(xiàn)設計漏洞，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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