物联网边缘智能化，催生新一代设计人员
2018-07-16 21:50:09   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

简介

新一代的设计人员已经出现，他们利用价格低廉的传感器在物联网（IoT）中构建智能系统。这些智能系统具有极为广阔的用武之地（图1）：从可穿戴设备、车辆、工作场所到陆地、海洋、天空乃至外太空。因此，这类新生代的设计人员正在充分利用先进的传感技术，为无限宽广的市场空间创造各种IoT器件。

图1：物联网的三个层次

谁是新一代的设计人员？他们结成小团队，通过在线方式合作，希望使用成本合理、易于使用的设计工具以便快速产生成果。他们的目标是花尽可能少的资金向利益相关方交付能够有效运行的器件。为了快速判断是否可行，这些团队需要进行概念验证。然后，他们利用集成工具流程迅速实施解决方案：开发硬件、嵌入式软件和独特外形的印刷电路板（PCB），如图2。这些团队利用来自供应商的IP来构建出系统，然后采用晶圆代工厂提供的多项目晶圆方案IC开发出原型。另外，他们借助低成本嵌入式软件开发工具和实时操作系统来为器件提供本地化智能。

图2：智能物联网边缘器件开发需要AMS IC、独特的PCB和嵌入式软件

IoT边缘是让创造力自由发挥的沃土。但是，这种传感器驱动的设计环境极其复杂。为将智能化、高价值器件推向IoT边缘，小团队需要广博的知识，他们的工作涉及数字、模拟、射频和MEMS领域。由于器件所在的工作环境，需考虑温度、振动、压力以及所有复杂的电子设计问题，他们需要进行多物理场分析。通过优化每一微瓦功率，这些团队将功耗降至新低。

设计团队需要绘制模拟、数字、射频和MEMS的混合设计，进行芯片版图布局，然后执行元器件和顶层仿真。嵌入式软件工程师编写并测试用于IC的程序，团队探究整个系统以便在总体产品环境中验证概念。然后，设计人员创建定制PCB，团队成员编制设计文档。Mentor Graphics为IoT边缘器件设计团队提供完整的解决方案（图3）。

图3：Mentor Graphics IoT边缘器件设计解决方案

AMS和MEMS IC设计解决方案

为成功开发出将现实世界活动对接互联网的IC器件，IoT设计与模拟、数字、射频、MEMS这几个设计领域密切相关。对今天的工程师而言，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（图4），设计团队需要发挥出全部本领。

图4：典型IoT边缘器件

一个简单的IoT边缘器件包括一个与互联网连接的传感器。传感器信号发送至模拟信号处理电路，即放大器或低通滤波器。输出结果连接至模拟/数字（A/D）转换器，转换成数字信号。该信号被送至微处理器以处理和分析数据。使用标准协议（例如WiFi®、Bluetooth®或ZigBee®）的射频模块将会发送传感器遥测信号并接收控制信号。这些数据将会通过互联网网关上传到云端。

IoT IC设计要求结合这四个设计领域，尤其是在同一芯片上的情况下。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。Tanner解决方案为IoT IC设计提供了自顶向下的设计流程，将四个设计领域结合在一起（图5）。

图5：Tanner IoT设计流程

不论是设计单芯片还是多芯片的IoT器件，团队都可以使用这个设计流程创建和仿真该器件：

• 设计绘制和仿真。S-Edit可以绘制任何给定单元的多个抽象级别的设计。每个单元可以有多个视图，例如原理图、RTL、模拟行为或SPICE，然后设计人员选择用于仿真的视图。

• 混合信号设计仿真。S-Edit创建完整的Verilog-AMS网表，然后传递给T-Spice。T-Spice自动增加模拟/数字连接模块，然后拆分设计进行仿真。T-Spice对模拟（SPICE和Verilog-A）进行仿真，然后将RTL发送至ModelSim进行数字仿真。两种仿真器均被自动调用，而在仿真期间，只要模拟/数字边界有信号变化，仿真器之间将来回传送信号值。这意味着不论使用哪种设计实施语言，设计人员只需从S-Edit运行仿真，设计就被自动拆分到各个仿真器中。之后，设计人员可以使用ModelSim和T-Spice波形查看器查看结果。MEMS器件的行为模型可以在Verilog-A中创建，或创建为等效集总SPICE元件，其与数字模型一起仿真以用于系统级验证。

• 射频模块仿真。Tanner Eldo® RF可对IoT器件进行射频验证，利用一套专用算法来准确高效地处理这些器件中的低功率信号。该工具提供广泛的分析功能、一组射频专用功能以及一套强大的适合各类电路的优化算法。分析模式包括：
– 打靶法/周期稳态分析（PSS）；
– 带射频/基带划分的调制稳态分析；
– 多频稳态分析（谐波平衡）。

• 设计版图布局。物理设计是利用L-Edit完成的，团队通过它为IoT设计创建模拟和MEMS元器件的版图布局。通用MEMS元件的参数化版图库和真正的曲线支持简化了MEMS的版图布局。

• 物理和电路验证。Tanner Calibre® One 验证套件提供以下产品：
– Calibre nmDRC™（层次化设计规则检查），可确保物理版图顺利投产制造。作为业界领先的工具能够提供快速的周期时间以及创新的设计规则功能。
– Calibre nmLVS™（层次化版图与原理图比较），可从电路结构和器件形状的角度检查物理版图是否与原理图完全一致。它提供了实际器件几何测量和精密的交互式调试功能，可提高设计人员的生产率，确保验证准确。
– Calibre xRC™（寄生参数提取），可验证版图依赖效应不会对设计的电气性能产生不利影响，从而为全面且准确的布线后分析和仿真提供准确的寄生数据。
– Calibre RVE™，将解决方案整合在一起，提供图形结果查看环境，然后通过肉眼快速识别设计问题以及交互选择L-Edit和S-Edit工具中的相关问题，进而减少调试时间。

• 完成设计流程。当然，Tanner流程中还有其他步骤和工具，例如数字合成、数字布局和布线、芯片组装、静态时序分析、全系统验证等。不过，这些步骤和工具不在本文的讨论范围之内。

实施MEMS器件

IoT设计最具挑战性的一个方面是实施MEMS传感器或执行器。例如，设计可能含有一个磁执行器，后者由一个线圈和一个可动扁板组成，扁板由弹簧所悬挂。当通过线圈发送电流时，就会产生一个磁场，扁板在磁场的作用下进入或退出线圈场（图6）。

图6：MEMS磁执行器

设计人员可以利用3D分析工具创建磁执行器的3D模型，然后分析其对不同电流的动态响应。但是，要制造该执行器，设计人员需要一个2D版图掩模，而从3D模型导出2D掩模很容易出错且难以验证。更好的办法是采用图7所示的以掩模为导向的流程，它能让设计人员更有把握地确认该执行器不仅会正常工作，而且能成功地制造出来。

图7：以掩模为导向的MEMS设计流程

以掩模为导向的MEMS设计流程从在L-Edit中创建2D掩模版图开始。然后，设计人员利用SoftMEMS 3D Solid Modeler（已集成在L-Edit中）自动从这些掩模和一组规定制造步骤生成3D模型。设计人员利用第三方有限元工具执行3D分析，如发现任何问题，可以进行迭代。设计人员对2D掩模版图进行适当的修改，然后重复流程。通过这个以掩模为导向的设计流程，设计人员可以在MEMS器件上实现收敛，并且确信它能被制造出来，因为设计人员是直接从最终用于制造目的的掩模来创建3D模型，而不是从3D模型进行逆向工作。

嵌入式软件解决方案

Mentor Embedded提供了一系列实时操作系统（RTOS）和工具，支持开发用于IoT边缘器件的嵌入式软件。针对资源极其受限和由电池供电的IoT边缘器件，设计团队可以选择可扩展的Mentor Embedded Nucleus RTOS。或者，他们可以为要求丰富应用环境的IoT边缘器件选择Mentor Embedded Linux，并可以访问开源IP和开发人员社区。

针对嵌入式软件开发，设计人员可采用Sourcery™ CodeBench（图8）。该工具为设计人员提供了开源的、嵌入式C/C++开发工具，用于构建、调试、分析和优化异构架构中的嵌入式软件，包括ARM、IA32、MIPS和Power Architectures的架构。

图8：利用Sourcery CodeBench分析嵌入式软件

利用Sourcery CodeBench，团队可以在微控制器和微处理器上开发嵌入式系统。嵌入式系统日趋复杂，因而需要更深入地了解系统的功能、性能以及调试应用程序的新方法。设计人员利用Sourcery CodeBench可快速识别并解决这些嵌入式系统中的功能和性能问题。

系统探索和文档创建解决方案

SystemVision® Cloud环境（图9）提供了一个使用多种电子电路和机电系统构建块模型系统的在线环境，然后利用先进的仿真技术和查看上下文结果来分析系统。设计人员可以在该环境中无缝混合控制系统模块、模拟和数字电路、机电器件、多学科传感器和执行器，从而快速探索系统构想并验证概念。

图9：SystemVision Cloud中的一个简单交互式设计

SystemVision Cloud允许团队将实时设计和波形结果嵌入在线文档中，像嵌入视频一样。内容是实时的，也就是可以直接在文档中查看和处理内容。通过与实时原理图及其仿真结果进行交互，团队可以对系统概念、设计参数和性能特征有更直观的感受。

当团队对概念验证感到满意时，他们可以将设计导出到PADS® Standard中进行PCB设计。

PCB设计解决方案

PADS Standard（图10）可在直观且简单易用的环境中提供原理图输入和电路板版图布局功能。PADS Standard主要提供给寻求低成本且经过生产验证的工具的设计人员使用。

图10：PADS Standard提供了简单易用、适合个人设计使用的PCB设计流程

PADS Standard包含多种系统设计输入和定义功能。直观的项目和设计导航、完整的层次化支持、启动库以及先进的设计属性和设计规则管理，这些都简化了原理图的输入和定义。利用版图布局和布线的完整正向和反向标注，团队可有效提升工作效率和生产率。PADS包含了所有设计规则和约束，并提供在线DRC检查功能。

PADS提供的高级版图布局和布线功能可节省大量设计时间。通过将设计规则与实时设计规则检查和双向交互显示结合使用，可确保电路板遵循设计规范，从而消除设计原型和制造后高昂的更改费用。分割和混合平面的创建和修改也很轻松，并且使得自定义热连接变得轻而易举。射频功能包括用于轻松创建共面波导的通孔连接，以及根据团队的规则填充包含通孔的区域的功能。

利用PADS Standard，团队可获得逼真的PCB可视化显示，以3D形式查看PCB并找出机械对象中的冲突，从而消除耗时长又代价高昂的错误。设计人员可将3D组装导出为STEP、3D PDF、JPG、BMP等格式。

结语

新一代设计人员正在改变IoT边缘系统的设计方式。Mentor Graphics为此类设计人员提供了解决方案，这个方案支持数字、模拟、射频和MEMS IC设计，系统探索，嵌入式软件开发，PCB版图布局，以及交互式文档创建。

麦姆斯咨询和Mentor建立战略合作伙伴关系，麦姆斯咨询代理销售Tanner系列EDA软件，并开展专题研讨会及培训课程。

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