簡介

為成功開發(fā)出連接現(xiàn)實世界活動與互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)計與多個設(shè)計領(lǐng)域進(jìn)行了緊密結(jié)合。對當(dāng)今的工程師而言，每個設(shè)計領(lǐng)域都具有挑戰(zhàn)性。結(jié)合所有設(shè)計領(lǐng)域共同創(chuàng)建IoT產(chǎn)品，可能會對設(shè)計團(tuán)隊帶來極大的壓力。圖1展示了一款典型IoT器件及它含有的各元素。

圖1：典型的IoT器件

該IoT器件包含一個與互聯(lián)網(wǎng)連接的傳感器和執(zhí)行器。傳感器信號以放大器或低通濾波器的形式發(fā)送到模擬信號處理設(shè)備。輸出結(jié)果連接至模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號。該信號被發(fā)送至包含微控制器或微處理器的數(shù)字邏輯模塊。相反地，執(zhí)行器由模擬驅(qū)動器通過數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。傳感器遙測信號發(fā)送以及控制信號接收，通過使用諸如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee之類的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或定制協(xié)議的射頻模塊進(jìn)行。射頻器件將數(shù)據(jù)通過智能手機(jī)或PC傳送至云端。

設(shè)計集成

這些主要IoT功能模塊可以由現(xiàn)成的離散元器件組裝而成。但是，將圖1所示的元器件集成到少數(shù)獨立封裝設(shè)計中并非易事。

集成意味著IoT器件成本、規(guī)模、性能和功耗的改善。創(chuàng)建多功能芯片可以減少元件數(shù)量并改善設(shè)計集成。圖2展示了兩個集成的例子。一家射頻芯片公司新增加了微控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。另一家傳感器公司則新增加了模擬信號處理和A/D轉(zhuǎn)換器。

圖2：集成多功能芯片案例

IoT設(shè)計挑戰(zhàn)

IoT設(shè)計所面臨的第一個基本挑戰(zhàn)是集成。讓我們從圖3假定的IoT設(shè)計進(jìn)一步展開討論。

圖3：賽車隊的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

一輛賽車的四個輪胎都嵌入了輪胎壓力監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)測設(shè)備將輪胎壓力值發(fā)送至車載基站，后者再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，便于賽車隊進(jìn)行監(jiān)測。如果壓力太低，賽車隊將收到警報，指示駕駛員前往維修站。

MEMS壓力傳感器可以持續(xù)測量輪胎的氣壓。該傳感器發(fā)出的模擬信號被放大，然后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。數(shù)字接口將這些信號發(fā)送到微控制器進(jìn)行處理，后者再將數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻器件。車載基站接收來自射頻器件的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到云端。賽車隊的軟件可以解讀數(shù)據(jù)流并提供輪胎壓力讀數(shù)。系統(tǒng)采用電池為超級電容器進(jìn)行充電，而后者將為微控制器和射頻器件提供電源。

輪胎壓力設(shè)計為IoT設(shè)計帶來了一個基本挑戰(zhàn)：圖4展示了共存于IoT器件內(nèi)的四個設(shè)計領(lǐng)域。

圖4：四個IoT設(shè)計領(lǐng)域

當(dāng)設(shè)計集成涉及兩個或更多設(shè)計領(lǐng)域， IoT設(shè)計將面臨更大的挑戰(zhàn)。IoT設(shè)計要求結(jié)合這四個設(shè)計領(lǐng)域，尤其是在同一芯片的情況下。即使組件針對的是之后再結(jié)合的不同芯片，在版圖布局和驗證過程中，它們?nèi)孕枰獏f(xié)同工作。在輪胎壓力設(shè)計中，A/D和放大器屬于模擬領(lǐng)域，數(shù)字接口和微控制器屬于數(shù)字領(lǐng)域，射頻器件屬于射頻領(lǐng)域，而壓力傳感器屬于MEMS器件。設(shè)計團(tuán)隊需要先繪制混合模擬與數(shù)字、射頻和MEMS的設(shè)計，進(jìn)行芯片版圖布局，然后執(zhí)行元器件和頂層仿真。

Tanner的解決方案

Tanner為IoT設(shè)計提供了自頂向下的單一設(shè)計流程，將四個設(shè)計領(lǐng)域結(jié)合在一起。不論是設(shè)計單一芯片還是多芯片的IoT器件，您都可以使用這個設(shè)計流程創(chuàng)建和仿真這個IoT器件：

設(shè)計繪制和仿真。S-Edit可以繪制任何給定單元的多個抽象級別的設(shè)計。您可以將單元表示為原理圖、RTL或SPICE，然后將這些描述轉(zhuǎn)換到仿真。T-Spice可以仿真與S-Edit完全集成的設(shè)計的SPICE和Verilog-A表示。ModelSim則可仿真設(shè)計的數(shù)字和Verilog-D部分。

仿真混合信號設(shè)計。S-Edit創(chuàng)建Verilog-AMS網(wǎng)表，然后傳遞給T-Spice。T-Spice將網(wǎng)表自動分割為設(shè)計的模擬仿真部分以及在ModelSim中進(jìn)行的數(shù)字仿真部分，如圖5所示。

圖5：模擬和數(shù)字分區(qū)進(jìn)行仿真

兩種仿真器被自動調(diào)用，而在仿真期間，它們之間將來回傳送信號。這意味著不論您使用哪種設(shè)計實施語言，您只需從S-Edit運行仿真，設(shè)計就被自動拆分到各個仿真器中。之后，您可以使用ModelSim或T-Spice波形查看器查看結(jié)果。

布局設(shè)計。使用L-Edit進(jìn)行物理設(shè)計，您可以創(chuàng)建出針對IoT設(shè)計完整的自定義版圖。通用MEMS元素和特定曲線的參數(shù)化版圖庫可推動MEMS設(shè)計。

實施MEMS器件

因為與封裝和制造工藝相關(guān)，MEMS元件是決定器件性能的關(guān)鍵因素。在上述壓力傳感器例子中，壓力施加于蝕刻腔上的振膜。如圖6所示，封裝必須足夠深方能適應(yīng)腔體。為描述傳感器的特征，您需要通過施加的壓力進(jìn)行仿真。

圖6：MEMS壓力傳感器

您可以創(chuàng)建壓力傳感器的3D模型，然后分析其物理特性。但是，您需要2D掩模才能制造MEMS器件。如何從3D模型中衍生出2D掩模呢？您可以遵循圖7所示的流程，即以掩模為導(dǎo)向，然后成功制造出傳感器。

從L-Edit的2D掩模版圖開始創(chuàng)建器件。然后，指示L-Edit通過這些掩模自動生成3D模型，從而提供制造步驟的仿真。使用您喜歡的有限元軟件執(zhí)行3D分析，如發(fā)現(xiàn)任何問題，可以進(jìn)行迭代。對2D掩模版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，然后重?fù)流程。通過這個以掩模為導(dǎo)向的流程，您可以在運行的MEMS器件中進(jìn)行仿真集成，因為您可以直接創(chuàng)建最終用于制造目的的掩模，而不是從3D模型進(jìn)行逆向工作。

圖7：以掩模為導(dǎo)向的MEMS流程

結(jié)語

IoT設(shè)計的基本挑戰(zhàn)是結(jié)合模擬、數(shù)字、射頻和MEMS四個設(shè)計領(lǐng)域。Tanner設(shè)計流程旨在采用集成設(shè)計、仿真、版圖布局和驗證的設(shè)計流程，在任何設(shè)計領(lǐng)域中開展無縫協(xié)作。