簡(jiǎn)介

為成功開(kāi)發(fā)出連接現(xiàn)實(shí)世界活動(dòng)與互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)計(jì)與多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了緊密結(jié)合。對(duì)當(dāng)今的工程師而言，每個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域都具有挑戰(zhàn)性。結(jié)合所有設(shè)計(jì)領(lǐng)域共同創(chuàng)建IoT產(chǎn)品，可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)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(gè)與互聯(lián)網(wǎng)連接的傳感器和執(zhí)行器。傳感器信號(hào)以放大器或低通濾波器的形式發(fā)送到模擬信號(hào)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(hào)。該信號(hào)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(dòng)器通過(guò)數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。傳感器遙測(cè)信號(hào)發(fā)送以及控制信號(hào)接收，通過(guò)使用諸如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee之類(lèi)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(guò)智能手機(jī)或PC傳送至云端。

設(shè)計(jì)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(dú)立封裝設(shè)計(jì)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(jì)集成。圖2展示了兩個(gè)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(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換器。

圖2：集成多功能芯片案例

IoT設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

IoT設(shè)計(jì)所面臨的第一個(gè)基本挑戰(zhàn)是集成。讓我們從圖3假定的IoT設(shè)計(jì)進(jìn)一步展開(kāi)討論。

圖3：賽車(chē)隊(duì)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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

MEMS壓力傳感器可以持續(xù)測(cè)量輪胎的氣壓。該傳感器發(fā)出的模擬信號(hào)被放大，然后轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)。數(shù)字接口將這些信號(hào)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(chē)載基站接收來(lái)自射頻器件的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到云端。賽車(chē)隊(duì)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(jí)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(jì)為IoT設(shè)計(jì)帶來(lái)了一個(gè)基本挑戰(zhàn)：圖4展示了共存于IoT器件內(nèi)的四個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

圖4：四個(gè)IoT設(shè)計(jì)領(lǐng)域

當(dāng)設(shè)計(jì)集成涉及兩個(gè)或更多設(shè)計(jì)領(lǐng)域， IoT設(shè)計(jì)將面臨更大的挑戰(zhàn)。IoT設(shè)計(jì)要求結(jié)合這四個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是在同一芯片的情況下。即使組件針對(duì)的是之后再結(jié)合的不同芯片，在版圖布局和驗(yàn)證過(guò)程中，它們?nèi)孕枰獏f(xié)同工作。在輪胎壓力設(shè)計(jì)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(jì)團(tuán)隊(duì)需要先繪制混合模擬與數(shù)字、射頻和MEMS的設(shè)計(jì)，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(jì)提供了自頂向下的單一設(shè)計(jì)流程，將四個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域結(jié)合在一起。不論是設(shè)計(jì)單一芯片還是多芯片的IoT器件，您都可以使用這個(gè)設(shè)計(jì)流程創(chuàng)建和仿真這個(gè)IoT器件：

設(shè)計(jì)繪制和仿真。S-Edit可以繪制任何給定單元的多個(gè)抽象級(jí)別的設(shè)計(jì)。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(jì)的SPICE和Verilog-A表示。ModelSim則可仿真設(shè)計(jì)的數(shù)字和Verilog-D部分。

仿真混合信號(hào)設(shè)計(jì)。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(dòng)分割為設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)用，而在仿真期間，它們之間將來(lái)回傳送信號(hào)。這意味著不論您使用哪種設(shè)計(jì)實(shí)施語(yǔ)言，您只需從S-Edit運(yùn)行仿真，設(shè)計(jì)就被自動(dòng)拆分到各個(gè)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(jì)。使用L-Edit進(jìn)行物理設(shè)計(jì)，您可以創(chuàng)建出針對(duì)IoT設(shè)計(jì)完整的自定義版圖。通用MEMS元素和特定曲線(xiàn)的參數(shù)化版圖庫(kù)可推動(dòng)MEMS設(shè)計(jì)。

實(shí)施MEMS器件

因?yàn)榕c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(guò)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(kāi)始創(chuàng)建器件。然后，指示L-Edit通過(guò)這些掩模自動(dòng)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(wèn)題，可以進(jìn)行迭代。對(duì)2D掩模版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，然后重?fù)流程。通過(guò)這個(gè)以掩模為導(dǎo)向的流程，您可以在運(yùn)行的MEMS器件中進(jìn)行仿真集成，因?yàn)槟梢灾苯觿?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(yǔ)

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