eng
Выпуск #9/2017
Ключевые аспекты проектирования печатных плат для устройств интернета вещей
Просмотры: 3008
Создание высококачественных печатных плат для изделий Интернета вещей требует применения интегрированной среды проектирования с расширенным функционалом. В статье рассмотрены ключевые аспекты, которые следует учитывать при разработке печатных плат для устройств Интернета вещей.
УДК 621.3.049
ВАК 05.13.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.170.9.138.144
УДК 621.3.049
ВАК 05.13.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.170.9.138.144
Теги: integrated design environment internet of things layout constraint management mentor graphics pads pre- and post-layout simulation verification xpedition верификация интегрированная среда проектирования интернет вещей пред- и посттопологическое моделирование управление ограничениями топологии
Стремительное развитие технологии Интернета вещей открывает возможности, которые раньше было трудно вообразить. Представьте, вы на работе и кто-то позвонил в видеодомофон с поддержкой IoT, который подключен к домашней сети Wi-Fi. На смартфон приходит уведомление о том, что в дверь позвонили, и вы получаете доступ к видеопотоку домофона. Можете поговорить с посетителем напрямую и, сославшись на занятость, попросить его оставить посылку у двери, не уточняя, дома вы или нет. Реальность такова, что многие возможности новой технологии уже доступны.
Экосистема устройств IoT растет быстрее, чем когда-либо, соединяя объекты реального мира, системы и людей с продуктами, которые, в свою очередь, объединяют пользователей, различные устройства и даже производителей. Не вставая с дивана, можно использовать голосовые команды для включения и выключения света или уменьшения яркости освещения. Управление устройствами IoT при помощи интуитивных мобильных приложений позволяет взаимодействовать с умными браслетами, часами, фитнес-трекерами, дверными замками, терморегуляторами, мультимедиа-устройствами и многим другим (рис.1).
Хотя IoT-устройства выглядят простыми и изящными, в них реализованы уникальные проектные и компоновочные решения, в частности на основе гибко-жестких печатных плат. Рассмотрим ключевые аспекты и особенности, которые следует учитывать при разработке печатных плат для устройств Интернета вещей.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ IoT-УСТРОЙСТВА
Схемы смешанного сигнала. Аналого-цифровые преобразователи в устройствах IoT используются для обработки, хранения и передачи практически любого аналогового сигнала в цифровой форме на микропроцессор. Цифровой сигнал описывает входное напряжение или уровень тока. Благодаря преобразованию аналогового в цифровой сигнал электроника позволяет взаимодействовать с аналоговым миром вокруг.
Микроэлектромеханические системы, или МЭМС. По технологии МЭМС в устройствах IoT выполняются миниатюрные датчики и приводы. МЭМС-датчики собирают информацию из окружающей среды, а приводы исполняют заданные команды. МЭМС-компоненты – ключевые элементы устройства IoT – выполняют множество задач: от фиксации шагов в фитнес-трекерах до реакции смартфона на его повороты и наклоны.
Радиочастотные тракты. Радиомодули подключают устройство IoT к облачным сервисам через Wi-Fi, Bluetooth или другие специализированные протоколы. Для обеспечения беспроводной связи необходимо учитывать множество факторов, включая потребности приложений, технологические ограничения и требования к интеграции оборудования и программного обеспечения. Решающее значение имеет учет электропотребления, радиуса действия, возможности соединения и пропускной способности IoT-изделия.
ВЫБОР ФОРМ-ФАКТОРА IoT-УСТРОЙСТВА
Поскольку конструкция IoT-устройства может быть довольно сложной, программное обеспечение, сетевые компоненты и печатные платы отрабатываются на прототипе. Основным требованием для продуктов массового потребления, в частности IoT-устройств с интерфейсом пользователя, яв-
ляется форм-фактор. Если фитнес-трекер не легкий, не удобный или не стильный, если умные часы слишком громоздки, если дверной замок с возможностями IoT не эстетичен, такие продукты вряд ли будут востребованы рынком.
IoT-устройства обычно разрабатываются двумя способами. Первый – проведение исследований, проектирование и разработка продукта на основе экспериментального прототипа. Как только прототип проверен, можно оценить рыночный спрос путем исследования возможности выполнения устройства в удобном для пользователя форм-факторе и соответствия продукта ценовым ориентирам.
Второй путь типичен для солидных компаний. Он начинается с составления требований к физическим параметрам продукта. Например, для носимого IoT-устройства размер и вес определяют форму и внешний вид конечного продукта. Другими словами, неэргономичный и непривлекательный для потребителя продукт не будет востребован на рынке.
КОМПОНЕНТЫ IoT-УСТРОЙСТВА
Важные этапы проектирования IoT-устройства – исследование и выбор необходимых компонентов. Выбор аналоговых микросхем, ИС смешанного сигнала, ЦАП и АЦП, датчиков, приводов, МЭМС-компонентов и радио-
модулей (рис.2) имеет ключевое значение как для функциональных возможностей, так и для стоимости изделия. В IoT-продуктах часто используются миниатюрные компоненты: светодиоды, дисплеи, фото-, видеокамеры, микрофоны и динамики. Кроме того, в этих устройствах обычно применяют элементы физического интерфейса, такие как кнопки, переключатели, сенсорные датчики и зарядные порты.
Устройства IoT могут содержать даже герконовые датчики, сканеры отпечатков пальцев, датчики давления и гибкие датчики. Устройства с интерфейсом пользователя (HID-устройства), например, смартфоны, содержащие батареи с проводной или беспроводной зарядкой, характеризуются низким потреблением и высокой эффективностью. В то же время устройства с поддержкой IoT, которые исторически не были высокотехнологичными, такие как дверные звонки и терморегуляторы, используют для питания существующую электросеть.
ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЕКТА IoT-УСТРОЙСТВА НА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ
Следующий после выбора компонентов и создания библиотеки символов этап проектирования – соединение компонентов на принципиальной схеме. Чтобы обеспечить высокую эффективность и производительность работ при создании схемы в программной среде проектирования, нужно предусмотреть средства управления компонентами для их быстрого поиска. Для достижения заданных характеристик проекта необходимо иметь доступ к инструментам аналогового/смешанного моделирования и предтопологического анализа целостности сигналов непосредственно из среды схемотехнического проектирования (рис.3).
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОТЛАДКА СХЕМЫ ДЛЯ IoT-ПРОЕКТА
IoT-устройства содержат аналоговые блоки и схемы смешанного сигнала. Высокие характеристики аналого-цифровых схем достигаются благодаря применению на этапе проектирования моделирования и анализа схем на основе сигнальных моделей (SPICE, VHDL, C) (рис.4). Для обеспечения заданных характеристик и показателей надежности IoT-устройства используют такие виды анализа схем, как анализ по постоянному току, анализ во временной и частотной области, параметрический анализ, анализ чувствительности, исследования методом Монте-Карло и методом наихудших случаев, функциональное моделирование, анализ сценариев и оптимизация схемных компонентов.
Особенность IoT-устройств состоит в том, что обычно они работают в нескольких режимах: ожидания, передачи/приема, активного зондирования, подзарядки и т. д. Поэтому следует проводить функциональную верификацию каждого режима, а также состояний перехода от одного к другому режиму. Чтобы гарантировать соответствие продукта заявленным функциональным требованиям, важную роль играет предтопологическое моделирование, в том числе на транзисторном уровне, и посттопологическая проверка IoT-проекта.
Многие из популярных сегодня IoT-устройств яв-
ляются компактными и носимыми. Они должны быть небольшими, легкими и чрезвычайно энергоэффективными. Для того чтобы продлить срок службы батарей устройства, потребляемую мощность необходимо регулировать в зависимости от режима работы устройства. Чтобы предотвратить сбой или отказ устройства из-за падения напряжения в критических цепях питания, важно проанализировать целостность питания на стадии разработки топологии. Неожиданное или непредсказуемое поведение схемы также может быть вызвано проблемами с подачей питания. Чтобы обеспечить бесперебойное и качественное питание микросхем, уже на ранних этапах проектирования важно найти и исправить участки топологии с чрезмерно высокой плотностью тока.
В IoT-продуктах используются современные микропроцессоры, которые обычно соединены с DRAM- или флеш-памятью. Чтобы получить полное представление о работе интерфейса памяти с учетом таких паразитных эффектов в печатных платах, как потери в линиях передачи, отражения, изменения импеданса, влияние переходных отверстий, межсимвольные помехи, перекрестные помехи, временные задержки и т. д., необходимо обеспечить детальное моделирование всех узлов проекта.
Точное соблюдение ограничений при разводке цепей, связанных с памятью, крайне важно для сокращения времени разработки и отладки схем. Благодаря таким возможностям, как расширенное управление ограничениями (рис.5) и расширенные инструменты трассировки DDR-памяти (рис.6), разработчики могут быстро и точно прокладывать высокоскоростные трассы.
ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Конструкция IoT-изделия, в частности носимого устройства потребительского назначения, обусловлена отвечающим требованиям рынка форм-фактором, который обычно разрабатывается с помощью механических 3D-систем проектирования. Для того чтобы гарантировать соответствие проекта физическим требованиям к создаваемому продукту, необходимо отобразить плату в корпусе в трехмерном (3D) виде перед этапом трассировки или заливкой полигонов. Кроме формы и внешних габаритов платы, следует учитывать и другие факторы, в том числе условия эксплуатации изделия и способность платы сгибаться.
Перечислим наиболее важные факторы, учет которых позволяет создать качественную топологию печатной платы, отвечающую всем требованиям для IoT-устройств.
Размещение компонентов. После завершения разработки схемы IoT-устройства и импорта контура платы (включая расположение компонентов физического интерфейса, монтажных отверстий, вырезов и т. д.) в редактор топологии необходимо обеспечить быстрое и простое размещение компонентов. Решению задачи помогает двунаправленное перекрестное выделение объектов между схемой и топологией. Возможность размещения компонентов в 2D или 3D в соответствии с проектными ограничениями сокращает время проек-
тирования и позволяет избежать нарушений правил разводки.
Управление ограничениями. Интегрированное управление заданными электрическими ограничениями по всему маршруту проектирования дает возможность контролировать классы и группы цепей, задавать пары выводов и многое другое. Использование иерархических правил обеспечивает эффективное управление трассировкой, гарантирует соответствие требованиям к высокоскоростной разводке и позволяет задавать правила для согласования длин проводников, дифференциальных пар, максимальных/минимальных длин проводников и т. д.
2D/3D-топология. При разработке IoT-продукта с жесткими ограничениями форм-фактора и сложной процедурой сборки огромное преимущество дает возможность создания топологии платы и исследования конструкции в среде разработки с детализированным 3D-представлением. Правильную компоновку топологии платы гарантирует фотореалистичная 3D-визуализация в процессе размещения компонентов и динамической проверки правил проектирования (DRC). Точные STEP-модели компонентов обеспечивают визуальное представление конечного продукта, что гарантирует соответствие посадочных мест и зазоров компонентов техническим требованиям. Кроме того, возможность импорта корпуса IoT-продукта в трехмерном виде дает разработчику фотореалистичное представление об окончательной сборке и тем самым помогает предотвратить возможные нестыковки в конструкции.
Гибко-жесткие платы в IoT-проектах. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы (рис.7) применяются во всех видах электронных изделий, в частности в IoT-устройствах. 3D-верификация проектов с использованием гибко-жестких плат позволяет разработчику убедиться, что изгибы находятся в правильном положении, а компоненты не мешают изгибам. Для таких проектов особенно важно обеспечить контроль гибких шлейфов, размещение компонентов и трассировку на гибких слоях, заливку полигонов и т. д. Имея возможность визуализировать IoT-проекты с гибко-жесткими платами на ранних этапах и на протяжении всего маршрута проектирования, можно избежать риска дорогостоящего повторного проектирования. Кроме того, возможность экспорта гибко-жесткой конструкции в виде 3D-модели в механические САПР способствует эффективному двунаправленному взаимодействию электрических и механических САПР для устранения возможных проблем при производстве (DFM) и сборке (DFMA) изделия.
Тестирование IoT-проектов. IoT-продукты являются маломощными изделиями и требуют тестовых платформ, которые можно быстро адаптировать к новым технологиям. Выделяют четыре ключевых параметра при тестировании беспроводных IoT-устройств: радиус действия, время автономной работы, совместимость и время отклика. Для устройств, использующих технологию Bluetooth, например, характерна меньшая дальность действия, чем для Wi-Fi-устройств. Для IoT-устройств с питанием от батареи необходимо измерять энергопотребление в реалистичных сценариях, чтобы гарантировать требуемое время автономной работы в различных режимах.
ПРОИЗВОДСТВО И СБОРКА IoT-УСТРОЙСТВ
IoT-устройства следует разрабатывать с учетом требований к производству и сборке, которые необходимо принимать во внимание на протяжении всего процесса проектирования. Проектирование с учетом требований к испытаниям (Design for Test – DFT) обеспечивает возможность тестирования устройства путем выявления коротких замыканий и других производственных дефектов. Аналогичным образом проектирование с учетом требований к производству и сборке (Design for Manufacturability and Assembly – DFMA) может выявлять такие проблемы, как наличие островков фоторезиста и ошибочно вскрытых в паяльной маске медных участков топологии, с тем чтобы можно было их устранить до передачи платы в производство.
Создание IoT-устройств – сложный процесс, поэтому экономия затрат на каждом этапе производства, независимо то того, идет речь о небольшой партии изделий или массовом производстве, может влиять на итоговую прибыль. Работа с инструментом проектирования топологии, который поддерживает такие производственные функции, как анализ DFMA, панелизация и обмен данными в формате ODB++, помогает избежать проблем, которые могут увеличить затраты, снизить выход годных, задержать выполнение производственных операций или потребовать их повторного выполнения.
* * *
IoT-устройства разрабатываются для нужд все большего числа отраслей электроники, включая потребительскую, автомобильную, медицинскую, промышленную, военную и т. д. Поэтому моделирование сигналов и цепей питания должно стать частью методологии проектирования и анализа IoT-продуктов. Взрывное развитие IoT-технологии за последнее десятилетие и ожидаемый дальнейший рост продаж устройств с поддержкой IoT повышают значение таких факторов разработки востребованных продуктов, как время вывода изделия на рынок, ускоренное создание прототипа и проектирование изделия с учетом требований массового производства.
Платформа создания продуктов PADS предназначена непосредственно для решения технологических задач проектирования IoT-устройств не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. Интегрированная среда разработки Xpedition с поддержкой гибко-жестких плат отличается полным набором инструментов для ускоренного создания самых сложных IoT-устройств. ●
Экосистема устройств IoT растет быстрее, чем когда-либо, соединяя объекты реального мира, системы и людей с продуктами, которые, в свою очередь, объединяют пользователей, различные устройства и даже производителей. Не вставая с дивана, можно использовать голосовые команды для включения и выключения света или уменьшения яркости освещения. Управление устройствами IoT при помощи интуитивных мобильных приложений позволяет взаимодействовать с умными браслетами, часами, фитнес-трекерами, дверными замками, терморегуляторами, мультимедиа-устройствами и многим другим (рис.1).
Хотя IoT-устройства выглядят простыми и изящными, в них реализованы уникальные проектные и компоновочные решения, в частности на основе гибко-жестких печатных плат. Рассмотрим ключевые аспекты и особенности, которые следует учитывать при разработке печатных плат для устройств Интернета вещей.
ОСНОВНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ IoT-УСТРОЙСТВА
Схемы смешанного сигнала. Аналого-цифровые преобразователи в устройствах IoT используются для обработки, хранения и передачи практически любого аналогового сигнала в цифровой форме на микропроцессор. Цифровой сигнал описывает входное напряжение или уровень тока. Благодаря преобразованию аналогового в цифровой сигнал электроника позволяет взаимодействовать с аналоговым миром вокруг.
Микроэлектромеханические системы, или МЭМС. По технологии МЭМС в устройствах IoT выполняются миниатюрные датчики и приводы. МЭМС-датчики собирают информацию из окружающей среды, а приводы исполняют заданные команды. МЭМС-компоненты – ключевые элементы устройства IoT – выполняют множество задач: от фиксации шагов в фитнес-трекерах до реакции смартфона на его повороты и наклоны.
Радиочастотные тракты. Радиомодули подключают устройство IoT к облачным сервисам через Wi-Fi, Bluetooth или другие специализированные протоколы. Для обеспечения беспроводной связи необходимо учитывать множество факторов, включая потребности приложений, технологические ограничения и требования к интеграции оборудования и программного обеспечения. Решающее значение имеет учет электропотребления, радиуса действия, возможности соединения и пропускной способности IoT-изделия.
ВЫБОР ФОРМ-ФАКТОРА IoT-УСТРОЙСТВА
Поскольку конструкция IoT-устройства может быть довольно сложной, программное обеспечение, сетевые компоненты и печатные платы отрабатываются на прототипе. Основным требованием для продуктов массового потребления, в частности IoT-устройств с интерфейсом пользователя, яв-
ляется форм-фактор. Если фитнес-трекер не легкий, не удобный или не стильный, если умные часы слишком громоздки, если дверной замок с возможностями IoT не эстетичен, такие продукты вряд ли будут востребованы рынком.
IoT-устройства обычно разрабатываются двумя способами. Первый – проведение исследований, проектирование и разработка продукта на основе экспериментального прототипа. Как только прототип проверен, можно оценить рыночный спрос путем исследования возможности выполнения устройства в удобном для пользователя форм-факторе и соответствия продукта ценовым ориентирам.
Второй путь типичен для солидных компаний. Он начинается с составления требований к физическим параметрам продукта. Например, для носимого IoT-устройства размер и вес определяют форму и внешний вид конечного продукта. Другими словами, неэргономичный и непривлекательный для потребителя продукт не будет востребован на рынке.
КОМПОНЕНТЫ IoT-УСТРОЙСТВА
Важные этапы проектирования IoT-устройства – исследование и выбор необходимых компонентов. Выбор аналоговых микросхем, ИС смешанного сигнала, ЦАП и АЦП, датчиков, приводов, МЭМС-компонентов и радио-
модулей (рис.2) имеет ключевое значение как для функциональных возможностей, так и для стоимости изделия. В IoT-продуктах часто используются миниатюрные компоненты: светодиоды, дисплеи, фото-, видеокамеры, микрофоны и динамики. Кроме того, в этих устройствах обычно применяют элементы физического интерфейса, такие как кнопки, переключатели, сенсорные датчики и зарядные порты.
Устройства IoT могут содержать даже герконовые датчики, сканеры отпечатков пальцев, датчики давления и гибкие датчики. Устройства с интерфейсом пользователя (HID-устройства), например, смартфоны, содержащие батареи с проводной или беспроводной зарядкой, характеризуются низким потреблением и высокой эффективностью. В то же время устройства с поддержкой IoT, которые исторически не были высокотехнологичными, такие как дверные звонки и терморегуляторы, используют для питания существующую электросеть.
ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЕКТА IoT-УСТРОЙСТВА НА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ
Следующий после выбора компонентов и создания библиотеки символов этап проектирования – соединение компонентов на принципиальной схеме. Чтобы обеспечить высокую эффективность и производительность работ при создании схемы в программной среде проектирования, нужно предусмотреть средства управления компонентами для их быстрого поиска. Для достижения заданных характеристик проекта необходимо иметь доступ к инструментам аналогового/смешанного моделирования и предтопологического анализа целостности сигналов непосредственно из среды схемотехнического проектирования (рис.3).
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОТЛАДКА СХЕМЫ ДЛЯ IoT-ПРОЕКТА
IoT-устройства содержат аналоговые блоки и схемы смешанного сигнала. Высокие характеристики аналого-цифровых схем достигаются благодаря применению на этапе проектирования моделирования и анализа схем на основе сигнальных моделей (SPICE, VHDL, C) (рис.4). Для обеспечения заданных характеристик и показателей надежности IoT-устройства используют такие виды анализа схем, как анализ по постоянному току, анализ во временной и частотной области, параметрический анализ, анализ чувствительности, исследования методом Монте-Карло и методом наихудших случаев, функциональное моделирование, анализ сценариев и оптимизация схемных компонентов.
Особенность IoT-устройств состоит в том, что обычно они работают в нескольких режимах: ожидания, передачи/приема, активного зондирования, подзарядки и т. д. Поэтому следует проводить функциональную верификацию каждого режима, а также состояний перехода от одного к другому режиму. Чтобы гарантировать соответствие продукта заявленным функциональным требованиям, важную роль играет предтопологическое моделирование, в том числе на транзисторном уровне, и посттопологическая проверка IoT-проекта.
Многие из популярных сегодня IoT-устройств яв-
ляются компактными и носимыми. Они должны быть небольшими, легкими и чрезвычайно энергоэффективными. Для того чтобы продлить срок службы батарей устройства, потребляемую мощность необходимо регулировать в зависимости от режима работы устройства. Чтобы предотвратить сбой или отказ устройства из-за падения напряжения в критических цепях питания, важно проанализировать целостность питания на стадии разработки топологии. Неожиданное или непредсказуемое поведение схемы также может быть вызвано проблемами с подачей питания. Чтобы обеспечить бесперебойное и качественное питание микросхем, уже на ранних этапах проектирования важно найти и исправить участки топологии с чрезмерно высокой плотностью тока.
В IoT-продуктах используются современные микропроцессоры, которые обычно соединены с DRAM- или флеш-памятью. Чтобы получить полное представление о работе интерфейса памяти с учетом таких паразитных эффектов в печатных платах, как потери в линиях передачи, отражения, изменения импеданса, влияние переходных отверстий, межсимвольные помехи, перекрестные помехи, временные задержки и т. д., необходимо обеспечить детальное моделирование всех узлов проекта.
Точное соблюдение ограничений при разводке цепей, связанных с памятью, крайне важно для сокращения времени разработки и отладки схем. Благодаря таким возможностям, как расширенное управление ограничениями (рис.5) и расширенные инструменты трассировки DDR-памяти (рис.6), разработчики могут быстро и точно прокладывать высокоскоростные трассы.
ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Конструкция IoT-изделия, в частности носимого устройства потребительского назначения, обусловлена отвечающим требованиям рынка форм-фактором, который обычно разрабатывается с помощью механических 3D-систем проектирования. Для того чтобы гарантировать соответствие проекта физическим требованиям к создаваемому продукту, необходимо отобразить плату в корпусе в трехмерном (3D) виде перед этапом трассировки или заливкой полигонов. Кроме формы и внешних габаритов платы, следует учитывать и другие факторы, в том числе условия эксплуатации изделия и способность платы сгибаться.
Перечислим наиболее важные факторы, учет которых позволяет создать качественную топологию печатной платы, отвечающую всем требованиям для IoT-устройств.
Размещение компонентов. После завершения разработки схемы IoT-устройства и импорта контура платы (включая расположение компонентов физического интерфейса, монтажных отверстий, вырезов и т. д.) в редактор топологии необходимо обеспечить быстрое и простое размещение компонентов. Решению задачи помогает двунаправленное перекрестное выделение объектов между схемой и топологией. Возможность размещения компонентов в 2D или 3D в соответствии с проектными ограничениями сокращает время проек-
тирования и позволяет избежать нарушений правил разводки.
Управление ограничениями. Интегрированное управление заданными электрическими ограничениями по всему маршруту проектирования дает возможность контролировать классы и группы цепей, задавать пары выводов и многое другое. Использование иерархических правил обеспечивает эффективное управление трассировкой, гарантирует соответствие требованиям к высокоскоростной разводке и позволяет задавать правила для согласования длин проводников, дифференциальных пар, максимальных/минимальных длин проводников и т. д.
2D/3D-топология. При разработке IoT-продукта с жесткими ограничениями форм-фактора и сложной процедурой сборки огромное преимущество дает возможность создания топологии платы и исследования конструкции в среде разработки с детализированным 3D-представлением. Правильную компоновку топологии платы гарантирует фотореалистичная 3D-визуализация в процессе размещения компонентов и динамической проверки правил проектирования (DRC). Точные STEP-модели компонентов обеспечивают визуальное представление конечного продукта, что гарантирует соответствие посадочных мест и зазоров компонентов техническим требованиям. Кроме того, возможность импорта корпуса IoT-продукта в трехмерном виде дает разработчику фотореалистичное представление об окончательной сборке и тем самым помогает предотвратить возможные нестыковки в конструкции.
Гибко-жесткие платы в IoT-проектах. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы (рис.7) применяются во всех видах электронных изделий, в частности в IoT-устройствах. 3D-верификация проектов с использованием гибко-жестких плат позволяет разработчику убедиться, что изгибы находятся в правильном положении, а компоненты не мешают изгибам. Для таких проектов особенно важно обеспечить контроль гибких шлейфов, размещение компонентов и трассировку на гибких слоях, заливку полигонов и т. д. Имея возможность визуализировать IoT-проекты с гибко-жесткими платами на ранних этапах и на протяжении всего маршрута проектирования, можно избежать риска дорогостоящего повторного проектирования. Кроме того, возможность экспорта гибко-жесткой конструкции в виде 3D-модели в механические САПР способствует эффективному двунаправленному взаимодействию электрических и механических САПР для устранения возможных проблем при производстве (DFM) и сборке (DFMA) изделия.
Тестирование IoT-проектов. IoT-продукты являются маломощными изделиями и требуют тестовых платформ, которые можно быстро адаптировать к новым технологиям. Выделяют четыре ключевых параметра при тестировании беспроводных IoT-устройств: радиус действия, время автономной работы, совместимость и время отклика. Для устройств, использующих технологию Bluetooth, например, характерна меньшая дальность действия, чем для Wi-Fi-устройств. Для IoT-устройств с питанием от батареи необходимо измерять энергопотребление в реалистичных сценариях, чтобы гарантировать требуемое время автономной работы в различных режимах.
ПРОИЗВОДСТВО И СБОРКА IoT-УСТРОЙСТВ
IoT-устройства следует разрабатывать с учетом требований к производству и сборке, которые необходимо принимать во внимание на протяжении всего процесса проектирования. Проектирование с учетом требований к испытаниям (Design for Test – DFT) обеспечивает возможность тестирования устройства путем выявления коротких замыканий и других производственных дефектов. Аналогичным образом проектирование с учетом требований к производству и сборке (Design for Manufacturability and Assembly – DFMA) может выявлять такие проблемы, как наличие островков фоторезиста и ошибочно вскрытых в паяльной маске медных участков топологии, с тем чтобы можно было их устранить до передачи платы в производство.
Создание IoT-устройств – сложный процесс, поэтому экономия затрат на каждом этапе производства, независимо то того, идет речь о небольшой партии изделий или массовом производстве, может влиять на итоговую прибыль. Работа с инструментом проектирования топологии, который поддерживает такие производственные функции, как анализ DFMA, панелизация и обмен данными в формате ODB++, помогает избежать проблем, которые могут увеличить затраты, снизить выход годных, задержать выполнение производственных операций или потребовать их повторного выполнения.
* * *
IoT-устройства разрабатываются для нужд все большего числа отраслей электроники, включая потребительскую, автомобильную, медицинскую, промышленную, военную и т. д. Поэтому моделирование сигналов и цепей питания должно стать частью методологии проектирования и анализа IoT-продуктов. Взрывное развитие IoT-технологии за последнее десятилетие и ожидаемый дальнейший рост продаж устройств с поддержкой IoT повышают значение таких факторов разработки востребованных продуктов, как время вывода изделия на рынок, ускоренное создание прототипа и проектирование изделия с учетом требований массового производства.
Платформа создания продуктов PADS предназначена непосредственно для решения технологических задач проектирования IoT-устройств не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. Интегрированная среда разработки Xpedition с поддержкой гибко-жестких плат отличается полным набором инструментов для ускоренного создания самых сложных IoT-устройств. ●
Отзывы читателей
