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物联网设计,如何平衡功率功能和可靠性

来源:作者: 日期:2019-11-26 浏览:

  除了物联网潜力的大肆宣传之外,还有一些必须克服的实际工程挑战,以满足工业和商业市场对物联网采用的令人陶醉的市场预测。 ABI Research估计,物联网连接设备捕获的数据量在2014年超过200艾字节,预计其年度总量将在十年内增长七倍,到2020年将超过1,600艾字节(或1.6千兆字节)。那么,如何我们是否成功创建了能够处理所有这些数据的设备?

  除了为物联网设备保持低成本的明显挑战外,还存在许多设计和验证挑战,这些挑战主要是通过在功能和功能之间找到平衡来实现的。硬件和软件的局限性。 ARM的技术营销经理钱宇表示,从物理实施的角度来看,由于功能要求,闪存技术的局限性和经济性,设计和生产面临挑战。

  在功能方面,即使与移动设备相比,IoT SoC设计的独特之处在于其低功耗要求。而且,他们的睡眠与觉醒比例要高得多。但是,它们仍然具有类似的频率要求,以确保功能。 “因此,”Yu表示,设计人员需要专注于峰值功耗和睡眠泄漏功率优化而不会牺牲太多性能。“

  Micrium首席技术官兼执行副总裁ChristianLégaré指出,连接问题对物联网也很重要,因为通信栈可能需要自己的处理器。 Légaré还强调了出于安全目的在硬件中定义身份的重要性,并补充说“它是唯一无法修改或黑客入侵的地方。”物联网的其他安全问题包括维护隐私,防篡改,安全启动以及远程升级。

  显然,小型,单用途,低功耗的物联网设备无法满足所有这些电源管理,连接和安全要求,那么前进的方向是什么? Légaré建议整合物联网方法,包括边缘节点(集线器或网关)。他说,在这种类型的部署中,设计人员必须回答以下问题:您在哪里将所需的计算资源放入系统?您如何设计系统以便面向未来?为了在这里取得成功,Légaré认为嵌入式工程师需要与IT部门的同事更紧密地合作。 “这并不简单,”他说,“因为这两个领域都有自己的技术和词汇。然而,为了使物联网获得成功,嵌入式和IT工程师必须相互理解。“

  进入性能领域,Yu指出,一些实施和验证挑战包括噪声隔离,模数转换时序和混合信号建模。此外,他指出现有的嵌入式闪存技术不能远低于40纳米工艺。它们需要比其他类型逻辑块更高的电压,因此它们消耗更多功率。

  如何选择平台

  物联网设计中最大的早期挑战之一可能是选择一个实施平台。 PTR Group,Inc。首席技术官兼首席科学家Mike Anderson指出,ARM Cortex M0/M0 +/M3/M4(很快就是M7)之间的选择非常丰富。与所有设计项目一样,工程师权衡哪个平台为其设计约束提供了最多的功能。但是,更常见的是,他们倾向于根据原型平台的可用性进行选择。 Anderson指出TI MSP432,Freescale Kinetis系列和ST Micro ST32作为一些例子。他还建议与Arduino平台的兼容性提供廉价传感器模块,众多通信选项和易于使用的开源开发的优势。环境。点击平台选择的另一个问题是调试环境。 Anderson提供了这样的建议,“像Keil和IAR这样的商业开发平台在将开发/调试功能集成到一个通用IDE中做得很好 - 只需付出代价。如果您是初创公司或DIY/制造商群体之一,那么有一些开源工具,只要您进行一些集成,就可以满足您的职责,而不会受到商业产品的初步贴纸冲击。此外,如果您觉得需要一些定制硬件,许多FPGA供应商都可以嵌入带有验证工具的Cortex-M内核。“

  Anderson补充说,虽然您可以查看规格以确定所选平台,但他发现最近的选择更有可能基于轶事证据。例如,某个人在另一家公司的朋友有很好的应用程序支持经验,因此这是其他人选择的产品。

  首先,定义系统架构并将计算资源放在最有意义的地方,Légaré建议道。那么,这是相当简单的部分,然后是什么?

  下一步是不同的。如果端点需要针对功率进行优化,则通常从设计步骤开始,然后使用具有功率测量功能的JTAG探头来找到正确的平衡点。如果通信堆栈将在端点或连接到端点的模块上运行,则通常使用实时内核来优化CPU使用率。

  当然,物联网应用有不同的要求。例如,物联网端点应用程序具有比可穿戴设备更小的功率范围和更低的性能目标。从物理实现的角度来看,钱宇为设计人员提供了以下检查清单,以平衡功耗,功能和可靠性:

  代工厂流程选择:通过选择流程节点,设计师锚点PPAC的窗口(性能,功率,面积,成本)基于应用和设计预算。然后他们使用各种设计技术进行权衡

  工作电压:较低的工作电压对节能有很大影响,因此采用低压设计技术可以带来很大的收益关闭。

  睡眠泄漏优化:许多物联网设备大部分时间都处于休眠状态,因此睡眠模式的泄漏优化至关重要。设计人员可以使用厚栅极氧化(TGO)器件针对非睡眠模块优化存储器保持和掉电模式,考虑通过应用更多长通道器件在功率区域之间进行权衡。

  物联网SoC子系统:尽管物联网子系统SoC的概念相对较新,但这些组件实际上使用的是成熟技术。设计人员可以利用IP模块,参考设计和集成工具来增加功能并提高可靠性。