簡介

為成功開發出連接現實世界活動與互聯網的產品，物聯網（IoT）設計與多個設計領域進行了緊密結合。對當今的工程師而言，每個設計領域都具有挑戰性。結合所有設計領域共同創建IoT產品，可能會對設計團隊帶來極大的壓力。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網連接的傳感器和執行器。傳感器信號以放大器或低通濾波器的形式發送到模擬信號處理設備。輸出結果連接至模擬/數字（A/D）轉換器，轉換成數字化信號。該信號被發送至包含微控制器或微處理器的數字邏輯模塊。相反地，執行器由模擬驅動器通過數字/模擬（D/A）轉換器進行控制。傳感器遙測信號發送以及控制信號接收，通過使用諸如WiFi、藍牙、ZigBee之類的標準協議或定制協議的射頻模塊進行。射頻器件將數據通過智能手機或PC傳送至云端。

設計集成

這些主要IoT功能模塊可以由現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獨立封裝設計中并非易事。

集成意味著IoT器件成本、規模、性能和功耗的改善。創建多功能芯片可以減少元件數量并改善設計集成。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轉換器和D/A轉換器。另一家傳感器公司則新增加了模擬信號處理和A/D轉換器。

圖2：集成多功能芯片案例

IoT設計挑戰

IoT設計所面臨的第一個基本挑戰是集成。讓我們從圖3假定的IoT設計進一步展開討論。

圖3：賽車隊的輪胎壓力監測系統

一輛賽車的四個輪胎都嵌入了輪胎壓力監測設備。監測設備將輪胎壓力值發送至車載基站，后者再將數據發送到云端，便于賽車隊進行監測。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測量輪胎的氣壓。該傳感器發出的模擬信號被放大，然后轉變為數字信號。數字接口將這些信號發送到微控制器進行處理，后者再將數據發送至射頻器件。車載基站接收來自射頻器件的數據，然后將數據上傳到云端。賽車隊的軟件可以解讀數據流并提供輪胎壓力讀數。系統采用電池為超級電容器進行充電，而后者將為微控制器和射頻器件提供電源。

輪胎壓力設計為IoT設計帶來了一個基本挑戰：圖4展示了共存于IoT器件內的四個設計領域。

圖4：四個IoT設計領域

當設計集成涉及兩個或更多設計領域， IoT設計將面臨更大的挑戰。IoT設計要求結合這四個設計領域，尤其是在同一芯片的情況下。即使組件針對的是之后再結合的不同芯片，在版圖布局和驗證過程中，它們仍需要協同工作。在輪胎壓力設計中，A/D和放大器屬于模擬領域，數字接口和微控制器屬于數字領域，射頻器件屬于射頻領域，而壓力傳感器屬于MEMS器件。設計團隊需要先繪制混合模擬與數字、射頻和MEMS的設計，進行芯片版圖布局，然后執行元器件和頂層仿真。

Tanner的解決方案

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

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

仿真混合信號設計。S-Edit創建Verilog-AMS網表，然后傳遞給T-Spice。T-Spice將網表自動分割為設計的模擬仿真部分以及在ModelSim中進行的數字仿真部分，如圖5所示。

圖5：模擬和數字分區進行仿真

兩種仿真器被自動調用，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計實施語言，您只需從S-Edit運行仿真，設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波形查看器查看結果。

布局設計。使用L-Edit進行物理設計，您可以創建出針對IoT設計完整的自定義版圖。通用MEMS元素和特定曲線的參數化版圖庫可推動MEMS設計。

實施MEMS器件

因為與封裝和制造工藝相關，MEMS元件是決定器件性能的關鍵因素。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腔體。為描述傳感器的特征，您需要通過施加的壓力進行仿真。

圖6：MEMS壓力傳感器

您可以創建壓力傳感器的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，即以掩模為導向，然后成功制造出傳感器。

從L-Edit的2D掩模版圖開始創建器件。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行3D分析，如發現任何問題，可以進行迭代。對2D掩模版圖進行適當的修改，然后重復流程。通過這個以掩模為導向的流程，您可以在運行的MEMS器件中進行仿真集成，因為您可以直接創建最終用于制造目的的掩模，而不是從3D模型進行逆向工作。

圖7：以掩模為導向的MEMS流程

結語

IoT設計的基本挑戰是結合模擬、數字、射頻和MEMS四個設計領域。Tanner設計流程旨在采用集成設計、仿真、版圖布局和驗證的設計流程，在任何設計領域中開展無縫協作。