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Progettare un PCB per la Internet of Things (IoT) – Parte 2

on 12 Giugno 2017

Eccoci alla seconda parte del nostro tutorial su come progettare il PCB di un prodotto IoT (Internet of Things), che segue la prima parte già pubblicata.

La forma degli oggetti IoT è il fattore che ne determina in modo maggiore le modalità di progettazione. Abbiamo visto come i wearables e in generale gli oggetti che stanno a contatto col corpo siano una delle tipologie già oggi più diffuse di IoT. In questi prodotti la forma è decisiva, poiché essi devono essere sufficientemente piccoli, ergonomici, ma anche accattivanti nell’aspetto.

Qui si fronteggiano due diversi approcci alla progettazione: in uno viene realizzato il progetto elettronico, il quale viene poi adattato nella forma alle esigenze del consumatore. Nel secondo è la forma che sin dall’inizio guida il lavoro del progettista, vincolato ai dettami del design estetico.

I componenti di un progetto IoT

La scelta dei componenti è il primo fattore critico di progettazione. La figura mostra il caso del termostato Nest, dove convivono IC a segnale analogico/misto, convertitori, sensori, attuatori, MEMS e moduli radio. Ma possono esserci anche versioni miniaturizzate di LED, display, fotocamere, microfoni e speaker.

iot design components

Componenti tipici in un progetto IoT (in questo caso il termostato Nest)

L’interfaccia fisica può richiedere pulsanti, commutatori, sensori touch e porte per la ricarica. Ma i dispositivi IoT possono anche contenere sensori, rilevatori di impronte digitali, resistori rilevatori di forza o FSR, force sensing resistors e sensori di flessibilità.

Il force sensitive resistor (FSR) prodotto dalla Interlink Electronics

flex resistor

Il sensore di flessibilità prodotto dalla Spectra Symbol

Cattura degli obiettivi progettuali (intent) in uno schematico

Una volta effettuata la scelta dei componenti e la creazione della libreria dei simboli è completa, è il momento di definire le connessioni tra i diversi componenti in un diagramma schematico. Per ottenere la massima efficienza e produttività, la progettazione dello schematico deve includere la gestione dei componenti con le loro caratteristiche complete e i costi.

Nella figura che segue si vede un esempio di ambiente pienamente integrato, per la fase di cattura dello schematico. In questo caso, grazie all’uso di un tool come PADS, è stato possibile accedere direttamente all’analisi dei segnali del circuito analogici/misti e all’analisi dell’integrità di segnale pre-layout, direttamente all’interno dell’ambiente di progettazione dello schematico. Ciò consente di ottenere l’integrità di segnale del progetto e il soddisfacimento dei requisiti fisici del prodotto.

iot design schematic capture

L’ambiente di progetto di PADS, pienamente integrato per la cattura dello schematico

I progetti IoT contengono segnali analogici e misti (AMS). I circuiti AMS per essere performanti richiedono una progettazione specifica basata sui modelli, la simulazione e l’analisi per i circuiti a tecnologia mista, come nella figura che segue. Questa tipologia di analisi è critica per garantire gli obiettivi progettuali, le prestazioni e l’affidabilità del prodotto IoT.

Quello che fa la differenza, negli oggetti IoT, è il loro continuo cambio di stato: standby, trasmissione/ricezione, ascolto, ricarica, ecc. È possibile applicare la verifica funzionale a ciascuno degli stati e anche nei passaggi da uno all’altro. La simulazione pre-layout, insieme alla possibilità di pianificare la verifica post-layout, consente di soddisfare nel modo più efficace i requisiti funzionali del progetto.

iot design ams

L’ambiente PADS di analisi e simulazione AMS

Dispositivi IoT come i wearables sono di dimensioni ridotte e devono garantire la massima efficienza dal punto di vista dell’alimentazione. Per allungare la durata dei cicli tra una ricarica e l’altra della batteria, non ci devono essere malfunzionamenti dovuti a perdita di tensione e dunque diventa essenziale l’analisi della power integrity. Analogamente, bisogna individuare al più presto aree di eccessiva densità della corrente, per garantire che arrivi una corretta alimentazione ai circuiti integrati.

La simulazione è fondamentale anche per individuare tutti i problemi e le inefficienze nell’interfacciamento con la memoria. I prodotti IoT usano infatti microprocessori connessi con la DRAM e le memorie flash. Nei progetti basati su memorie DDR è essenziale essere in grado di vincolare e sbrogliare accuratamente le connessioni alla memoria. Ciò può essere ottenuto tramite strumenti come la gestione avanzata dei vincoli, come nella figura che segue, tratta da PADS.

iot design advanced contraint management

Il sistema avanzato di PADS di gestione dei vincoli di progetto

Nella prossima puntata, l’ultima, parleremo della fase di progettazione del layout del PCB.

Rileggi la puntata precedente.

Vedi altri articoli su: IoT, wearables, PADS

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