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九大策略降低物联网跨平台设计复杂性!

每个工程项目在开发实施的过程中都可能会受到诸多因素的制约,其中最主要的三大因素是性能、功耗和价格,人们通常需要对这些因素做出权衡和折衷。以这三个因素为顶点构成三角形,每个项目都有其“侧重点”,但根据产品、市场和时间会有不同的相对权重。

物联网(IoT)相关应用的潜在增长为供应商及其设计团队提供了新的机遇,但也进一步增大了软硬件工程方面的挑战。硬件和软件密切相关, 共同组成了平台,需要采取多种策略来最大程度地降低跨平台设计的复杂性。这些策略包括:

1. 限制传感器和换能器输入/输出

首先决定输入/输出需求是否采用固定或有限的数量和类型,或者是否需要扩展数量和提高类型的灵活性。这一决定会影响到 MCU 和外部设备的选择。如果输入/输出不仅包含简单的低压数字点,还包括温度传感器、电机甚至串行和并行格式的通信线路, 这一点就尤为关键。

2. 使用外部认证射频模块

很多情况下,独立于核心应用处理器的模块都具有重要意义。虽然高度集成的单片解决方案在电路板空间、功率和成本方面颇具吸引力,但倘若无线协议、要求范围甚至监管要求有任何变化或扩展,都需要对设计进行重大改变,或者需要采用新的 MCU 和射频链路相关固件。即便编码部分很简单(可能性不大),但 MCU 可能无法满足新的要求而需要进行升级,因此增加了开发时间和风险。

3. 以功率换取性能

弄清所选的 MCU 在功率与性能矩阵中的正确位置。沿着所需性能的曲线上移,会遇到阈值点,此时不得不使用体积和功耗更大的 MCU。沿着曲线下移时,所需资源减少,可考虑使用体积小、功率低、价格便宜的 MCU。

请确保所选的特定 MCU 支持各种复杂的速度、功能和功率模式,这样才能优化操作顺序,最大程度降低总能耗,应对需要大功耗的操作。

4. 简化安全性

一些处理器具有专用的硬件嵌入特性,提供自动安全功能,并且不依赖于任何应用软件甚至所选 RTOS。这种方式可能会简化所面对的安全挑战。如果选择的所有 MCU 都具有相同的嵌入式安全功能就更好了,因为无论使用哪一种处理器,都可以跳过物联网挑战中的这个重要部分。

5. 系统标准化

随着对大小/性能要求的变化,需要对低功耗 8/16 位 MCU 进行标准化,然后采用不同的内存大小(片上或外部内存);也可采用一个较大的 32 位 MCU,虽然在低端应用时会浪费一些容量, 但它具有代码和驱动器一致的优势, 同时还能简化 BOM 和测试过程。

6. 操作系统选择

在某些情况下,一台简单、低成本的单线程操作系统(OS)便已足够, 但也有很多项目需要实时操作系统(RTOS)。无论哪一种操作系统,都需要对小型、中型和大型 OS 版本的可扩展性和可用性做出评估。必须了解清楚最小版本的大小及相应的功能——您肯定不希望当项目完成 80% 时,在 OS 能力上“遭遇瓶颈”。

7. 硬件升级 VS 软件升级

在软件资源曲线上的一些关键点需要完成一些额外任务(开发时间,处理器资源),此时必须做出以下选择,要么增加外围 IC 帮助满负荷运行的 MCU 进行分流,要么选择一台运行速度更快的 MCU。决策时,要分析何时需要一台功能更强大的 MCU 将硬件任务交回软件,从而减少组件成本、电路板尺寸和功耗( 原则上), 但为此可能要延长开发和调试时间。

8. 慎选择连接协议

使用“较轻的”物联网优化协议,不要选择基于客户端/服务器 HTTP 的互联网浏览器模型,这样可以将堆栈和处理要求减少二倍或以上,便于应对多台物联网设备及其外围设备。随着市场要求日趋严苛,还需考虑当连接要求( 协议、速度和完整性) 提高时会发生什么情况。

在设计阶段尽早制定测试计划 这一点非常重要而且复杂,特别是当设计中包含无线应用时。使用何种方法非正式然后正式地验证最终产品是否符合市场、技术、行业标准和监管要求,会影响“修复”周期和上市时间。如果在产品中增加针对不同应用的功能,就需对原型测试程序或生产测试设置做出改变,这会加大工作量,同时增加不确定性和风险。采用经过许可的预认证软硬件模块,可确保最终设计在许多方面( 但不是全部) 的一致性和顺应性。如果有任何关于设计和验证的高级监管准则(如关于医疗产品可靠性的准则)影响到软件, 都应该明了于心。如果这些准则不适用于所有产品,要弄清它们适用于哪些产品。

9. 安全问题是重中之重

所采用的软件技术和策略应能跨产品,满足应用要求,并与物联网用户接口(如果有的话)匹配,例如防火墙、身份验证和密码。从分级列表中找出所需的安全资源,包括安全启动、身份验证、安全通信、防火墙、篡改检测、事件报告、远程命令审查和策略管理,根据现有的软件资源,确保每一项的实际执行正确且可行。评估要提高各种产品的安全性是否必须采用更大或更快的 MCU,制定计划验证实施的安全步骤是否可靠。

结论

随着新产品的开发,“重心”无疑也需要相应地进行改变,以满足不断变化的要求。设计人员应纵观当前及未来的产品,选择适合的平台,尽量减少返工并提高重复利用率,确保上述变化不会对成本、进度或工作负荷造成不必要的影响。


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