【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的潛在增長為供應(yīng)商及其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了新的機(jī)遇，但也進(jìn)一步增大了軟硬件工程方面的挑戰(zhàn)。本文介紹了旨在最大程度降低物聯(lián)網(wǎng)跨平臺(tái)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的十大策略。
每個(gè)工程項(xiàng)目在開發(fā)實(shí)施的過程中都可能會(huì)受到諸多因素的制約，其中最主要的三大因素是性能、功耗和價(jià)格，人們通常需要對(duì)這些因素做出權(quán)衡和折衷。以這三個(gè)因素為頂點(diǎn)構(gòu)成三角形，每個(gè)項(xiàng)目都有其“側(cè)重點(diǎn)”，但根據(jù)產(chǎn)品、市場和時(shí)間會(huì)有不同的相對(duì)權(quán)重。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相關(guān)應(yīng)用的潛在增長為供應(yīng)商及其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了新的機(jī)遇，但也進(jìn)一步增大了軟硬件工程方面的挑戰(zhàn)。硬件和軟件密切相關(guān)， 共同組成了平臺(tái)，需要采取多種策略來最大程度地降低跨平臺(tái)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這些策略包括：
限制傳感器和換能器輸入/輸出
首先決定輸入/輸出需求是否采用固定或有限的數(shù)量和類型，或者是否需要擴(kuò)展數(shù)量和提高類型的靈活性。這一決定會(huì)影響到MCU和外部設(shè)備的選擇。如果輸入/輸出不僅包含簡單的低壓數(shù)字點(diǎn)，還包括溫度傳感器、電機(jī)甚至串行和并行格式的通信線路， 這一點(diǎn)就尤為關(guān)鍵。
使用外部認(rèn)證射頻模塊
很多情況下，獨(dú)立于核心應(yīng)用處理器的模塊都具有重要意義。雖然高度集成的單片解決方案在電路板空間、功率和成本方面頗具吸引力，但倘若無線協(xié)議、要求范圍甚至監(jiān)管要求有任何變化或擴(kuò)展，都需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大改變，或者需要采用新的MCU和射頻鏈路相關(guān)固件。即便編碼部分很簡單(可能性不大)，但MCU可能無法滿足新的要求而需要進(jìn)行升級(jí)，因此增加了開發(fā)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。
以功率換取性能
弄清所選的MCU在功率與性能矩陣中的正確位置。沿著所需性能的曲線上移，會(huì)遇到閾值點(diǎn)，此時(shí)不得不使用體積和功耗更大的MCU。沿著曲線下移時(shí)，所需資源減少，可考慮使用體積小、功率低、價(jià)格便宜的MCU。
請(qǐng)確保所選的特定MCU支持各種復(fù)雜的速度、功能和功率模式，這樣才能優(yōu)化操作順序，最大程度降低總能耗，應(yīng)對(duì)需要大功耗的操作。
簡化安全性
一些處理器具有專用的硬件嵌入特性，提供自動(dòng)安全功能，并且不依賴于任何應(yīng)用軟件甚至所選RTOS。這種方式可能會(huì)簡化所面對(duì)的安全挑戰(zhàn)。如果選擇的所有MCU都具有相同的嵌入式安全功能就更好了，因?yàn)闊o論使用哪一種處理器，都可以跳過物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)中的這個(gè)重要部分。
系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化
隨著對(duì)大小/性能要求的變化，需要對(duì)低功耗8/16位MCU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后采用不同的內(nèi)存大小(片上或外部內(nèi)存)；也可采用一個(gè)較大的32位MCU，雖然在低端應(yīng)用時(shí)會(huì)浪費(fèi)一些容量， 但它具有代碼和驅(qū)動(dòng)器一致的優(yōu)勢， 同時(shí)還能簡化BOM和測試過程。
操作系統(tǒng)選擇
在某些情況下，一臺(tái)簡單、低成本的單線程操作系統(tǒng)(OS)便已足夠， 但也有很多項(xiàng)目需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。無論哪一種操作系統(tǒng)，都需要對(duì)小型、中型和大型OS版本的可擴(kuò)展性和可用性做出評(píng)估。必須了解清楚最小版本的大小及相應(yīng)的功能——您肯定不希望當(dāng)項(xiàng)目完成80% 時(shí)，在OS能力上“遭遇瓶頸”。
硬件升級(jí)VS軟件升級(jí)
在軟件資源曲線上的一些關(guān)鍵點(diǎn)需要完成一些額外任務(wù)(開發(fā)時(shí)間，處理器資源)，此時(shí)必須做出以下選擇，要么增加外圍IC幫助滿負(fù)荷運(yùn)行的MCU進(jìn)行分流，要么選擇一臺(tái)運(yùn)行速度更快的MCU。決策時(shí)，要分析何時(shí)需要一臺(tái)功能更強(qiáng)大的MCU將硬件任務(wù)交回軟件，從而減少組件成本、電路板尺寸和功耗( 原則上)， 但為此可能要延長開發(fā)和調(diào)試時(shí)間。
謹(jǐn)慎選擇連接協(xié)議
使用“較輕的”物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化協(xié)議，不要選擇基于客戶端/服務(wù)器HTTP的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器模型，這樣可以將堆棧和處理要求減少二倍或以上，便于應(yīng)對(duì)多臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其外圍設(shè)備。隨著市場要求日趨嚴(yán)苛，還需考慮當(dāng)連接要求( 協(xié)議、速度和完整性) 提高時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。
在設(shè)計(jì)階段盡早制定測試計(jì)劃 這一點(diǎn)非常重要而且復(fù)雜，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)中包含無線應(yīng)用時(shí)。使用何種方法非正式然后正式地驗(yàn)證最終產(chǎn)品是否符合市場、技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管要求，會(huì)影響“修復(fù)”周期和上市時(shí)間。如果在產(chǎn)品中增加針對(duì)不同應(yīng)用的功能，就需對(duì)原型測試程序或生產(chǎn)測試設(shè)置做出改變，這會(huì)加大工作量，同時(shí)增加不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。采用經(jīng)過許可的預(yù)認(rèn)證軟硬件模塊，可確保最終設(shè)計(jì)在許多方面( 但不是全部) 的一致性和順應(yīng)性。如果有任何關(guān)于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的高級(jí)監(jiān)管準(zhǔn)則(如關(guān)于醫(yī)療產(chǎn)品可靠性的準(zhǔn)則)影響到軟件， 都應(yīng)該明了于心。如果這些準(zhǔn)則不適用于所有產(chǎn)品，要弄清它們適用于哪些產(chǎn)品。
安全問題是重中之重
所采用的軟件技術(shù)和策略應(yīng)能跨產(chǎn)品，滿足應(yīng)用要求，并與物聯(lián)網(wǎng)用戶接口(如果有的話)匹配，例如防火墻、身份驗(yàn)證和密碼。從分級(jí)列表中找出所需的安全資源，包括安全啟動(dòng)、身份驗(yàn)證、安全通信、防火墻、篡改檢測、事件報(bào)告、遠(yuǎn)程命令審查和策略管理，根據(jù)現(xiàn)有的軟件資源，確保每一項(xiàng)的實(shí)際執(zhí)行正確且可行。評(píng)估要提高各種產(chǎn)品的安全性是否必須采用更大或更快的MCU，制定計(jì)劃驗(yàn)證實(shí)施的安全步驟是否可靠。
結(jié)論
隨著新產(chǎn)品的開發(fā)，“重心”無疑也需要相應(yīng)地進(jìn)行改變，以滿足不斷變化的要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)縱觀當(dāng)前及未來的產(chǎn)品，選擇適合的平臺(tái)，盡量減少返工并提高重復(fù)利用率，確保上述變化不會(huì)對(duì)成本、進(jìn)度或工作負(fù)荷造成不必要的影響。
作者：Stefan Ingenhaag，瑞薩電子歐洲公司
本文來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
