Projektowanie PCB do urządzeń IoT

Podstawowe elementy systemów IoT

Konwerter ADC. W wielu urządzeniach IoT wykorzystywany jest sygnał analogowy, reprezentujący zazwyczaj jakąś wartość pomiarową. Sygnał ten musi zostać zamieniony na postać cyfrową, aby możliwa była jego interpretacja przez mikroprocesor. Zamiana ta odbywa się w układzie konwertera analogowo-cyfrowego (określanego zazwyczaj jako ADC lub A/D). Na wejście konwertera podawany jest sygnał analogowy, na wyjściu zaś pojawia się sygnał cyfrowy o wartości odpowiadające poziomowi prądu lub napięcia sygnału wejściowego. Jedną z głównych zalet sygnału analogowego jest możliwość przyjęcia teoretycznie nieskończonej liczby wartości – w przeciwieństwie do sygnału cyfrowego, w którym zawsze występuje tzw. błąd kwantyzacji, wynikający z konieczności zaokrąglenia wartości sygnału analogowego do jednego z dopuszczalnych poziomów sygnału cyfrowego. W rzeczywistych układach dokładność sygnału analogowego również ograniczana jest innymi czynnikami, jak np. wpływem szumów pomiarowych, zależnością od czynników środowiskowych, itd. Wykorzystanie wystarczająco dokładnego konwertera ADC (o rozdzielczości zbliżonej do niepewności pomiaru) pozwala zatem znacząco zminimalizować wpływ błędu kwantyzacji na działanie układu. Układy MEMS. Układy MEMS (micro-electro-mechanical systems) to urządzenia elektroniczne ze zintegrowanymi miniaturowymi elementami mechanicznymi. Najczęściej wykorzystywane są jako różnego rodzaju czujniki, pozwalające np. na pomiar przyspieszenia czy ciśnienia atmosferycznego. Układy tego typu znaleźć można obecnie niemal w każdym urządzeniu IoT. Swoją dużą popularność zawdzięczają m.in. łatwości implementacji i obsługi, niewielkim rozmiarom oraz niskiej cenie.

Układy RF. Podstawowym kanałem komunikacji dla większości urządzeń IoT jest komunikacja radiowa z wykorzystaniem standardu Wi-Fi, Bluetooth lub dedykowanych protokołów. Za pomocą łączności bezprzewodowej układy IoT uzyskują dostęp do sieci internetowej, co z definicji jest niezbędne do ich prawidłowego funkcjonowania. Podczas projektowania systemu komunikacji bezprzewodowej niezbędne jest uwzględnienie wielu czynników, takich jak potrzeby i ograniczenia aplikacji, wymagania sprzętowe i programowe czy budżet energetyczny. Do najważniejszych parametrów związanych z komunikacją radiową zaliczyć można zużycie energii (moc nadajnika), zasięg oraz szybkość transmisji.

Wygląd produktu

Jednym z kluczowych wymagań dla produktów projektowanych z myślą o odbiorcy masowym jest ich atrakcyjność wizualna, zarówno pod względem wymiaru, wyglądu obudowy, jak i interfejsu użytkownika. Przykładowo, aby opaska sportowa odniosła sukces na rynku, musi być zarówno lekka, komfortowa w noszeniu, jak i atrakcyjna stylistycznie, smartwatch nie może być nieporęczny, zaś elektroniczny zamek do drzwi musi estetycznie komponować się z wystrojem wnętrza. Jeśli wymagania te nie zostaną spełnione, urządzenie zakończy swój żywot najprawdopodobniej już na etapie prototypu lub co najwyżej próbnej partii produkcyjnej.

W przypadku urządzeń IoT wyróżnić można dwa główne rodzaje cyklu projektowego. W pierwszym wypadku powstanie gotowego produktu poprzedzone jest przez działający projekt koncepcyjny, odpowiednio ulepszany i testowany. Dopiero po sprawdzeniu jakości prototypu odbywa się badanie rynku oraz próba nadania projektowi jak najatrakcyjniejszej formy wizualnej przy satysfakcjonującej klienta cenie. W drugim przypadku, charakterystycznym bardziej dla większych i bardziej dojrzałych producentów, projekt wizualny wykonywany jest równolegle (lub nawet przed) z projektem urządzenia. Wszystkie elementy urządzenia, jak np. płytka PCB, od razu konstruowane są z myślą o określonym wyglądzie i kształcie obudowy.

Dobór komponentów

Bardzo ważnym krokiem podczas projektowania urządzenia IoT jest poszukiwanie oraz wybór odpowiednich komponentów. Dobór właściwego rodzaju czujników, modułów komunikacyjnych, procesora czy układów analogowych jest krytyczny dla późniejszej funkcjonalności oraz kosztu produktu końcowego. Układy IoT bardzo często zawierają wiele miniaturowych elementów, takich jak diody LED, wyświetlacze cyfrowe, kamery i aparaty fotograficzne, mikrofony czy głośniki. W skład interfejsu użytkownika wchodzą zazwyczaj przyciski (mechaniczne lub dotykowe), przełączniki, porty ładowania/zasilania oraz różnego rodzaju czujniki (np. linii papilarnych). W przypadku układów zasilanych bateryjnie jednym z kluczowych czynników jest energooszczędność poszczególnych elementów, mająca finalnie wpływ na całkowity czas pracy urządzenia.

Testowanie produktu

Produkty IoT mają zazwyczaj kilka trybów pracy, takich jak czuwanie, nadawanie/ odbiór, ładowanie, tryb wysokiej aktywności, itd. Na etapie testowania produktu konieczna jest zatem weryfi- kacja działania każdego z tych trybów, jak również poprawności przełączania pomiędzy nimi.

Dodatkowo, wiele z urządzeń IoT to zasilanie bateryjnie tzw. wearables (elektronika noszona), które muszą być ekstremalnie energooszczędne. Podczas testowania każdego z trybów pracy powinno się zatem zwrócić szczególną uwagę na zagadnienia związane z konsumpcją energii elektrycznej oraz na możliwości dalszej optymalizacji tego parametru. Podczas projektowania PCB warto podjąć próbę identyfikacji kluczowych obszarów układu zasilania (najwyższe natężenie prądu) i ze szczególną starannością zabezpieczyć je przed uszkodzeniem, np. poprzez zastosowanie odpowiedniej szerokości ścieżek.

Obsługa pamięci

Wiele urządzeń IoT wyposażone jest w układy pamięci DRAM lub Flash. Ścieżki łączące układy pamięci z mikroprocesorem wymagają szczególnej uwagi podczas projektowania, ponieważ płynące przez nie szybkozmienne sygnały są bardzo wrażliwe na zakłócenia. Czynniki takie jak straty w linii transmisyjnej, odbicia czy obecność przelotek mogą przyczynić się do powstawania błędów podczas komunikacji z pamięcią.

Projektowanie PCB

Obudowa produktu IoT jest zazwyczaj projektowana z wykorzystaniem narzędzi CAD umożliwiających wizualizację projektu w 3D. Jeśli tylko środowisko projektowe na to pozwala, warto skorzystać z wizualizacji 3D również podczas projektowania płytki PCB. Możliwość wizualizacji płytki umieszczonej w obudowie bardzo ułatwia etap projektowania, pozwala na wizualną kontrolę poprawności projektu oraz przyspiesza proces rozmieszczania komponentów. Poniżej przedstawiono listę wybranych zagadnień, które należy uwzględnić podczas projektowania PCB dla układów IoT.

 

Rys. 1. Projekt obwodu sztywno-giętkiego w widoku 2D oraz 3D

Rozmieszczenie elementów

Po wykonaniu schematu połączeń oraz ustaleniu wymiarów i kształtu płytki drukowanej (z uwzględnieniem lokalizacji otworów montażowych, wycięć, itd.) kolejnym etapem jest rozmieszczenie komponentów. Do tego celu bardzo przydatna jest możliwość wizualizacji płytki w widoku 3D (zapewniana przez większość współczesnych środowisk projektowych), ponieważ pozwala upewnić się, że nie zostaną naruszone ograniczenia związane z umieszczeniem urządzenia w obudowie.

Obwody sztywno-giętkie

Obwody giętkie oraz sztywno-giętkie coraz częściej wykorzystywane są podczas konstrukcji urządzeń IoT. Weryfikacja projektu z wykorzystaniem widoku 3D pozwala upewnić się, że elementy giętkie ułożone są we właściwy sposób i nie przeszkadzają w rozmieszczeniu komponentów.

Testowanie

Do głównych parametrów podlegających sprawdzeniu w przypadku urządzenie IoT wyposażonych w interfejs komunikacji bezprzewodowej należą zasięg komunikacji, czas pracy na baterii, czas reakcji/odpowiedzi oraz interoperacyjność.

Podsumowanie

Projektowanie płytki PCB dla urządzeń IoT wymaga uwzględnienia pewnych specyficznych uwarunkowań, m.in.:

• odpowiedniego wyboru i wykorzystania komponentów, w szczególności komponentów charakterystycznych dla urządzeń IoT, jak np. układów komunikacji radiowej,
• poświęcenia szczególnej uwagi dla narzędzi służących do oceny poprawności projektu, jak symulacja, walidacja, sprawdzenie wymagania energetycznych oraz pamięciowych,
• wizualizacji produktu z wykorzystaniem widoku 3D, co pozwala na kontrolę poprawności projektu pod kątem późniejszego umieszczenia w obudowie.

Damian Tomaszewski