物聯網(IoT)相關應用的潛在成長為供應商及其設計團隊提供了新的機會,但也進一步擴大軟硬體工程方面的挑戰。硬體和軟體密切相關,共同組成了平台,需要採取多種策略來最大程度地降低跨平台設計的複雜性。這些策略包括:

限制感測器和變頻器(Transducer)輸入/輸出(I/O)

首先決定您的輸入/輸出需求是否採用固定或有限的數量和類型,或者是否需要擴展數量和提高類型的靈活性。這一決定會影響您對微控制器(MCU)和外部周邊設備的選擇。如果輸入/輸出不僅包含簡單的低壓數位點,還包括溫度感測器、馬達、甚至串列和並行格式的通訊線路,這一點就尤為關鍵。

使用外部認證射頻(RF)模組

很多情況下,獨立於核心應用處理器的模組都具有重要意義。雖然高度整合的單晶片解決方案在電路板空間、功率和成本方面頗具吸引力,但倘若無線通訊協議(protocol)、要求範圍、甚至法規要求有任何的變化或擴展,都需要對設計進行重大改變,或者需要採用新的MCU和射頻鏈路相關韌體。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,而且需要升級,因此增加了開發時間和風險。

以功率換取效能

弄清楚選擇的MCU在功率與效能矩陣中的正確位置。當您沿著所需效能的曲線往上移,將會遇到閾值點,因此不得不使用體積和功耗更大的MCU。當您沿著曲線下移時,所需資源減少,則可考慮使用體積小、功率低、價格便宜的MCU。

請確保所選的特定MCU支援各種複雜的速度、功能和功率模式,這樣才能優化操作順序,最大程度降低總能耗,應對需要大功耗的操作。

簡化安全性

一些處理器具有專用的硬體嵌入特性,提供自動安全功能,並且不依賴任何應用軟體,甚至所選的即時作業系統(RTOS)。這種方式可能會簡化您所面對的安全挑戰。如果您選的所有MCU都具有相同的嵌入式安全功能就更好了,因為無論選擇哪一種處理器,都可以跨越物聯網挑戰中的這個重要部分。

系統標準化

隨著對大小/效能要求的變化,需要對低功耗8/16位元MCU進行標準化,然後採用不同的記憶體大小(片上記憶體或外部記憶體);也可採用一個較大的32位元MCU,雖然在低階應用時會浪費一些容量,但具有代碼和驅動器一致的優勢,同時還能簡化物料清單(BOM)和測試過程。

作業系統選擇

在某些情況下,一台簡單、低成本的單執行緒作業系統便已足夠,但也有很多專案需要採用即時作業系統。無論採用哪一種作業系統,都需要對小型、中型和大型作業系統版本的可擴展性和可用性做出評估。必須瞭解清楚最小版本的大小及其相應的功能——您肯定不希望當專案完成80%時,在作業系統的能力「遇到瓶頸」。

硬體升級VS軟體升級

在軟體資源曲線上的一些關鍵點需要完成一些額外任務(開發時間,處理器資源),此時您必須做出以下選擇,要麼增加周邊IC來為滿載運作的MCU進行分流;要不選擇一台運算速度更快的MCU。決策時,要分析何時需要一台功能更強大的MCU說明您將硬體任務交回軟體,從而減少元件成本、電路板尺寸和功耗(原則上),但為此您可能要延長開發和除錯(debug)時間。

謹慎選擇通訊協定

使用「較輕的」物聯網優化通訊協定,而不要選擇基於用戶端/伺服器HTTP的網際網路流覽器模型,這樣可以將堆疊和處理要求減少二倍或以上,便於應對多台物聯網設備及其周邊設備。隨著市場要求日趨嚴苛,還需考慮當連接要求(通訊協定、速度和完整性)提高時會發生什麼情況。

在設計階段儘早制定測試計畫

這一點非常重要而且複雜,特別是當設計中包含無線應用時。如何非正式、然後正式地驗證最終產品是否符合市場、技術、行業標準和法規要求,會產品影響「調整修復」週期和上市時間。如果要在產品中增加針對不同應用的功能,就需對原型測試程式或生產測試設置做出改變,這會增加工作量,同時增添不確定性和風險。採用經過許可的預認證(precertified)軟硬體模組,可確保最終設計在許多方面的一致性和順應性,但不是全部。如果有關設計和驗證的任何高階監管準則(如關於醫療產品可靠性的準則)影響到軟體,都應該明瞭於心。如果這些準則不適用於所有產品,要清楚它們適用哪些產品。

安全問題是重中之重

所採用的軟體技術和策略應能跨產品滿足應用要求,並與物聯網使用者介面(如果有的話)匹配,例如防火牆、身份驗證和密碼。從分級列表中找出所需的安全資源,包括安全啟動、身份驗證、安全通訊、防火牆、篡改檢測、事件報告、遠端命令審查和策略管理,根據所擁有的軟體資源,確保每一項的實際執行正確且可行。評估要提高各種產品的安全性是否必須採用更大或更快的MCU,制定計劃驗證實施的安全步驟是否可靠。

結論

隨著新產品或附加產品的開發,「甜蜜點(sweet point)」無疑也需要相應地進行改變,以滿足不斷變化的要求,同時避免過度妥協。設計人員應縱觀當前及未來的產品,選擇適合的平台,儘量減少返工並提高重複利用率,確保上述變化不會對成本、進度或工作負荷造成不必要的影響。