關於微控制器平台遷移的工程師指南

作者 : Mark Patrick,貿澤電子

雖然某些零組件比其他產品更容易找到替代方案,但半導體和IC等元件往往更加複雜。它們在設計中根深蒂固,影響很大,特別是微控制器(MCU),或許是最多應與考慮的。本文將討論工程師在開始一個產品重新設計專案之前應該考慮的關鍵因素。

新冠肺炎疫情導致整個電子供應鏈長期中斷。暫且不論造成短缺的導火索是否在新冠肺炎之前已經出現,現實是我們現正經歷漫長的交付週期和嚴重的時間推遲,這已經影響到從被動元件到無線模組等所有一切。即便是準備最充分的工程和供應鏈團隊也無法充分應對行業目前面臨的深度和廣度短缺。

雖然某些元件比其他產品更容易找到替代方案,但半導體和積體電路等部件往往更加複雜,它們在設計中根深蒂固,影響很大。本文將討論工程師在開始一個產品重新設計專案之前應該考慮的關鍵因素。

前所未有的元件短缺

兩年前,當新冠肺炎爆發時,全球範圍內經常出現封控等事件,全球經濟迅速進入未知領域,許多公司也面臨著更加不確定的未來,製造業下調了產量,取消了元件長單,沒有人能夠預測即將發生的過山車似的行業態勢。但消費者並沒有無源地變為「隱士」,而是開始在網上消費,許多線上零售商面臨的訂單量呈對數級成長。

隨著辦公室員工轉移到家中工作,以及教育機構進行線上教學,對基本消費技術的需求突然激增。隨著車輛污染的大幅下降,人們在當地局部環境中花費的時間也越來越多,許多消費者希望未來的交通方式更加環保和可持續。隨著封控的放鬆,市場電動車的需求迅速增長,進一步加劇了汽車電子供應鏈的壓力。

2021年,從被動元件到IC和顯示器,電子行業面臨嚴重的元件短缺。根據市調機構《Gartner》的研究報告,到2021第四季元件市場正在改善,元件製造人員正在復工,生產量也在增加。儘管市場需求仍超過產出,Gartner預測情況將繼續改善。

圖1:Gartner預測半導體庫存。 (來源:Gartner)

終端產品製造商在元件供應鏈中仍然存在相當大的風險和脆弱性,這使得許多團隊重新評估現有的產品設計。

確定合作途徑的風險和重要性

供應鏈中斷問題並非新冠肺炎時期所獨有,洪水、地震等影響重要地區製造業的自然災害時有發生,因此電子供應鏈專業人員需要精心應對。大多數產品設計都採用較高比例的被動元件,其次是一些IC和模組,如微控制器(MCU)、電源管理IC(PMIC)、感測器和無線收發器等。

被動元件一般是以通用商品購買,除非它們需要具有獨特的參數值或特性。理想情況下,第二供貨源替代方案應該被確定為可製造設計(DFM)戰略的一部分。即便如此,某些特定類型的電容器,例如多層陶瓷電容(MLCC),也會經常出現「劃撥供貨」。

毫無疑問,電子行業在解決元件短缺問題時,工程和供應鏈團隊間的合作至關重要。不斷審查第二供貨源或第三供貨源需要仔細分析零組件參數值、物理尺寸、形狀因素和正式認證。

DFM策略還應確定那些不容易尋找第二供貨源的元件。對於像MCU這樣的專業IC,想找到合適的替代品要複雜得多。這些元件和許多其他IC都深深植根於設計之中,因此尋找替代MCU可能需要對產品設計進行根本性的更改。

要做到這一點,工程團隊需要仔細審核產品的架構,並分析所需採取的行動是否能夠與同一家MCU供應商保持一致,並選擇更容易獲得的元件,還是要更換供應商。這些決定影響巨大,需要採取知情透明的做法。該過程的另一個方面是與元件供應商及其授權販售者保持經常聯繫,以瞭解供應商是否已經努力在您的供貨時間範圍內增加產量,或許即將有適量庫存。儘管元件最初可能會通過分配來供應,但短缺可能是暫時的。

審核設計

在本文這一部分,我們將重點討論MCU。在審查帶來的可能變化時,MCU或許是最多應與考慮的。它還代表著其他IC和模組,如無線和專業類比IC等。在審核過程中,供應鏈團隊還必須分析工程團隊可能考慮的替代品供貨是否現實。

在遷移MCU平台時需要考慮的因素包括:

代碼可攜性:代碼是否可以輕鬆移植到其他設備?它是用可移植的高階語言(如C語言等)編寫,還是用較低級別或更依賴硬體的語言編寫?代碼是否採用了供應商專用硬體抽象規範與週邊埠通信?任何嵌入式開發從本質上都會涉及到通過MCU上的埠和通道與現實世界進行大量交互,因此這些挑戰始終存在。具有全域埠分配和聲明的良好架構代碼能夠大大減少對主要代碼更改的需要。

程式庫、裝置驅動程式及其它韌體:供應商提供的裝置驅動程式和程式庫有助於加快所有MCU應用的開發。例如,使用庫函數來控制微機電系統(MEMS)加速計,能夠説明開發人員專注於所需應用,而不是複雜的感測器內部操作。然而,它可能不適合於所有語言,或者它可能利用主機MCU上的功能進行操作。

跨平臺RTOS/作業系統:更複雜的嵌入式系統可以使用即時操作系統(RTOS)來調度任務並優先考慮與時間相關的活動。您當前的設計是否使用RTOS?它還支持哪些其它MCU平台,以及它對MCU所要求的硬體參數是什麼?

MCU平台決策:大致分為三類。

MCU架構:您正在使用的當前設備架構是什麼?8位元,32位元?指令集架構也是重要資訊,Arm、8051、AVR、還是RISC-V?也許您當前的供應商已經提供了具有相同內部架構的類似設備,並且可以廣泛獲取。若採用不同的封裝尺寸,這其中將涉及電路板布局問題,或將導致大量返工和不可回收的工程成本。一個非常理想的場景是找到一個引腳和軟體相容的產品來替代當前MCU;然而,這種可能性非常小。

MCU功能:現代MCU具有大量週邊和基本功能,其中包括類比數位轉換器、計時器、計數器和脈寬調製器等。然後是安全單元、加密加速器和浮點單元等。連接選項多種多樣,從簡單的GPIO到更複雜的基於協議的通信,如USB、CAN和乙太網路(Ethernet)等。您當前的設計利用了哪些功能?此外,潛在元件的接腳排列將極大地影響電路板布局,需要成本昂貴的完整電路板重新設計。

本文原刊登於EDN China網站

活動簡介

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