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白皮书 | 使用Cadence PSpice A/D技术进行物联网设计

版本:OrCAD V17.2

 Cadence® PSpice® A/D17.2-2016提供了完整的工具包来处理设计中的物联网传感器、控制器和驱动器问题。系统仿真和建模技术营造了针对混合信号设计的统一的设计环境,PSpice A/D可以帮助用户在市场上按时交付高质量的产品。

介绍
在几乎每个领域,都迫切需要设备能够连接到某种形式的网络,换句话说,就是使这些设备能够联网。每天接入互联网的设备数量都在激增。这些设备被称为物联网(IoT),他们无所不在,数量每天都在增加。这种演化并不局限于一种或几种类型的应用程序,相反,它会影响几乎所有的设计和应用程序。这一变化触及了我们日常生活的方方面面,从可穿戴设备、家用电器、安全系统,到监控工业流程的传感器。由于设备的本质、以及它们在不同操作条件下的操作需求,这些设备受到了前所未有的、高度变化的外部因素的影响,如热波动、电气噪声、流体、湿度、振动和冲击。确保这些系统在整个生命周期中的可靠运行,不仅至关重要,而且对于在竞争激烈的市场环境中生存非常关键。


物联网设计的关键挑战 

这些挑战对一个设计工程师来说意味着什么,以及它们如何影响传统的设计和仿真流程?让我们从系统角度来看一看物联网设备,以及它的关键元器件。在高层次上,从设计和仿真的角度,任何物联网设备都可以被分为以下三个关键模块:
 传感器
 控制器
 驱动器


除了这三个关键的功能模块,还有标准通信层,如
ZigBeeRFID、蓝牙、BACnetCoAP,它们可以建立通信、或建立连接到互联网。在某些情况下,传感器、控制器和驱动器可能会集成在一起;在某些情况下,它们可能是不同模块的一部分,但彼此相连。
 

仿真物联网器件
从设计仿真的角度,设计物联网设备需要具备以下能力:
• 设计物联网设备的所有三个模块
• 仿真整个系统
传统上,设计工程师依赖于SPICE仿真来设计一个可靠和可预测的系统。现今,设计工程师们有一个永恒的问题是:我们是否仍然可以依靠SPICE仿真来设计新一代的物联网设备?答案是肯定的。CadencePSpice A/D  17.2-2016让设计工程师们能够有效地克服物联网设计的挑战。系统仿真工程师通常使用市场上现有的元器件模型来进行系统仿真,但是在某些情况下,可能没有现成的模型,或者现成的模型可能不是传统的SPICE模型。PSpiceA/D 17.2-2016为用户提供了更多的建模功能,来满足这种特定的需求。下一节将概述PSpice A/D提供的独特功能,从而满足这些物联网设备的设计和仿真挑战。


传感器
这些传感器的目的是感应物理或电气参数,如电压、电流、功率、压力、光、移动、位置、距离、体积、重量和温度,这些信号都可以采取进一步处理。


1:仿真传感器输入阻抗的频域响应


这些传感器被当做巨大的互联系统的眼睛和耳朵。正如他们的名字,传感器是设计流程中的敏感元件,需要谨慎设计,以达到可靠的电路实现和功能。几乎所有这些传感器都是前端模拟类型,并基于精密电子。传感器的一些常见设计挑战是高精度的放大器、混合信号转换器和数字处理。在信号链中,任何有害的寄生元素都可能导致传感器数据不可靠,或者无法使用。因此,在物联网设备中保持最好的信噪比是至关重要的。可选用
PSpiceA/D进行模拟和精密电子电路的仿真。它具有精确的时间测试模拟器和大量的包含传感器和精密电子器件的元件库,为前端模拟传感器设计和仿真提供了一个高起点。


2:新的PSpice器件建模接口


PSpiceA/D
提供了几种不同的建模工具和分析技术,以精确建模和仿真这些不同类型的传感器,从而满足设计的挑战。根据设计需要,可以使用不同级别的抽象来对元器件进行建模。这些抽象级别包括系统架构级、功能级、行为级、门级、电路级和物理实现。


控制器
一般来说,控制器分为两类:简单的开关控制器和采用高级语言如C/C++实现复杂算法的先进的反馈型控制器。


3PSpiceA/D中,数字最坏情况仿真和最佳混合信号波形分析


根据应用,物联网设备需要一个控制器。开关控制器更容易实现,但在物联网设备的特殊环境下,会面临额外的设计挑战。其中的一些挑战是在接口上的传播延迟和保持合适的电压级别。这些挑战来自于不同的互联、数字逻辑和设备类别。
PSpiceA/D提供了一个真实的混合信号设计环境,拥有集成的模拟和事件驱动的仿真器,具有完全自动化的模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)接口生成器。这个环境支持快速实现设计意图、更简单的建模技术和准确的结果。由于其独特的数字最坏情况分析和多电平数字信号支持,设计工程师可以很容易地仿真在真实操作条件下的控制器集成。
建模一个具有反馈环路的控制器,PSpiceA/D可提供全面的设计建模和仿真技术。我们可以使用传统的SPICE建模技术,例如精确的电子器件模型和模拟行为建模技术,来建模模拟控制器。设计工程师还可以使用新的PSpice器件模型接口来模拟数字电路、SystemC®或基于MATLAB的系统,以建模数字控制器。

驱动器
有人可能会说,驱动器是物联网设计演化中影响最小的模块。然而,这可能是不正确的,或者仅适用于有限的小型设备,节约能源的需求对于驱动器设计工程师和系统中的这些驱动器的用户来说是很大的挑战。例如,有些设备可能会需要在标准的AA电池上运行很长时间。


4PSpice Systems Option结合了PSpiceMATLAB两个最好的工具


这两个方面已经成为了驱动器设计和物联网空间集成的关键驱动因素。PSpice Systems Option提供了一种独特的解决方案,通过引入两种最好的工具——PSpice电路仿真器、MATLAB数学建模和机电仿真工具,来满足这些设计挑战。这种协同使得设计工程师可以在MATLAB中对机电或电热模块进行建模和改进,然后与PSpiceA/D中的实际电子设备对接,从而实现真实的仿真,并优化系统接口、功耗和性能。

总结
PSpice A/D技术以及PSpice AAPSpice Systems Option选项提供了一套全面的仿真功能,以满足物联网设计的挑战。它们提供全面的建模功能,并对设计中的模拟和数字部分进行并行验证。对于设计工程师来说,验证顶级混合信号系统是一个挑战,因为运行仿真需要花费大量时间。64位的多线程仿真引擎使设计工程师能够充分利用现有的计算能力,并进行完整的系统仿真。系统仿真和建模技术,通过为混合信号设计提供统一的设计环境,可以帮助用户克服这些挑战,从而帮助用户在市场上按时交付高质量的产品。


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