七大关键应用制胜物联网工程

作者:ANSYS公司
 

 

无所不包的物联网与其赖以发展的各种产品和设备都极为复杂,从大规模数据中心到芯片上的微型焊球不一而足,它们奠定了物联网的重要基石。其它组件及工作环境都会对组件和子组件影响匪浅。仿真技术倾力支持的七大应用,对于物联网产品的低成本高效研发至关重要。

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Three elements of the IoT

从最简单的形式来说,物联网(IoT) 包括三大元素:物、网络或网关以及云端。物,如汽车、手机、机器人、工业设备甚至是家庭等,正在日益变得智能化、互联化。上述这些产品中正在添加越来越多的处理功能。网络对物联网基础设施至关重要;没有网络,也就无所谓设备互联。可靠的、鲁棒性网络包括高速路由器、交换机和网关技术。云端由数据中心和运行大部分物联网商业逻辑的软件构成。

构成这三大元素的每个产品或设备本身都是一系列必须确保在一起可靠工作的组件集合。电子和结构组件包括集成电路、开关、天线、传感器、电池、外壳等等,这些进一步构成更大规模的组件和完整的系统。复杂性不断增加。作为整体系统的一部分,每个组件自身必须根据要求在严苛的工作环境(有时甚至会突发意外情况)中正常工作。

研究显示,通过集成型仿真平台设计高度复杂的产品相对于彼此孤立、各自为政地进行物理测试或仿真要高效得多。这种集成型平台可支持七大应用,而仿真技术在这些应用中对设计成功的物联网产品至关重要。ANSYS不仅提供同类最佳的平台,也提供经过验证的工具,能帮助客户降低成本,提高可靠性,加速所有应用的上市进程。

“Synapse采用ANSYS HFSS和ANSYS人体模型评估各种天线设计的性能,进行完整系统建模,包括无线设备、天线以及它们与人体之间的相互作用。”
——SYNAPSE产品研发

ANTENNA DESIGN AND PLACEMENT
Simulation of donut-shaped radiation pattern of a dipole antenna 
 
偶极天线的甜甜圈形状的辐射方向图仿真

天线对物联网中的物品至关重要,是它们彼此可靠沟通的基础所在。没有天线,物联网就无法存在。如果无线系统是在电波暗室中进行原型构建和测试的,当把它整合到设备上时可能出现多路径信号传播与衰减等各种问题。无论是加工对象还是人体,其结构本身以及运动和其他环境因素都可能导致天线失灵或者无法理想工作。为了提供丰富的功能,现代化设备可能使用蓝牙、Wifi、LTE等多种无线技术的组合,这就需要用到多个天线。天线耦合和共址问题会降低性能。举例来说,工厂中部署的无线传感器网络包含各种传感器,利用偶极天线与其他传感器通信。偶极天线的理想辐射图就像一个甜甜圈,但在工业环境下,复杂结构和来自其他天线的干扰会让这种辐射图发生扭曲,从而降低天线效率,增加功耗,并导致性能不可靠甚至失效。

ANSYS解决方案能预测整个工业环境对天线及无线设备性能的影响。这种方法能提供更多信息,改进准确度,并提高可靠性。

POWER MANAGEMENT

chip-package co-analysis
 
芯片-封装协同分析

工程师在设计构成物联网设备、网络和数据管理的高速印刷电路板(PCB)和半导体集成电路(IC)时,面临着巨大挑战。工程师必须应对设计复杂性,包括较低的工作电压、更高的电路密度和更快的数据速率。工程师必须对影响产品可靠性的三大要求进行平衡:电气、热和机械性能。此外,工程师还应当仿真IC、IC封装和PCB之间的相互作用。

电气可靠性需要工程师进行信号和电源完整性分析。电源完整性仿真可确保供电网络稳健可靠,而信号完整性分析能最小化串扰和电磁干扰(EMI)。应对热可靠性问题则要通过仿真来评估电路板温度和相关组件的影响,从而确保设备在规定工作条件内可靠运行。 为解决机械可靠性问题,工程师需要通过热应力仿真评估电路板的热和机械应力,并分析电路板和组件之间的焊点。

除了执行单独的物理仿真外,工程师还通过耦合电磁场仿真与热仿真,以及结合热仿真与结构分析,来考虑不同物理领域之间的相互作用。本方法有助于全面了解PCB设计的整体可靠性。

ANSYS独有的芯片—封装—系统工作流程,可帮助工程师提高电子系统性能。工程师对所有相关系统级考虑因素进行建模和仿真后,能有效减少电磁干扰,研发可靠的静电放电(ESD)保护,改善电子系统,从而支持物联网经济。

POWER MANAGEMENT
Wireless communication 
 
无线通信

经历过智能手机电池耗尽的人都深知电源管理的重要性。但电源管理不仅仅限于智能手机或Wi-Fi。能量收集、无线电力传输和低功耗IC设计是构建许多物联网产品的重要基石。

机械运动、热、压电材料和电磁辐射等产生的能源也能被捕获并直接转化为电能。设计能量收集系统时,工程师要考虑多个参数,包括能量来源、换能器类型、电源效率、所需的功率级和能源储存等。ANSYS提供一系列丰富的仿真工具,它们能够无缝合作,并充分考虑上述所有问题。

当设计无线系统时,安全性是一个重要的考虑因素。相关标准和监管机构对释放到生命组织的电磁能量大小进行了限制。ANSYS仿真工具中包含人体模型,可用于设计各种供电系统并分析其对人体的影响。

SENSORS AND MEMS DESIGN
Gyroscope simulation 
 
陀螺仪z轴变形的轮廓图

传感器、致动器和其他MEMS(微机电系统)器件对物联网至关重要。它们从环境中收集人机接口、设备管理和产品反馈所需的信息; 根据反馈采取行动,包括启停加热系统、显示警报信息或打开阀门,以及执行一系列不同功能。传感器和其它MEMS器件的设计人员在设计出色产品、进行原型构建和制造工作时面临商业和科技挑战,这些挑战甚至能够决定工作的成败。为了获得竞争优势,MEMS制造商应尽可能快速高效地研发产品。

MEMS和传感器十分复杂,因为其功能特殊,尺寸非常小,而且生产工艺极具挑战性。MEMS器件非常小,以至于性能检测装置也会影响到器件的功能,因此工程师难以获得可靠的性能数据。仿真技术能准确了解这些设备的性能,超出物理原型所能实现的范围。

ANSYS解决方案能够仿真各种传感器、致动器和其他MEMS器件,包括依靠电磁场的RF传感器、依靠机械运动的陀螺仪以及同时依靠机械与电磁组件的压电设备等。经过验证的求解器和配套解决方案支持器件设计的高保真度分析。当初始设计完成创建和仿真后,ANSYS工具能在构建物理原型前优化整个器件,包括组件之间如何彼此协作并传输信息。

EMBEDDED SOFTWARE DEVELOPMENT

Autonomous vehicle 
 

许多现代化轿车可能包含5000万到一亿行代码。随着自动驾驶汽车技术的发展,软件内容正在迅猛增加。不过,嵌入式软件并不仅仅面向汽车:软件对于在工业设备、机器人、飞机和无人机等物联网设备中添加丰富内容和智能功能非常重要。由于许多产品和系统(比如说汽车和飞机的制动系统)都需要确保高度安全性或者执行关键的任务,因此控制软件必须毫无差错地工作。如果系统发生故障,该故障必须是可预测的,以便将损害降至最低。

业界监管、证书和资格认证等往往管理着软件的可靠性和性能。软件研发不再只是编写代码这么简单:它还涉及了确认和验证工作。对于每一行实现代码,软件工程师往往发现他们要编写很多行验证代码。尽管工作量大大增加,但软件代码故障仍持续存在,这就会导致安全召回、违反安全规则,有时甚至会造成悲剧性后果。

ANSYS创建了基于模型的嵌入式软件研发及仿真环境,利用内置自动化代码生成器大幅提高了嵌入式软件研发项目的速度。工程师能用ANSYS解决方案仿真复杂系统,了解多种子系统之间的相互作用,并生成符合众多业界标准要求的完整软件代码。只需一次按键就能产生成百上千万条代码,这不仅减少了人为的编码错误,也提高了工作效率、质量和代码的可跟踪性。

利用ANSYS软件建模工具自动生成代码的技术,有助于工程师正式地表达设计规范。因此,企业能大幅降低软件产出的认证成本,并减少成本高昂的测试演示。软件建模和仿真能显著缩短软件生成时间,有利于加速向市场投放产品。

DESIGNING FOR HARSH ENVIRONMENTS
Belt clip simulation 
 
设计人员用ANSYS仿真工具优化可穿戴设备的皮带夹,以提高强度、延长疲劳寿命并增加厚度。

无论是用于工业、航空航天还是消费类应用领域,物联网设备都要承受振动、冲击和疲劳等恶劣的工作条件。尽管这些条件艰苦恶劣,IoT设备必须稳健可靠,能够在没有维护的情况下保持长期、远距离运行。在这些极端情况下,故障有可能产生巨额的系统维修或更换成本,导致任务失败,甚至危及人类生命。NASA指出,航天器电子产品在第一天发生的故障中,有45%是由于发射时的振动而造成的。

工程师在研发阶段早期就必须考虑到潜在的严苛环境,这时做出设计选择的成本最低,而且能尽量减小对项目进度的影响。由于许多明显的原因,物理原型有时是根本不可行的方案。考虑到时间、预算、位置和资源的局限性,不仅难以打造所有可能的测试情境,而且检测结果也大相径庭,缺乏物联网和许多其他关键应用所需的保真度。航空航天和国防领域的一家领先企业仿真了包括振动在内的恶劣环境条件,以避免成本高昂的破坏性测试。最后,他们通过缩短研发时间、省去咨询费、减少物理测试、提高产品准确性以及保持安全性,节约了100多万美元的资金。

VIRTUAL SYSTEM PROTOTYPING
Advanced driver assistance system - ADAS 
 
当今汽车中常见的高级驾驶员辅助系统(ADAS)在研发中需要进行电磁场和系统仿真。
图片由ESSS提供。

随着产品复杂性增大,工程师对于更强大仿真功能的需求也在增大。系统中的复杂性来自于,要实现不同组件之间的互联,并确保各个组件能按照预期一样协同工作。企业将产品的物理属性耦合到系统和嵌入式软件中,能够最小化集成问题,降低成本,提高首次通过的可能性,并确保产品性能符合预期。

虽然我们很容易了解物联网单个设备或组件的情况,比方说智能手机、恒温计或风力涡轮机的情况,但连接这些设备的复杂隐形网络、以及存储和按需交付数据的云端则要求复杂的建模和仿真技术。举例来说,智能风力涡轮机需要根据风向、电网能量和其他智能风力涡轮机的行为来进行自我调节。为模拟风力涡轮机以及它与现实世界的相互作用,工程师要用仿真工具来分析流体动力学、嵌入式软件、结构和电子功能。

软件、电子硬件的相互作用以及问题的多域特性都会大幅增加工程挑战的复杂性。ANSYS仿真软件可提供非常可靠的仿真结果,如系统级质量、属性、特性、功能、行为和性能信息等不一而足。系统设计人员从高级视角出发,能在充分掌握信息的基础上做出明智设计选择,从而对每个单独组件以及整个系统进行性能优化。

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