Le cinque sfide della progettazione IoT

di Andrea Dodini, European Marketing Manager, Keysight Technologies
Le ricerche di mercato prevendono che presto miliardi di oggetti, dai baby monitor usati dalle famiglie ai sensori elettronici montati sugli aerei, verranno collegati alla rete ‘Internet of Things’ (IoT), tramite la quale potranno inviare informazioni e ricevere istruzioni a distanza. Molti di questi ‘oggetti intelligenti’ saranno funzionalmente piuttosto semplici, ma avranno la necessità di funzionare in autonomia per molti mesi, o persino anni, senza richiedere alcun intervento esterno. Altri oggetti saranno più complessi, dovendo funzionare da gateway e punti di aggregazione per la raccolta di dati dai dispositivi connessi a sottoreti locali.
Ma lo sviluppo di questi oggetti intelligenti, come illustrato in seguito, richiede ai progettisti di affrontare cinque sfide ricorrenti.

Maggiore integrazione

Il progresso tecnologico dei circuiti integrati misti analogico/digitali favorisce la realizzazione di dispositivi elettronici più piccoli e a minor consumo energetico rispetto alla loro equivalente realizzazione tramite componenti discreti. Per ottenere tali vantaggi, però, bisogna affrontare una maggiore complessità progettuale, in quanto non è semplice realizzare e collaudare dispositivi che integrano al loro interno porzioni di circuiti digitali, analogici e a radiofrequenza tra loro interdipendenti. Comunque, ne vale sicuramente la pena: già i primi esempi concreti, come i microcontrollori a basso consumo dotati di collegamenti wireless integrati e interfacce per sensori e attuatori, si stanno rivelando molto popolari per realizzare applicazioni IoT innovative.
Un’altra modalità per aumentare il livello di integrazione è quella di realizzare l’antenna direttamente sul circuito stampato (PCB) del dispositivo, anziché usare i chip collegati ad un’antenna esterna. Anche i più semplici dispositivi per applicazioni IoT possono richiedere diverse antenne (ad esempio, per garantire le connessioni locali e a Internet tramite WiFi e Bluetooth) collegate a molteplici radio ricetrasmittenti. È pertanto molto importante riuscire a modellare e a misurare l’impatto di molteplici fattori, come l’adattamento dell’antenna, l’efficienza, il diagramma di irradiazione e l’interferenza mutua in condizioni di lavoro reali.

Durata della batteria

Se si desidera realizzare una rete di sensori di grandi dimensioni, è indispensabile che la batteria duri a lungo, affinché i costi di manutenzione rimangano entro limiti ragionevoli. Per ridurre i consumi energetici, molti progettisti di dispositivi IoT adottano diverse strategie, come un bassissimo tasso di attività (duty cycle) o il ricorso a varie modalità di funzionamento a riposo (idle) e a consumo minimo (sleep).
Nei dispositivi a maggiori prestazioni, il processore, il display e le interfacce di comunicazione wireless assorbono la maggior parte del budget energetico disponibile. Comprendere come l’energia viene usata da questi dispositivi significa modellare l’interazione tra i loro sottosistemi, per capirne le influenze reciproche e il comportamento dei rispettivi sistemi di gestione dell’alimentazione.
 

Figura 1: Componenti tipici presenti in un sensore/gateway IoT, come un termostato o un contatore elettronico dei consumi (Fonte: Keysight Technologies)

 
Ciò significa riuscire a capire esattamente quanta corrente viene assorbita in ciascuna modalità operativa e per quanto tempo. La difficoltà in questo caso è dovuta alla necessità di misurare intensità di corrente che possono variare da qualche nanoampere, durante la modalità a riposo, fino a decine di ampere durante la modalità attiva.
La vita operativa dei dispositivi installati e lasciati incustoditi può essere estesa utilizzando nuove tecnologie per le batterie, la raccolta di energia dispersa nell’ambiente (energy harvesting), circuiti elettronici a bassissimo consumo e strategie di comunicazione pensate per limitare i consumi energetici. Comprendere come tutte queste variabili possono influenzare la vita utile dei dispositivi richiede analisi sistematiche dei consumi energetici, che possano essere considerate come riferimento di condizioni di utilizzo realistiche e utilizzate per prendere decisioni progettuali più efficaci nel processo di sviluppo di hardware e software.

Segnali puliti, alimentazioni pulite

Segnali ed alimentazioni pulite costituiscono degli elementi vitali per garantire il funzionamento affidabile a lungo termine di qualunque dispositivo elettronico. Le problematiche di integrità dei segnali e delle alimentazioni sono particolarmente importanti in circuiti funzionanti con bassi livelli di tensione ed elevate frequenze di clock, dove c’è una minore tolleranza ai fenomeni di diafonia (crosstalk).
Ci sono quattro principali cause di problemi legati all’integrità dei segnali (SI):

  • una sola linea (al contrario di coppie differenziali);
  • l’accoppiamento tra due linee;
  • percorsi delle linee di alimentazione e di massa nelle reti di distribuzione delle alimentazioni (PDN – Power Distribution Network);
  • interferenze elettromagnetiche.

Queste problematiche possono essere affrontate mantenendo uno stretto controllo delle impedenze nelle interconnessioni, distanziando le tracce dei circuiti per ridurre l’accoppiamento, accorciando i percorsi di ritorno a massa, minimizzando l’impedenza delle reti PDN e garantendo un buon contatto di massa e schermature efficaci.
L’analisi di integrità di potenza (PI – Power Integrity) consiste nell’analisi del trasferimento di energia ossia in quanto efficacemente si riesce a convertire l’energia di una fonte di alimentazione trasportandola dalla sua sorgente fino al carico. Nei circuiti elettronici a basso consumo, la tolleranza delle tensioni di alimentazione in corrente continua è di appena +/-1%. Qualunque fenomeno di ondulazione (ripple), rumore o transitorio presente su linee di alimentazione con tolleranze così ridotte può influenzare i segnali di clock e dati, pertanto la sfida diventa quella di misurare anche le più piccole e più rapide variazioni di segnali in alternata sovrapposte alle linee di alimentazione in continua.

Il problema dei molti standard radio

Nel settore IoT si utilizzano tipicamente diversi tipi di tecnologie radio. Un sensore alimentato a batteria potrebbe utilizzare un collegamento wireless a corto raggio con un basso tasso di attività, mentre un veicolo a guida autonoma potrebbe aver bisogno di connessioni a banda larga ad elevata affidabilità e disponibilità. La varietà di standard utilizzati pone una grande sfida per chi si occupa di misure, in quanto ciascuno dei sistemi di trasmissione può imporre il rispetto di tante specifiche di test applicabili a vari standard fisici e formati di modulazione molto diversi tra loro.
 

Figura 2: Una miriade di percorsi e gateway permettono di accedere al cloud (Fonte: Keysight Technologies)

Interferenza e conformità alle norme

Se arriveremo ad attivare miliardi di dispositivi IoT, tutti dovranno condividere una risorsa comunque scarsa come lo spettro radioelettrico, in quanto le bande radio ISM utilizzabili liberamente senza licenza saranno sempre più affollate.
I progettisti dovranno garantire che i loro sistemi possano funzionare correttamente anche in ambienti affollati di segnali, rispettando gli standard e le normative applicabili alle reti di trasmissione, onde non causare interferenze sui canali radio utilizzati o su quelli adiacenti.
I dispositivi IoT dovranno anche essere certificati secondo le direttive sulla compatibilità elettromagnetica, effettuando prove sulle loro emissioni irradiate e condotte, oltre che sull’immunità a emissioni irradiate e condotte provenienti dall’esterno. Per effettuare le prove di conformità richieste dalle certificazioni, gli strumenti di misura e collaudo utilizzati devono essere a loro volta conformi ai rispettivi standard di riferimento.

Alcune soluzioni: progettazione

I tool di progettazione EDA di Keysight EEsof permettono di simulare un sistema a diversi livelli: simulazione di sistema, simulazione circuitale, simulazione delle caratteristiche fisiche, per consentire una progettazione efficace che deve tenere conto dei vari livelli descrittivi del sistema in analisi, come un dispositivo IoT.
 

Figure 3. I tool di progettazione di Keysight offrono ai progettisti una metodologia di lavoro efficace che si estende dalla fase di progetto fino alla validazione ed al collaudo finale (Fonte: Keysight Technologies)

 
SystemVue è un tool di progettazione elettronica a livello di sistema che permette, agli architetti di sistema e agli sviluppatori di algoritmi di sperimentare, vari approcci per realizzare la struttura a livello fisico (PHY) dei sistemi di comunicazione wireless. SystemVue comprende un insieme di strumenti di misura virtuali che consentono di prevedere le prestazioni raggiungibili dal sistema reale.
Advanced Design System (ADS) permette di progettare congiuntamente circuiti integrati, package e schede a circuito stampato, così da poter simulare soluzioni che adottano tecnologie multiple sia a livello circuitale, sia a livello elettromagnetico in 3D. Si tratta di un tool che permette di accedere a risolutori completi di campo elettromagnetico planari e tridimensionali, oltre che per l’analisi elettrotermica e non lineare dei circuiti. Dispone anche di feature di ottimizzazione in tempo reale e di una ricca libreria di funzioni dedicate agli standard wireless più recenti.
Le analisi sull’integrità dei segnali (SI) vengono supportate da simulatori per segnali in alternata e a parametri S, che calcolano il rumore generato da ciascun elemento presente nel circuito, per poi determinarne gli effetti sul resto della rete. ADS comprende anche SIPro, un tool per la caratterizzazione elettromagnetica dei collegamenti ad alta velocità sulle schede a circuito stampato densamente popolate e PIPro, un tool per analizzare le cadute di tensione, l’impedenza in alternata e i fenomeni di risonanza nelle reti di distribuzione delle alimentazioni.
Le varie tecnologie di simulazione elettromagnetica utilizzate da EMPro comprendono il metodo dei momenti, FEM degli elementi finiti e l’analisi temporale FDTD delle differenze finite nel dominio del tempo, che possono essere applicate alla valutazione degli effetti parassiti e di accoppiamento che si verificano nei circuiti stampati, nelle strutture 3D del packaging e nei fili di collegamento interni dei componenti (bond-wire), così come dei fenomeni di interferenza e compatibilità elettromagnetica tipici delle applicazioni radar e biomedicali.
È disponibile anche GoldenGate, un tool per la progettazione di circuiti integrati a radiofrequenza RF, con feature di analisi lineari e non-lineari di circuiti complessi, che gira in ambiente Cadence Virtuoso ed integra le metodologie di sviluppo e analisi a livello di sistema, sottosistema e componente in un ambiente di progettazione integrato dedicato ai dispositivi IoT.

Alcune soluzioni: misura

Per analizzare l’assorbimento di corrente dalla batteria, Keysight offre le unità di alimentazione e misura (SMU) a due quadranti N6781A e N6786A, che sono dotate della funzione di cambio automatico della portata (seamless ranging) su sette decadi per misurare correnti molto variabili dinamicamente. Gli strumenti possono anche emulare il comportamento reale delle batterie e includono degli amperometri a caduta di tensione nulla e dei voltmetri per misurare le caratteristiche di scarica.

Figura 4: La capacità di misurare correnti cambiando automaticamente la portata, permette alle unità di alimentazione e misura di Keysight di caratterizzare accuratamente, in tempo reale, gli assorbimenti della batteria che variano dinamicamente in funzione delle varie modalità di funzionamento dei dispositivi (Fonte: Keysight Technologies)

 
Keysight offre strumenti di misura per la validazione dell’integrità dei segnali (SI – Signal Integrity) e delle alimentazioni (PI – Power Integrity) che aiutano a validare i risultati delle simulazioni. L’opzione TDR per l’analizzatore di reti ENA permette di verificare le interconnessioni, gli oscilloscopi Infiniium supportano varie prove sui trasmettitori, mentre le soluzioni BERT (Bit Error Ratio Test) possono essere utilizzare per effettuare test sui ricevitori.
A chi sviluppa le interfacce di comunicazione wireless per dispositivi IoT, Keysight offre strumenti modulari, da banco e tester multifunzionali integrati (one-box tester) che possono essere aggiornati via software e che condividono le stesse metodologie di misura per garantire risultati uniformi e confrontabili, dalla fase di ricerca e sviluppo fino alla produzione in serie.
Il software Signal Studio di Keysight permette di creare forme d’onda conformi agli standard e personalizzate, mentre gli applicativi di misura Serie X permettono di eseguire test automatici secondo le procedure standard dei differenti tipi di segnali wireless utilizzati in ambito IoT. È disponibile anche l’applicativo software 89600 VSA, dedicato all’analisi delle modulazioni digitali e alla conseguente attività di messa a punto e ricerca guasti.
 

Figure 5: Un analizzatore di segnali Keysight Serie X (Fonte: Keysight Technologies)

 
Keysight offre anche delle apparecchiature dedicate al collaudo a basso costo di dispositivi e moduli Bluetooth and Zigbee, come l’analizzatore di spettro di base N9320B/N9322C e il sistema di verifica della conformità T3111S RIDER NFC per dispositivi NFC, EMV e ISO.
Infine, vanno sempre tenute in seria considerazione le problematiche legate alle interferenze e alla compatibilità elettromagnetica. Il software EDA EMPro di Keysight può simulare le emissioni irradiate dai circuiti per verificare che rispettino i limiti imposti dalle normative EMC più comuni, come CISPR, FCC Part 15 e MIL-STD-461G. Keysight offre anche strumenti per effettuare le prove preliminari di conformità sui nuovi progetti, utilizzando l’applicativo dedicato alle misure EMI N/W6141A disponibile per gli analizzatori di spettro Serie X.

Conclusioni

L’IoT verrà realizzata utilizzando una vasta gamma di dispositivi, dai più semplici sensori ai più complessi gateway. Nonostante la diversità tra questi dispositivi, i progettisti devono affrontare delle sfide comuni: minimizzare i consumi energetici, massimizzare la vita operativa, controllare gli effetti delle interferenze e garantire il rispetto delle normative. Utilizzando strumenti di progettazione e simulazione che aiutano ad affrontare queste problematiche in modo olistico, e che si integrano con strumenti di misura dedicati, i progettisti potranno aumentare considerevolmente le loro possibilità di successo.

Redazione Fare Elettronica