每个工程项目在开发实施的过程中都可能会受到诸多因素的制约，其中最主要的三大因素是性能、功耗和价格，人们通常需要对这些因素做出权衡和折衷。以这三个因素为顶点构成三角形，每个项目都有其“侧重点”，但根据产品、市场和时间会有不同的相对权重。

 

物联网(IoT)相关应用的潜在增长为供应商及其设计团队提供了新的机遇，但也进一步增大了软硬件工程方面的挑战。硬件和软件密切相关， 共同组成了平台，需要采取多种策略来最大程度地降低跨平台设计的复杂性。这些策略包括：

 

 

 

首先决定输入/输出需求是否采用固定或有限的数量和类型，或者是否需要扩展数量和提高类型的灵活性。这一决定会影响到MCU和外部设备的选择。如果输入/输出不仅包含简单的低压数字点，还包括温度传感器、电机甚至串行和并行格式的通信线路， 这一点就尤为关键。

 

 

很多情况下，独立于核心应用处理器的模块都具有重要意义。虽然高度集成的单片解决方案在电路板空间、功率和成本方面颇具吸引力，但倘若无线协议、要求范围甚至监管要求有任何变化或扩展，都需要对设计进行重大改变，或者需要采用新的MCU和射频链路相关固件。即便编码部分很简单(可能性不大)，但MCU可能无法满足新的要求而需要进行升级，因此增加了开发时间和风险。

 

 

弄清所选的MCU在功率与性能矩阵中的正确位置。沿着所需性能的曲线上移，会遇到阈值点，此时不得不使用体积和功耗更大的MCU。沿着曲线下移时，所需资源减少，可考虑使用体积小、功率低、价格便宜的MCU。

 

请确保所选的特定MCU支持各种复杂的速度、功能和功率模式，这样才能优化操作顺序，最大程度降低总能耗，应对需要大功耗的操作。

 

 

一些处理器具有专用的硬件嵌入特性，提供自动安全功能，并且不依赖于任何应用软件甚至所选RTOS。这种方式可能会简化所面对的安全挑战。如果选择的所有MCU都具有相同的嵌入式安全功能就更好了，因为无论使用哪一种处理器，都可以跳过物联网挑战中的这个重要部分。

 

 

随着对大小/性能要求的变化，需要对低功耗8/16位MCU进行标准化，然后采用不同的内存大小(片上或外部内存)；也可采用一个较大的32位MCU，虽然在低端应用时会浪费一些容量， 但它具有代码和驱动器一致的优势， 同时还能简化BOM和测试过程。

 

 

在某些情况下，一台简单、低成本的单线程操作系统(OS)便已足够， 但也有很多项目需要实时操作系统(RTOS)。无论哪一种操作系统，都需要对小型、中型和大型OS版本的可扩展性和可用性做出评估。必须了解清楚最小版本的大小及相应的功能——您肯定不希望当项目完成80% 时，在OS能力上“遭遇瓶颈”。

 

 

在软件资源曲线上的一些关键点需要完成一些额外任务(开发时间，处理器资源)，此时必须做出以下选择，要么增加外围IC帮助满负荷运行的MCU进行分流，要么选择一台运行速度更快的MCU。决策时，要分析何时需要一台功能更强大的MCU将硬件任务交回软件，从而减少组件成本、电路板尺寸和功耗( 原则上)， 但为此可能要延长开发和调试时间。
 

 

使用“较轻的”物联网优化协议，不要选择基于客户端/服务器HTTP的互联网浏览器模型，这样可以将堆栈和处理要求减少二倍或以上，便于应对多台物联网设备及其外围设备。随着市场要求日趋严苛，还需考虑当连接要求( 协议、速度和完整性) 提高时会发生什么情况。

 

在设计阶段尽早制定测试计划 这一点非常重要而且复杂，特别是当设计中包含无线应用时。使用何种方法非正式然后正式地验证最终产品是否符合市场、技术、行业标准和监管要求，会影响“修复”周期和上市时间。如果在产品中增加针对不同应用的功能，就需对原型测试程序或生产测试设置做出改变，这会加大工作量，同时增加不确定性和风险。采用经过许可的预认证软硬件模块，可确保最终设计在许多方面( 但不是全部) 的一致性和顺应性。如果有任何关于设计和验证的高级监管准则(如关于医疗产品可靠性的准则)影响到软件， 都应该明了于心。如果这些准则不适用于所有产品，要弄清它们适用于哪些产品。

 

 

所采用的软件技术和策略应能跨产品，满足应用要求，并与物联网用户接口(如果有的话)匹配，例如防火墙、身份验证和密码。从分级列表中找出所需的安全资源，包括安全启动、身份验证、安全通信、防火墙、篡改检测、事件报告、远程命令审查和策略管理，根据现有的软件资源，确保每一项的实际执行正确且可行。评估要提高各种产品的安全性是否必须采用更大或更快的MCU，制定计划验证实施的安全步骤是否可靠。

 

 

随着新产品的开发，“重心”无疑也需要相应地进行改变，以满足不断变化的要求。设计人员应纵观当前及未来的产品，选择适合的平台，尽量减少返工并提高重复利用率，确保上述变化不会对成本、进度或工作负荷造成不必要的影响。

 

作者：Stefan Ingenhaag，瑞萨电子欧洲公司

 

本文来源于电子技术设计。