物联网工程设计七大关键技术应用

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ANSYS与产品开发团队有超过40年的合作经验，我们认为七大应用对于设计成功的物联网产品至关重要，同时它们也构成了综合平台解决方案的关键组成部分。在以下章节，我们将详细介绍对物联网产品设计至关重要的七大应用。如果您从事物联网产品开发工作，那么您和贵机构的工程师必须要通过这些应用来最大限度提高成功机会。为了更清楚地介绍有关应用，我们将分享业界领先者的实例，看看他们如何借助有关应用来开发创新型解决方案并赢得市场优势。

芯片封装系统设计

许多IoT组件是功率效率很高的小型设备，如：可穿戴设备、医疗植入设备和移动通信设备等。小设备意味着小电子器件（IC、封装与PCB）。高密度电子产品会带来棘手的信号完整性、电源完整性、EMI和热管理设计挑战。IoT设备还面临其它的机械工程挑战，比如开发能够承受振动与冲击以及在恶劣环境中运行的柔性电子产品。

ANSYS RedHawk vs SPICE瞬态电流仿真相关性

为了满足这些要求，ANSYS提供了支持多尺度、多物理场以及多用户的仿真驱动型芯片封装系统（CPS）开发方法。此方法之所以是多尺度，因为它提供的仿真技术涵盖了IC与其他芯片设计所需的纳米级仿真到服务器、无人飞行器和其他设计所用的米级仿真。多物理场使您能够仿真芯片、封装和系统中的各种物理现象，包括功率优化、信号功率与热完整性、静电放电（ESD）、电磁干扰/电磁兼容性（EMI/EMC）、传热、流体动力学与结构力学。多用户特性使芯片、封装和系统的设计人员能够采用仿真平台模拟和协调各种物理现象，以创造越来越复杂的产品。

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ANSYS SIwavePI助力封装和电路板电源完整性设计
10倍提升芯片-封装-系统工作流程生产力
10倍提升芯片电源完整性分析速度

天线设计和布局

天线是联网、移动以及众多新兴的IoT产品不可或缺的组件：它们是IoT中其他设备的无线通信链路。与IoT相关的天线设计难题包括，在越来越小的封装空间内提供可靠连接性和保持合理性能。许多设备需要在越来越密集的无线频谱上运行，而且可能存在共址情况、靠近人体运行以及面对其他棘手的安装环境。天线布局在上述情况中至关重要。

ANSYS天线和无线仿真解决方案已经帮助众多客户使天线范围提高10倍，同时优化了尺寸、纵横比、重量、功耗和辐射能量。我们的解决方案可以确保向正确位置发射具有充足功率的信号。利用ANSYS仿真驱动的产品研发方法设计天线与无线系统，可以使上市时间加快25倍。

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利用Savant实现电大尺寸平台上已安装天线的性能建模
EMIT RF共址和共存RFI的建模与解决方法

传感器和MEMS设计

IoT的生命线在于传感器、致动器和其他MEMS设备。随着越来越多的设备支持IoT，设计和部署传感器以及支持其运行的MEMS设备变得日益困难。MEMS设备很复杂，而创建更小、功耗更低设备的持续需求，意味着工程师始终要面对艰难任务，即开发能够在竞争中脱颖而出的高性能可靠产品。击败竞争对手需要快速、高效而且低成本的产品开发。

ANSYS拥有得天独厚的优势，可为传感器与致动器MEM的设计人员提供最佳仿真技术。首先，ANSYS物理场的广度和深度可支持仿真各种传感器与致动器，包括依赖电磁场的RF传感器到依赖机械运动的陀螺仪以及同时具有机械与电磁组件的压电设备等。其次，紧密耦合的多物理场仿真能够提供对设计和性能的高保真度分析。最后，我们与MEMS设计人员合作的悠久历史积累了深厚的内部专业知识，因此ANSYS开发人员深谙此行业的仿真需求。

电源管理

IoT节点可执行感应/激励、处理和无线通信。这些设备必须保持‘始终运行’，可以部署在任何地方（往往部署在恶劣环境中）。为这些设备供电可能是IoT的最大工程挑战。能量收集、无线功率传输和低功率IC设计是创建许多IoT电源管理策略的基础。

利用无线功率传输技术，电力可通过磁感应耦合或电磁辐射传输到设备，让可穿戴设备、RFID标签、可植入医疗设备和电动车辆摆脱电源线缆的束缚。安全是无线电力系统的重要设计考量因素，因为必须对生物暴露在电磁场加以限制。

设计低功耗IC是物联网的另一个考量因素。如果IC在高于预期功耗的模式下工作，电池使用时间缩短、频繁充电周期和有限的可靠性将降低用户体验。类似地，具有高于预期热特性的芯片可能影响封装选择和最终冷却解决方案的设计，进而影响产品的成本和性能。对联网节点而言，将天线集成到产品中是另一项设计挑战，因为当与PCB和其他天线相邻时会降低性能。

利用ANSYS综合产品解决方案，您能够设计用于采集、转换、控制、调节功率并向IoT设备供电的系统。我们的多物理场设计平台可以帮助工程师创造高能效IC设计，以及考虑物理学科之间的相互作用，如：信号完整性分析与热仿真的耦合，以及热仿真与结构分析的关联等。

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仿真驱动产品研发助力实现无线电源传输
无线功率传输——应用简介
无线功率传输设计解决方案
仿真驱动产品研发助力实现无线功率传输

面向恶劣环境的设计

IoT本质上要求把设备从有控制的可预测环境转移到现实世界，而在后者之中不允许出错。无人机、可穿戴设备、自动驾驶汽车和智能工业设备等快速增长的应用必须能够在恶劣环境中可靠运行，而它们在这些环境里可能会受到振动和物理冲击。尽管存在这些条件，IoT设备必须稳健可靠，能够在没有维护的情况下保持长期、长距离运行。故障有可能造成任务失败、巨额的系统维修或更换投资，甚至危及人类生命。

ANSYS工程仿真工具能够处理各种相关物理力，同时可以模拟振动、疲劳和冲击。集成nCode的ANSYS Mechanical Enterprise可以用于仿真振动的冲击，预测疲劳导致的故障、和指导设计选项以实现最大化鲁棒性。航空航天和国防领域的一家领先供应商采用了ANSYS Mechanical作为IoT类组件重大设计改造项目的组成部分。最后，他们通过缩短开发时间、省去外包FEA咨询费、减少测试、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。

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利用坠落测试仿真确保冲击完整性
利用ANSYS工具进行高效的显式仿真
利用ANSYS nCode DesignLife进行真实环境中的耐用性设计

嵌入式软件

开发IoT产品是一项相当复杂的任务，无论相关产品是自动驾驶车辆、汽车中的信息娱乐系统还是联网工厂等。支持IoT的产品包含数百行、甚至数百万行嵌入式软件代码。安全性对于许多此类产品以及控制它们的系统和软件而言至关重要。因此，开发人员必须确信用于控制这些设备的软件代码能够百分之百准确而且按照预期方式响应。否则会带来灾难性后果。另外，许多此类产品必须进行认证，或者是产品设计流程必须遵循行业标准认证/资格认证过程。企业面临越来越大的压力，不仅需要以更快速度、更低成本设计IoT设备与产品，同时还要保持最高级别的安全性。

ANSYS SCADE产品为开发嵌入式系统、嵌入式软件和HMI提供了完整的解决方案，这些部件通常对于支持IoT的产品至关重要。系统和软件开发人员利用ANSYS SCADE产品可以定义嵌入式系统架构，开发控制这些设备的代码以及创建HMI。ANSYS认证的代码生成器能够确保通过嵌入式软件模型生成的代码100%准确无误。这些代码生成器是：

符合A级DO-178B软件标准的开发工具以及符合DO-178C要求的DO-330 TQL-1工具
经过认证符合ISO 26262:2011 ASIL D和C标准
以及通过了T3/SIL 3的IEC 61508:2010、以及T3/SIL 3/4的EN 50128:2011等标准的认证。

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汽车自动化和高级驾驶辅助系统正通过ANSYS SCADE 功能实现优化
利用SCADE套件高效开发满足DO178C目标要求的安全航空电子软件
满足FACE技术航空电子软件标准要求的模型解决方案

虚拟系统原型设计

随着IoT设备连接性与产品复杂性提高，对于更强大系统仿真功能的需求也随之提高。企业在努力管理相互交错的产品开发、测试与维护过程，因为相互分离的部门往往需要处理同一产品。某些部门在处理物理仿真，而其他部门在开发系统需求，创建嵌入式软件，执行物理测试，或者利用支持产品预测性/指定维护和性能管理的数字孪生模型仿真优化这些产品的维护周期。为了及时、低成本地推出这些支持IoT的智能产品以及高效管理其运行，传统开发过程必须改弦更张。

仿真软件的目的是提供设计选项和包括系统级质量、属性、特性、功能、行为和性能信息在内的验证结果。仿真解决方案需要超越相关部件或者设计的工程学科，同时创建可以准确说明这些部件的相互作用效果及其整体运行方式的虚拟系统原型。

ANSYS Simplorer使您能够创建完整的虚拟系统原型，以便更快速地创造IoT设备。ANSYS提供面向3D仿真和嵌入式系统及软件设计的最先进技术。仿真过去集中在组件和子系统层面。目前，ANSYS客户能够把这些不同组件装配成由软件控制的多域系统的完整虚拟原型。虚拟系统原型不但可以优化单独组件或子系统的性能，而且能够一次性优化整个系统的性能，因此可帮助您增加价值。

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面向复杂产品开发的完整系统建模和仿真功能
GE和面向油气物联网的Predix平台

来源：Ansys

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首次发布时间：2022-08-18