如何把幾十年來功能及形式固定的工具和設(shè)備，變成用戶接口友善、經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的連網(wǎng)電子裝置呢?

　　為了將現(xiàn)有的產(chǎn)品重新塑造成內(nèi)建微處理器、I/O總線、傳感器和發(fā)射機(jī)的智能連網(wǎng)裝置，不僅帶來大量的市場機(jī)會，也伴隨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。但是，如何把幾十年來功能及形式固定的工具和設(shè)備，變成用戶接口友善且經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的連網(wǎng)電子裝置?此外，如何確保在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)好的裝置到了現(xiàn)場能正常運(yùn)作?

　　對于開發(fā)無線物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師來說，自始至終一直圍繞著各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了有效地完成這一流程，需要有良好的測試與量測策略以及合適的儀器，才能確保及時制訂正確的設(shè)計(jì)決策以及克服潛在的障礙。不僅如此，您還需要按時、按預(yù)算提交設(shè)計(jì)項(xiàng)目。測試與量測策略有時直接涉及項(xiàng)目的成敗，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨六項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

　　無線模塊選擇：市場上有各種無線模塊可供選擇，而且數(shù)量越來越多，模塊的選擇可能會非常糾結(jié)。初次做對選擇非常關(guān)鍵，透過精確的測試與量測掌握規(guī)格表以外的信息，有助于深入了解這個模塊是否能滿足設(shè)計(jì)需求。

　　數(shù)字設(shè)計(jì)和除錯：針對系統(tǒng)級除錯，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常苦于無法搞清楚問題出在模塊還是子系統(tǒng)。透過混合域除錯對于迅速追蹤問題的根源至關(guān)重要。

　　讓電池續(xù)航力最大化：當(dāng)電池續(xù)航時間的每一分鐘都得斤斤計(jì)較時，能夠準(zhǔn)確地建模裝置的功耗至關(guān)重要。強(qiáng)勁的建模和功率分析功能可以幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)掘降低能耗、優(yōu)化電池續(xù)航力的機(jī)會。

　　通過EMI和EMC認(rèn)證：物聯(lián)網(wǎng)制造商必須了解如何為自家產(chǎn)品適當(dāng)?shù)卦黾訜o線功能，并跟上當(dāng)前以及新興放射測試和一致性測試的步伐。

　　無線標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證：不管是使用Wi-Fi、藍(lán)牙或ZigBee，都必需根據(jù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)對新產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。如果無法通過認(rèn)證，就必須重新設(shè)計(jì)，這不僅會耽誤最終產(chǎn)品發(fā)布時間，還會增加開發(fā)成本，以及錯失產(chǎn)品上市良機(jī)。

　　處理訊號干擾問題：2.4GHz頻譜是低成本、免授權(quán)應(yīng)用最普遍的運(yùn)作區(qū)域，數(shù)百萬臺無線電裝置都位于這個頻段。使用免授權(quán)頻譜極具吸引力，因?yàn)樗芄?jié)省成本，但它仍無法避免其他裝置使用相同頻段和頻道所帶來的干擾。

　　盡管每一步驟都各有其障礙和要求，但I(xiàn)oT設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最經(jīng)常遇到的障礙主要位于除錯、電池續(xù)航力優(yōu)化和先期一致性測試等領(lǐng)域。如果未能充份著重于這三個領(lǐng)域，很可能遇到意想不到的障礙，或更糟糕的是無法實(shí)現(xiàn)可靠性或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)等。以下討論能讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高枕無憂的一些小技巧與策略。

　　除錯物聯(lián)網(wǎng)裝置

　　傳統(tǒng)上，大多數(shù)應(yīng)用的無線裝置主要由資深的RF工程師設(shè)計(jì)。但是，現(xiàn)在有數(shù)不清的無線模塊設(shè)計(jì)到硬件中，而不要求設(shè)計(jì)人員具備強(qiáng)大的RF設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。這些模塊擁有多種功能，單價成本卻越來越低，無疑地將有助于促進(jìn)IoT裝置的爆發(fā)成長。

　　圖1：測試支持Wi-Fi的IoT裝置時，可能面臨天線調(diào)校到軟件驗(yàn)證等問題

　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的裝置功能需求，通常仍必須包含部份數(shù)字和模擬電路，并確保無線模塊如預(yù)期地運(yùn)作。圖1顯示典型IoT裝置中內(nèi)建Wi-Fi模塊、DC電源模塊以及特定IoT裝置所使用的部份硬件。我們發(fā)現(xiàn)它有幾個潛在的問題，并試著輕松進(jìn)行測試和除錯這些問題。

　　在裝置上電時，最重要的是要知道它是否在傳送訊號。如果有訊號，可能還要檢查訊號頻率是否和預(yù)期的一致，以及訊號功率級和線性度是否正確。

　　頻譜分析儀為測試這些特性提供了最簡單的方式。它不僅能指示是否存在訊號，還可測量其頻率和功率級。此外，可能還得譯碼訊號或從訊號中擷取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在此例中，向量訊號分析儀(VSA)至關(guān)重要。

　　當(dāng)然，無線電只傳輸所需要的訊號。換句話說，圖1中的「客戶應(yīng)用」模塊是裝置的大腦，它將經(jīng)由編程控制所有的模塊，包括無線電。

　　例如，如果無線電未按預(yù)期方式傳輸訊號，必須找出原因。是因?yàn)榘巡徽_的控制訊號傳送到無線電?還是發(fā)送的總線指令不正確?或是為無線電供電的電源有問題?

　　為了除錯設(shè)計(jì)的RF、模擬和數(shù)字部份，必須使用示波器，因?yàn)樗芡瑫r擷取所有的訊號，包括時域(傳統(tǒng)示波器功能)和頻域(傳統(tǒng)頻譜分析儀功能)訊號。

圖2：混合域示波器能測量與時間有關(guān)的RF、模擬和數(shù)字信道，且有助于隔離問題的根源

　　最新的混合域示波器包括一條專用的頻譜分析儀通道，可用于同時擷取所有訊號(圖2)。時間相關(guān)性用于交叉關(guān)聯(lián)所有可能的問題。例如，如果無線電無法按預(yù)期方式傳輸訊號，那么既要監(jiān)測傳送到無線電的控制總線指令，還要監(jiān)測RF訊號，以便能顯示問題本身，同時掌握導(dǎo)致問題發(fā)生的原因。

　　接收機(jī)測試

　　此外，還必須測試IoT無線電模塊的接收機(jī)能否擷取相應(yīng)的RF訊號，并檢查它是否濾除了不想要的RF訊號。

　　接收機(jī)靈敏度測試是所有無線接收機(jī)的常見要求，以確保裝置順利接收并譯碼相應(yīng)的訊號。在大多數(shù)情況下，需要以合理的功率級產(chǎn)生理想的訊號，然后逐漸把功率降低到裝置無法再接收和譯碼訊號的程度。如果測得的訊號強(qiáng)度低于“接收機(jī)靈敏度”要求，那么裝置就能通過測試。

　　圖3：設(shè)置接收機(jī)阻塞測試需要兩臺VSG和一臺RF混頻器

　　根據(jù)相應(yīng)的無線電標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生RF訊號的最簡便方式是使用向量訊號產(chǎn)生器 (VSG)，它能產(chǎn)生經(jīng)調(diào)變的RF訊號(將數(shù)字信息編碼至訊號上)，從而創(chuàng)造和傳輸量不同的無線電訊號。

　　此外還必須檢查接收機(jī)是否能阻擋不想要的RF訊號，同時接收和譯碼想要的訊號。這可能包括另一臺相同裝置所產(chǎn)生的訊號，但透過另一信道上傳輸訊號。接收機(jī)阻塞測試可實(shí)現(xiàn)這種操作。如圖3所示，這項(xiàng)測試需要兩臺向量訊號產(chǎn)生器和一臺RF混頻器。

　　讓電池續(xù)航力最大化

　　典型的IoT裝置至少包含一個傳感器、一個處理器和一個RF芯片，并能以不同的狀態(tài)運(yùn)行，在幾十微秒內(nèi)消耗的電流從幾百奈安培(nA)到幾百毫安(uA)。表征低功耗裝置并不容易，但它能確保持續(xù)位于特定的功率范圍。如圖4所示，其面臨的挑戰(zhàn)包括：準(zhǔn)確地?cái)X取電流的寬動態(tài)范圍、隨時間擷取復(fù)雜且快速的發(fā)射模式電流波形，以及確保為待測物(DUT)穩(wěn)定提供準(zhǔn)確的功率等。

圖4：最大限度延長電池續(xù)航時間的測試并不輕松…

　　為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，IoT裝置中的各種電流可能都需要測量，如圖5所示。此例采用7位半圖形取樣數(shù)字萬用電表(DMM)以評估能量采集裝置。該裝置內(nèi)建溫度傳感器和光傳感器。當(dāng)透過太陽能電池采集能量時，它能回報電池電量。在進(jìn)行操作時，每秒回報30秒的傳感器信息后進(jìn)入睡眠模式;在主動模式下，發(fā)射/接收事件消耗大部份功率，約29mA;而在睡眠模式下僅消耗約70nA。

圖5：使用圖形取樣萬用電表(Keithley DMM7510)評估以太陽能電池供電的IoT裝置之功率特性

　　許多IoT設(shè)計(jì)人員都糾結(jié)著一個共同的問題：應(yīng)該使用什么儀器準(zhǔn)確評估IoT裝置的功耗特點(diǎn)?是電流表?還是帶有電壓或電流探棒的示波器就夠了?

　　表1比較當(dāng)今市場上常用的電流測量儀器及其最重要的功能。正如所想象的，每臺儀器都有各自擅長的領(lǐng)域。例如，示波器和探棒特別適合測量高電流和快速瞬態(tài)訊號。皮安培計(jì)和典型DMM更適合測量低電流，但速度不一定好。圖形取樣萬用電表在市場上相對較新，較傳統(tǒng)儀器提供更加完善的功能。

表1：讓電池續(xù)航力最大化是IoT設(shè)計(jì)人員面臨最棘手的量測挑戰(zhàn)之一，他們需要能夠同時處理低電流和高電流的儀器

　　先期一致性無線測試

　　在經(jīng)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室為IoT設(shè)計(jì)進(jìn)行完整的一致性測試通常需要大量的成本，首次通過的成本即高達(dá)30,000美元，如果必須反復(fù)進(jìn)行測試，成本還會增加。即使公司內(nèi)部就有完整的一致性測試實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)執(zhí)行時也得花費(fèi)大量的時間。再加上如果測試失敗，就必項(xiàng)重新設(shè)計(jì)后再進(jìn)行測試，不僅曠日費(fèi)時，也導(dǎo)致成本攀升。如圖6所示，最好在設(shè)計(jì)周期結(jié)束之前進(jìn)行先期一致性驗(yàn)證，減少實(shí)際測試期間發(fā)生失敗的風(fēng)險。

圖6：使用頻譜分析儀進(jìn)行先期一致性測試，大幅降低昂貴的測試失敗風(fēng)險

　　相較于完整的一致性測試，先期一致性測試程序并不一定兼容于國際標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)只是在發(fā)現(xiàn)潛在問題，以及降低一致性測試階段失敗的代價和風(fēng)險。使用的設(shè)備也許并不兼容，或者精確度和動態(tài)范圍低于標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)，但只要在測試結(jié)果中增加足夠的余裕就行了。先期一致性測試一般要求以下設(shè)備：

　　? 搭配峰值檢測器的頻譜分析儀(可選用準(zhǔn)峰值檢測器)

　　? 前置放大器(選用)

　　? 搭配非金屬支架的天線，用于輻射放射測試

　　? 用于傳導(dǎo)放射測試的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)

　　? 傳導(dǎo)放射測試用的功率限制器

　　? 用于診斷測試的近場探棒(選用)

　　傳導(dǎo)放射測試

　　圖7顯示傳導(dǎo)放射測試的先期一致性測試設(shè)置時，先以筆記本電腦使用的通用AC-DC電源配接器作為DUT。針對傳導(dǎo)放射測試，必須使用LISN而非天線?；旧纤且粋€置于AC或DC電源與DUT之間的低通濾波器，用于產(chǎn)生一個已知的阻抗，并提供RF噪聲測量端口。它還能隔離不理想的RF訊號與電源。增加前置放大器也是提升DUT訊號電平的好辦法之一。

圖7：使用線路阻抗穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)(LISN)進(jìn)行傳導(dǎo)放射測量

　　在此例中值得一提的是，在60或50Hz電源上傳導(dǎo)的干擾在某些情況下也會發(fā)生問題。盡管大多數(shù)的傳導(dǎo)EMI測試規(guī)定測量的頻率范圍為9kHz~1GHz，但有必要時最好在更低頻率范圍測量訊號。

　　為了獲得最佳的傳導(dǎo)EMI 測量結(jié)果，最好使用兩個LISN：一個用于為DUT提供規(guī)定的阻抗;另一個用于連接頻譜分析儀或接收機(jī)。無論如何至少要有一個LISN。由于這是一種經(jīng)濟(jì)型電源，因此傳導(dǎo)放射在大約172Hz時很自然地超過上限(圖8)。

圖8：傳導(dǎo)放射測試在經(jīng)濟(jì)型電源頻譜低端發(fā)現(xiàn)的超限情況

　　輻射放射測試

　　在選擇測試地點(diǎn)進(jìn)行輻射放射測試時，最好挑選一個能最小化外部訊號源的位置。農(nóng)村地區(qū)、會議室或地下室都是不錯的地點(diǎn)，因?yàn)檫@些場所可能讓試圖測量的DUT放射訊號被遮蔽的程度降至最低。圖9是典型的輻射放射測試設(shè)置。

　　針對這方面的測量，可以使用三個成本非常低的PCB對數(shù)周期天線，以及一個雙錐天線。將這些天線安裝在三腳架上，以便于部署。天線因子(AF)和線纜損耗應(yīng)輸入于頻譜分析儀中，以便校正磁場強(qiáng)度。雙錐天線用于20~200MHz頻率，在此頻率范圍的波長越長需要越大的天線;背景噪聲也可能是個問題，因?yàn)樗ㄔS多無線廣播頻率。

圖9：進(jìn)行輻射放射測試的測試設(shè)置，并盡可能選擇一個能使外部訊號噪聲減至最低的地點(diǎn)

　　先期一致性測試通常分別以距DUT不同的距離進(jìn)行，例如1公尺和幾公分等。縮短DUT與測試天線之間的距離，增加了DUT訊號強(qiáng)度與RF背景噪聲之比。遺憾的是，近場結(jié)果并不能直接轉(zhuǎn)換成EMI一致性測試中所使用的遠(yuǎn)場測試，因此切莫輕易下結(jié)論。增加前置放大器也可以有效提升相對的DUT訊號級。

　　在DUT上電之前，應(yīng)該先評估和表征測試環(huán)境的特性。極限線路與環(huán)境噪聲層之間有足夠的訊號空間嗎?是否有可以減少的已知訊號?需要把測試設(shè)置移至更安靜的環(huán)境嗎?

　　一旦接受現(xiàn)有的背景噪聲，就可以為DUT上電了。兩項(xiàng)測量作業(yè)之差就在于來自DUT的放射，如圖10所示。在此例中評估了通過EMI一致性測試的Wi-Fi展示板，因此并未偵測到故障。好消息是如果正確設(shè)置了測試，而且當(dāng)未接近極限線路，那么就可以準(zhǔn)備進(jìn)行一致性測試了。

圖10：在VHF頻段清楚地看到廣播訊號(但此例中的超限情況與DUT無關(guān))

　　無線IoT裝置的另一重要方面是「意圖輻射器」(intentional radiator)測試。意圖輻射器是指在執(zhí)行功能時會廣播無線電能量(而非紅外線或超音波能量)的任意裝置。意圖輻射器也存在非意圖測試方面的要求。由于內(nèi)部電路之故，在裝置設(shè)計(jì)使用的頻率之外也可能發(fā)生輻射放射。

　　在為這一類測試選擇頻譜分析儀時，考慮重點(diǎn)在于它至少要能擷取到裝置內(nèi)部輻射訊號的第三階諧波(或甚至更高)。意圖輻射器的測試設(shè)置與輻射放射設(shè)置相同。但此例中關(guān)注的頻率限于規(guī)格(如Wi-Fi、藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn))指定的輻射頻率與頻率屏蔽。

　　結(jié)語

　　IoT不再只是一種炒作，它帶來了機(jī)會，可望透過智能裝置和分析為客戶創(chuàng)造更多價值。對于打造IoT裝置的團(tuán)隊(duì)來說，硬件只是一個開始——它為打造軟件和分析功能奠定基礎(chǔ)。

　　當(dāng)克服上述的挑戰(zhàn)后，就能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讓IoT設(shè)計(jì)更實(shí)用也更有彈性。這些IoT就緒的測試套件并不一定很貴或很難，但有助于朝向成功邁出第一步。