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嵌入式工控机IoT 芯片到模组研发生产全过程

blog 2020-11-04 12 0

  物联网、智能家居的发展,加深了人与物的连接互动,使得我们的生活更加丰富多彩、嵌入式工控机沟通更为便捷、连接越来越紧密。人、物(设备)的连接依赖于Internet无线组网无线连接,然而连接协议却品类多多,如大类的WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave,还有小众的NB-IoT、LoRa等;且单就WiFi协议,又有多个芯片平台 如高通QCA4004、MTK的MT7688、乐鑫的ESP8266、瑞昱的RTL8710等; 这样一来,难免会给工程师产品开发前期带来困扰: 产品适合选用什么协议?需要哪些参数做衡量? 又有什么测试测量手段?

  物联网、智能家居的发展,加深了人与物的连接互动,使得我们的生活更加丰富多彩、沟通更为便捷、连接越来越紧密。人、物(设备)的连接依赖于Internet无线组网无线连接,然而连接协议却品类多多,如大类的WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave,还有小众的NB-IoT、LoRa等;且单就WiFi协议,又有多个芯片平台 如高通QCA4004、MTK的MT7688、乐鑫的ESP8266、瑞昱的RTL8710等; 这样一来,难免会给工程师产品开发前期带来困扰: 产品适合选用什么协议?需要哪些参数做衡量? 又有什么测试测量手段?

  今天RTL8710 WiFi模块为例,从研发选型、生产过程两大方面,辅以芯片封装、PCB生产、及SMT加工的过程工艺来给大家做个细致的讲述,争取能拨开云雾见明月。

  所谓谋而后动,模组动手设计之前。需要从这几个方面去考量,方案选型、原理图及layout设计、PCB板子及PCBA打样、指标调试与参数测试; 其中,方案选型为重中之重。

  功能考量:wifi使用的组网方式,一对一,还是一对多。终端产品取一对一,用在网关、路由上则是一对多。

  在传输速率上,分流量类,控制类,如果模块应用在智能家电控制方面的,选择偏控制类的芯片,比如ESP8266即可;如果用在路由器这样的产品,就要选择流量类芯片,比如MTK的7620;

  在功能接口方面,模组开发商考虑更多的可能就是芯片的接口数量,功能支持等,比如GPIO功能口、SPI flash扩展口、I2C接口;其实这个很好理解,比如RTL8710这款物联网WiFi芯片,它的GPIO多达二十多个,支持多的输入输出设备,或是更多的外部连接或控制;同样在接口功能方面的考虑也是不能忽视的,比如这款芯片其有的接口在无工作状态下可自动将功耗降低到最低状态,待进入工作状态时可自动从睡眠模式唤醒,这样可大大降低产品的功耗。

  另外,在应用功能方面,开发商根据需要选择透传类,还是非透传类的芯片方案。

  除对芯片方案的市场需求进行分析外,模组开发商还需要考虑芯片的性价比与稳定性,以及原厂及供货渠道;

  一款好的产品就算各个方面都过硬,但是价格脱离市场高的离谱,那么绝对是没有人敢选择的。当然也不能单单只看价格,俗话说便宜没好货是非常有道理的。如果两款芯片方案优势差异比较明显,但是优势占优的芯片方案即使价格高一点也阻挡不了大家选择的。说到芯片方案的稳定性,这个尤为关键。倘若是一款功耗高易引起发热而造成死机的芯片,你如何让产品开发商、消费者选择呢。当然发热可能是造成不稳定众多因素中的一种,如芯片厂商对软件代码的优化不到位,同样会引起上述问题。

  不同厂商或者不同品牌提供的芯片方案,可能是各有千秋,甚至是千差万别。在芯片行业,大家似乎有一种共识,欧美芯片方案优先选择,接着是日韩,再者就是台湾,最后才选择大陆芯片方案,当然这是在芯片方案价格差异不大的前提之下。当然这样笼统的说是不太科学,但是参照意义还是有的。上述我们提到的模组芯片方案就是来自台湾厂商。

  最后, 再好的芯片方案,供货渠道不稳定,或者经常出现短缺,对于模组开发商同样是非常致命的。

  模组开发商选择好芯片方案后,就就要进行模组开发设计。模组研发设计最先做的工作就是,设计原理图。

  稳定性:开发商需要根据芯片厂商提供的芯片资料,按照规格要求设计出稳定性高的原理图。

  成本优势: 原理图有多种设计方案,但是不能忽视对成本考量。如两层电路板设计,四层电路板设计都可以使用,四层电路板也更优,但是价格就更贵。当然这只是成本考虑的一个方面而已。

  兼容设计:原理图设计时的电磁兼容设计考虑,就是要考虑模组在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作。目的就是确保模组既能抑制各种外来的干扰,使模组在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少模组本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容设计考虑,涉及到整个模块的稳定性和性能。

  量产难易程度:原理图设计还要考虑日后是否方便加工,好加工也就意味着加工费用少。如果设计的原理图致使实际加工的良品率低的话,同样会造成成本增加。

  上部分的原理图设计,与画PCB板一块,被统称为PCB Layout。两者都是相辅相成的,原理图设计的就是要在画PCB板上得到体现,原理图要考虑的画PCB板时同样需要考虑,并且画PCB板还需要考虑的更多。比如,射频考量、稳定性考量,结构考量,甚至画PCB板还需要考虑到板子的美观度。因为从板子的画法上就可以看出模组厂商到底是不是专业。

  当然根据PCB Layout设计方案设所涉及的PCB选型,电阻、电容类型和数量等各项物料情况,都会在BOM(Bill of Material)物料清单体现,同样PCB、贴片生产等也按此表单来确定物料。

  PCB(Printed Circuit Board)称为”印刷电路板”,由环氧玻璃树脂材料制成,有不同信号层数,而芯片等贴片元件就贴在PCB上。

  厂商选择:对于PCB打样,模组厂商如果寻找外部厂商,通常需要考虑这些厂商是否有模组PCB打样经验,厂商的设备是否满足需要,厂商管理是否过硬等等。

  一般Wi-Fi产品的射频部分由几大部分组成,蓝色的虚线框内统一看成是功率放大器部分。无线收发器(Radio Transceiver)一般是一个设计的核心器件之一,除了与射频电路的关系比较密切以外,一般还会与CPU有关,这里我们只关注其与射频电路相关的一些内容。发送信号时,收发器本身会直接输出小功率的微弱的射频信号,送至功率放大器(Power Amplifier,PA)进行功率放大,然后通过收发切换器(Transmit/Receive Switch)经由天线(Antenna)辐射至空间。接收信号时,天线会感应到空间中的电磁信号,通过切换器之后送至低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)进行放大,这样放大后的信号就可以直接送给收发器进行处理,进行解调。

  射频参数的调试,发射TX方面主要为功率Power、误差向量幅度EVM、以及频偏Freq;在接收RX方面主要是接收灵敏度 Sensitivity,这些参数影响着WiFi数据信号传输是否稳定;需要专门的仪器来测试。比如LitePointd的IQ2010、极致汇仪的WT-200; 目前,该行业RFsister开放实验室提供这些方面测试服务。

  所谓电子电路的测试,是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量、判断、调整、再测量的反复进行过程。

  (4)贴片:印锡过的PCB板,通过自动送板机传送到贴片机进行贴片。贴片机的程序是事先编制好的,机器识别到有板的时候就会开始自动取料进行贴装。

  通常AOI检查可放在回流焊接前或者后,但多数厂商AOI检测选择放在回流焊之后,因为这个位置可发现遇到的所有装配错误。

  由于采用AOI自动光学检测存在一定的误判(盲点,少锡等)率,所以AOI的检测后还需人工目检。

  当然AOI检测是炉后检查的通用检查方式,但因AOI检测对表面附有金属屏蔽罩模的块检测方法不可行,因此我们可以采用了另一种X-Ray抽检。

  X-Ray非接触式3D检验法, 当电路板层数越多的时候,对内层对位准确精度的需求就会越高。其还可对封装后内部物件的位置和形态进行透视观察测量,甚者可透视金属屏蔽器件。

  目检就是先用眼睛扫描整片板子,在用显微镜对有缺陷的地方做检查,如缺锡、短路、或接脚扭曲都可以再经由倾斜板子,来调整最佳视线时容易发现。用眼睛来检查不规则的地方,通常要比用显微镜一点一点的检查更节省时间。当然发现问题后,再用显微镜来做更详细的检验。

  在这个以服务取胜的时代,模组厂商通常从售前到售后都提供服务支持,尤其体现在售后的二次开发技术支持。

  从模组研发前的需求分析到确定方案选型,从原理图设计到绘制PCB板,从模组软硬件对接到确认BOM物料;从模组生产涉及的PCB生产、到SMT加工、测试;从模组出货到售后技术支持,从这里面的每一步,我们可以看到厂商努力的身影,我们可以感受到厂商内心的执着,而不是你眼中仅看到的价格

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