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技術(shù)資訊 I 全面講解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)技巧和方法

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本文要點(diǎn)


  • 了解不同的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和應(yīng)用
  • 了解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本組成部分
  • 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的混合信號(hào)、無(wú)線(xiàn)及低功耗設(shè)計(jì)技巧

    物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)是一個(gè)由數(shù)十億臺(tái)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò),這些設(shè)備收集、處理和提供信息,旨在提高我們的生活質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備目前包括個(gè)人可穿戴設(shè)備、工業(yè)機(jī)械、醫(yī)療器械等。單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備融合了射頻通信、混合信號(hào)功能和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù),同時(shí)最大限度地降低了功耗。因此,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中需要考慮很多因素,以確保設(shè)備的可靠性和高效性。

    在本文中,我們將詳細(xì)介紹物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的不同要素—物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本組成部分、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、低功耗設(shè)計(jì)、混合信號(hào)設(shè)計(jì),以及如何將 SPICE 納入設(shè)計(jì)流程。


    智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)于加強(qiáng)新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)很有必要


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    物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用于多個(gè)行業(yè),從消費(fèi)電子產(chǎn)品到醫(yī)療器械。其中的一項(xiàng)應(yīng)用是 RFID(radio field identification,無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別)。有了 RFID,企業(yè)就能跟蹤帶有 RFID 標(biāo)簽的物品的位置,從而實(shí)施相應(yīng)的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)更高效的物品跟蹤,并獲取更多信息。下面讓我們來(lái)看一看物聯(lián)網(wǎng)作用日益凸顯的其他幾個(gè)行業(yè)。

    商業(yè)
    物聯(lián)網(wǎng)在商業(yè)的以下領(lǐng)域大有可為:
  • 辦公環(huán)境、客戶(hù)服務(wù)和資源管理自動(dòng)化。
  • 獲取關(guān)于產(chǎn)品、服務(wù)和互動(dòng)的更多數(shù)據(jù)。
  • 用于庫(kù)存管理、跟蹤和維護(hù)的物流。
  • 面向客戶(hù)的產(chǎn)品在需要維修時(shí)發(fā)出通知。
  • 提高零售效率,如Nest恒溫器和智能燈泡。
    制造
    在工業(yè)和制造業(yè)中,通過(guò)使用智能背心、智能頭盔、智能眼鏡和其他可收集健康、位置、環(huán)境和生產(chǎn)率數(shù)據(jù)的設(shè)備,工廠、面粉廠和煉油廠的工作環(huán)境都會(huì)變得更加安全。這些設(shè)備連接在一起,在工廠運(yùn)行期間提供信息,再結(jié)合在線(xiàn)分析,能有效確保工人的安全和工廠機(jī)械的平穩(wěn)運(yùn)行。
    體育運(yùn)動(dòng)與醫(yī)療保健
    物聯(lián)網(wǎng)不僅對(duì)企業(yè)有價(jià)值,它還改變了體育運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是業(yè)余選手還是專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員,都可以佩戴智能手環(huán)/手表,測(cè)量心率、體溫等生命體征。這種設(shè)備可以讓用戶(hù)更詳細(xì)地了解自己的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和對(duì)刺激的反應(yīng)。

    監(jiān)測(cè)人體基本數(shù)據(jù)的健康相關(guān)產(chǎn)品也改變了醫(yī)療保健和生物技術(shù)行業(yè)。跟蹤藥物使用情況的智能吸入器或溶于胃中的可食用傳感器等設(shè)備可以在體外進(jìn)行通信,為醫(yī)護(hù)人員提供更多數(shù)據(jù),幫助他們做出更明智的決定。

    醫(yī)療器械物聯(lián)網(wǎng)是增長(zhǎng)最快的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一


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    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì):基本組成部分

    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心包括幾個(gè)關(guān)鍵組件:傳感器、無(wú)線(xiàn)連接模塊和電源管理模塊。要想成功設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),需要解決的主要挑戰(zhàn)是如何讓這些組件順利協(xié)同運(yùn)行。

    傳感器
    首先,傳感器主要用于收集來(lái)自外部世界的數(shù)據(jù)。例如,測(cè)量溫度、壓力、濕度的傳感器,以及紅外線(xiàn)、攝像頭和 RFID 標(biāo)簽傳感器。在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí),不僅要考慮設(shè)備本身能利用哪些現(xiàn)實(shí)世界的信息,還要注意的是,這些設(shè)備還會(huì)與其他服務(wù)器、設(shè)備和節(jié)點(diǎn)通信。請(qǐng)繼續(xù)閱讀本文,了解選擇傳感器的技巧,包括設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和具體應(yīng)用。
    無(wú)線(xiàn)連接模塊
    其次,無(wú)線(xiàn)連接模塊在實(shí)現(xiàn)外部通信方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。常見(jiàn)的通信方式包括藍(lán)牙、Zigbee、WiFi 和 NFC。如需直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng),可考慮使用 GSM/ LTE 或 WiFi。這些技術(shù)的連接時(shí)間、范圍和功耗各不相同。例如,一些 NFC 設(shè)備可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)供電與收發(fā)器進(jìn)行通信,而支持 WiFi 的設(shè)備則需要始終接通電源。
    電源調(diào)節(jié)模塊
    最后,電源調(diào)節(jié)模塊對(duì)確保設(shè)備的便攜性和通信能力極為關(guān)鍵。如果設(shè)備采用電池供電,那么在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮到電源效率。為了盡可能延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間,最好使用低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器。在設(shè)計(jì)電路時(shí),應(yīng)考慮只為相關(guān)的子電路供電。

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    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    衡量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)成功與否的真正標(biāo)準(zhǔn)是將前面討論過(guò)的這些技術(shù)整合到單個(gè)緊湊的設(shè)備中。該設(shè)備應(yīng)具有成本效益,甚至可能需要具備額外的數(shù)字信號(hào)處理、自然用戶(hù)界面處理、控制操作或模擬傳感功能。


    物聯(lián)網(wǎng)電路板將多種不同技術(shù)整合到一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)中

    在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能、能效、續(xù)航能力在不斷提升,而體積也在縮小。一臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中可能包含 CPU、內(nèi)存、顯卡、處理元件和無(wú)線(xiàn)電路。為了盡可能縮小設(shè)備尺寸,可以將其中的許多元件集成到單個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC) 中,但并非所有元件都能如此。

    由于需要節(jié)省空間,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵區(qū)別在于將整個(gè)產(chǎn)品或電路板設(shè)計(jì)成一個(gè)整體,而不是像過(guò)去那樣設(shè)計(jì)成許多較小的單個(gè)電路板。這就需要與機(jī)械設(shè)計(jì)師密切合作,確保將信號(hào)完整性、熱管理和尺寸都考慮在內(nèi)。

    在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí),需要注意的一點(diǎn)是傳感器和集成電路的發(fā)展日新月異。產(chǎn)品上使用的芯片可能會(huì)很快過(guò)時(shí),更新?lián)Q代的速度超乎我們的預(yù)想。因此,最好將整個(gè)設(shè)計(jì)劃分成一個(gè)個(gè)子電路,這樣就能采用系統(tǒng)化的方法,也便于后續(xù)更新電路上的元件。在設(shè)計(jì)時(shí),要考慮到每個(gè)子電路的輸入和輸出,以及如何將它們集成到更大的整個(gè)設(shè)備中。


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    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)

    物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三個(gè)不同的層:
  • 設(shè)備層,包含收集數(shù)據(jù)的傳感器和執(zhí)行器。
  • 邊緣層,包含數(shù)據(jù)處理元件,用于數(shù)據(jù)過(guò)濾、聚合和預(yù)處理。
  • 云端層,連接到移動(dòng)應(yīng)用程序或網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用程序,進(jìn)行最終處理。
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    確保電路板上的各種器件符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)

    設(shè)備并不是憑空存在的,在物聯(lián)網(wǎng)中尤其如此。它們必須發(fā)揮功能、進(jìn)行通信并與其他系統(tǒng)集成。在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí),要考慮如何將其融入整體架構(gòu)。為此,最佳方法是采用并遵循某種標(biāo)準(zhǔn)?梢钥紤]采用單一標(biāo)準(zhǔn),如 IEEE 243,并在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)遵循這一標(biāo)準(zhǔn)。為了延長(zhǎng)設(shè)計(jì)的使用壽命,除了考慮基本功能外,還要考慮它的使用環(huán)境,尤其重要的是它將與哪些其他設(shè)備通信。

    如需采用更多標(biāo)準(zhǔn),可考慮從印刷電路協(xié)會(huì) (IPC) 的標(biāo)準(zhǔn)入手。其他基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 解決方案包括:

  • 接口:MIPI DSI、CSI、SLIMbus、UniPro、DigRF、BIG、D-PHY、M-PHY、M-PCIe、USB、HDMI、SDIO
  • 存儲(chǔ)器:SD/eMMC、NAND、LPDDR、寬 IO
  • 模擬 IP:AFE、A/D(傳感器、無(wú)線(xiàn)電)、電源監(jiān)控器、熱傳感器
  • 系統(tǒng)/外設(shè) IP:微處理器、總線(xiàn)和音頻 IP 以及定時(shí)器 IP


    5

    低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)

    由于您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)很可能是針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用,因此盡量降低耗電量至關(guān)重要。與讓設(shè)備始終保持開(kāi)啟狀態(tài)相反,您可以讓設(shè)備支持不同的運(yùn)行模式。此外,智能電源管理也有助于延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備,需要使用能量收集電路(通常利用感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸)或依靠電池供電。


    在開(kāi)發(fā)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí),高能效對(duì)于確保產(chǎn)品的使用壽命和可靠性至關(guān)重要

    電池供電
    節(jié)省電池電量的最佳方法之一是在不使用時(shí)關(guān)閉設(shè)備的部分功能。為此,應(yīng)將 PCB 劃分成若干個(gè)功能模塊,為每個(gè)功能模塊分配適當(dāng)?shù)墓念A(yù)算。選擇符合規(guī)格的功率調(diào)節(jié)集成電路,確保設(shè)計(jì)中的每個(gè)模塊的功耗都不超出所分配的預(yù)算。
    存儲(chǔ)器
    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)器模塊也會(huì)耗電,選擇合適的存儲(chǔ)器對(duì)不超出功耗預(yù)算非常重要。例如,與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (DRAM) 相比,使用直接存儲(chǔ)器存取 (DMA) 有助于降低功耗,但會(huì)在一定程度上增加延遲,減少吞吐量。
    精確計(jì)算功耗預(yù)算
    應(yīng)避免因 PCB 走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)或過(guò)孔過(guò)多而造成電能浪費(fèi)。信號(hào)從一個(gè)平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪粋(gè)平面,會(huì)在電路板上產(chǎn)生不必要的電能損耗。精確的功率預(yù)算計(jì)算和高效的電源分配網(wǎng)絡(luò)有助于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。建議使用精確的電源網(wǎng)絡(luò)分析工具,在制造和測(cè)試前準(zhǔn)確了解設(shè)備的能效。

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    物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)

    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將以無(wú)線(xiàn)方式與外界通信,很可能是通過(guò) WiFi、藍(lán)牙或前面提到的其他方式。因此,熟悉各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議非常重要。

    需要注意的是,政府會(huì)監(jiān)管無(wú)線(xiàn)電頻譜的使用,某些頻段被分配用于特定用途。WiFi 通常在 2.4 GHz 頻段上運(yùn)行,NFC 在 13.56 MHz 頻段上運(yùn)行,而其他射頻協(xié)議則在各自的頻段上運(yùn)行。因此,可以購(gòu)買(mǎi)符合政府和行業(yè)規(guī)定的現(xiàn)成無(wú)線(xiàn)模塊,并將其整合到設(shè)計(jì)中。

    天線(xiàn)設(shè)計(jì)也非常重要—在設(shè)計(jì) PCB 時(shí),應(yīng)考慮天線(xiàn)的方向、增益和指向性,然后根據(jù)外形尺寸選擇符合需求的天線(xiàn)。Z-Wave 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可支持?jǐn)?shù)百臺(tái)設(shè)備;例如,Sigfox 使用新的超窄帶 (UNB) 進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電信息交換。

    噪聲
    您的設(shè)備將與其他設(shè)備一起運(yùn)行,這些設(shè)備會(huì)使用它們各自的無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)。因此,噪聲會(huì)成為一個(gè)棘手的問(wèn)題。設(shè)備大部分時(shí)間都處于空閑或待機(jī)模式,傳輸和接收數(shù)據(jù)的通信時(shí)間其實(shí)很短。要熟悉處理射頻電磁干擾的方法,并將其納入設(shè)計(jì)中。



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    溫度
    溫度也會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生重大影響。應(yīng)考慮設(shè)備運(yùn)行時(shí)的理想溫度范圍,確保器件符合溫度要求。

    小貼士
    物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
    如果您正在設(shè)計(jì)一款醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,需要注意,無(wú)線(xiàn)信號(hào)在自由空氣中傳輸與在人體內(nèi)部傳輸是不同的。醫(yī)療器械植入人體后,設(shè)備的工作頻率會(huì)衰減,可能會(huì)嚴(yán)重影響續(xù)航能力,因此要有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。


    7

    混合信號(hào)設(shè)計(jì)


    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)可能包括多個(gè)模擬和數(shù)字信號(hào),因此必須盡可能減少噪聲,保持信號(hào)的完整性

    您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將通過(guò)模擬傳感器從現(xiàn)實(shí)世界中收集數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式,就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和處理,甚至可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

    為此,您需要一個(gè)能夠高速傳輸數(shù)據(jù)的處理器。因此,在設(shè)計(jì)布局時(shí)需要解決串?dāng)_、時(shí)鐘偏移、傳播延遲、衰減和阻抗匹配等問(wèn)題。按照混合信號(hào)布局設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),最好將模擬部分和高速數(shù)字部分分隔開(kāi),將它們安排在電路板的不同區(qū)域。

    小貼士
    物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
    在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,信號(hào)攜帶著重要的人體健康信息,因此如果設(shè)備讀取到錯(cuò)誤的信號(hào),后果將不堪設(shè)想。


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    緊湊型設(shè)計(jì)

    要將各種不同的子電路和模塊集成到一個(gè)緊湊型 PCB 中,需要采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。其中包括高密互連 (HDI)、嵌入式器件和其他緊湊型器件,如多芯片組件 (MCM) 或三維集成電路 (3D-IC)。使用多層 PCB 能使電路板的尺寸更加緊湊。


    物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的 PCB 需要采用緊湊型設(shè)計(jì),具有柔性部分和高密互連

    確定好 PCB 的外形尺寸并就此達(dá)成一致。特別是要與機(jī)械工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師溝通,確保制造商有能力組裝和制造您的設(shè)計(jì)。由于 PCB 的某些部分可能容易受到機(jī)械撓曲的影響,因此器件擺放變得更加重要。這時(shí),柔性設(shè)計(jì)可能會(huì)派上用場(chǎng)。


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    柔性設(shè)計(jì)
    您的設(shè)計(jì)還可能存在機(jī)械限制,而柔性電路板或剛?cè)峤Y(jié)合電路板可以讓這些問(wèn)題迎刃而解,它們是標(biāo)準(zhǔn)剛性 PCB 的替代方案,近年來(lái)越來(lái)越受歡迎。具體來(lái)說(shuō),標(biāo)準(zhǔn)剛性 PCB 使用復(fù)雜的線(xiàn)束或高密互連 (HDI) 來(lái)連接傳感器,與之相比,PCB 器件、互連器件和傳感器可以放置在柔性 PCB 上。這樣可以減少互連和導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量,有助于縮小設(shè)備尺寸。

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    SPICE 仿真

    在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中,使用 SPICE 工具可以調(diào)整設(shè)計(jì)的功率和可用性。與大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品一樣,可制造性和產(chǎn)品良率是成功設(shè)計(jì)電路板的關(guān)鍵。


    利用 SPICE 程序的仿真結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備的行為

    利用 SPICE 仿真,您可以根據(jù)制造良率和可靠性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定公差。SPICE 仿真還有助于跟蹤電源效率,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)漏洞,分析阻抗并確定外形尺寸限制。SPICE 庫(kù)具有易于訪(fǎng)問(wèn)的器件參數(shù)集成和建模功能,并提供了模板,用于構(gòu)建自定義模型。

    使用 Cadence PSpice 軟件,您可以訪(fǎng)問(wèn) 33,000 多個(gè)器件,輕松確保器件良率和可靠性,驗(yàn)證電氣性能,并在交付制造之前進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。




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    Cadence楷登PCB及封裝資源中心


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    Cadence是唯一一家為整個(gè)電子設(shè)計(jì)鏈提供專(zhuān)業(yè)技術(shù)、工具、IP及硬件的公司。產(chǎn)品應(yīng)用于消費(fèi)電子、云數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)、航空、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)領(lǐng)域。Cadence創(chuàng)新的 “智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)” 戰(zhàn)略助力客戶(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短開(kāi)發(fā)周期、打造行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品。
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    關(guān)于耀創(chuàng)科技


    耀創(chuàng)科技(U-Creative)專(zhuān)注于為電子行業(yè)客戶(hù)提供電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)解決方案及服務(wù)的高科技公司,是Cadence在國(guó)內(nèi)合作時(shí)間最長(zhǎng)的代理商。      耀創(chuàng)科技(U-Creative)至今積累有20多年的EDA工程服務(wù)經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)在中國(guó)為數(shù)百家客戶(hù)提供了EDA解決方案及服務(wù),這極大地提高了客戶(hù)的硬件設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)效率。公司在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的EDA解決方案的同時(shí),針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的特殊性,與Cadence公司合作,在國(guó)內(nèi)最早提出了電子電氣協(xié)同設(shè)計(jì)與工程數(shù)據(jù)管理的概念,成功地在眾多研究所及商業(yè)公司內(nèi)進(jìn)行實(shí)施,極大的改善了PCB/SIP產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程,覆蓋從優(yōu)選元件選控、協(xié)同設(shè)計(jì)輸入、在線(xiàn)檢查分析、標(biāo)準(zhǔn)化文檔輸出及PLM/PDM系統(tǒng)集成,獲得了眾多用戶(hù)的贊許。與此同時(shí),根據(jù)中國(guó)客戶(hù)的實(shí)際情況,公司還提供除了軟件使用培訓(xùn)之外的工程師陪同項(xiàng)目設(shè)計(jì)服務(wù),以幫助客戶(hù)在完成實(shí)際課題的同時(shí),也能夠熟練掌握軟件的高級(jí)使用方法,這一舉措也取得了非常好的效果。我們一直秉承“與客戶(hù)共同成長(zhǎng)”的服務(wù)理念,希望在國(guó)內(nèi)EDA領(lǐng)域內(nèi)能為更多客戶(hù)提供支持與服務(wù)!識(shí)別下方二維碼關(guān)注耀創(chuàng)科技公眾號(hào)

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