Kun harkitsemme akkukäyttöisen laitteen ostamista, yksi tärkeimmistä mittareista on sen toiminta-aika yhdellä latauksella. Akun kestosta on tullut keskeinen myyntivaltti monille puetettaville laitteille, mutta se on myös merkittävä näkökohta teollisten IoT-anturien ja muiden vastaavien sovellusten kasvavalle määrälle.

Akun käyttöiän pidentäminen ei tarkoita pelkästään isomman akun käyttämistä. Muototekijät ja mitat asettavat monenlaisia rajoituksia. Sulautettujen laitteiden suunnittelijoiden on perehdyttävä sovelluksensa virrankulutusprofiilin yksityiskohtiin ymmärtääkseen täysin sen reaaliaikaiset tehotarpeet ja siihen vaikuttavat tekijät. Tässä artikkelissa käsitellään IIoT-anturin virrankulutusprofiilin mittaamista ja käytännön toimia, joilla suunnittelijat voivat vähentää tehonkulutusta.

Akkutehoinen maailmamme

Saatamme pitää kodissamme käytettävän langattoman termostaatin tai turva-anturin satunnaista paristonvaihtotarvetta pienenä haittana. Se vie vain muutaman minuutin ja maksaa hyvin vähän. Useimmissa tapauksissa laite hälyttää meille älypuhelinsovelluksen kautta, että paristo on vaihdettava. Meitä suojaavat laitteet kuten palovaroitin ilmoittavat uuden pariston tarpeesta ja auttavat näin ylläpitämään anturin toimintaa ja potentiaalisesti ehkäisemään kuolemantapauksia.

Kannattaa kuitenkin harkita asia uudestaan, jos joutuu hallitsemaan satojen teollisuusanturien pariston vaihtoa useissa eri paikoissa. Vaikka pariston vaihto kestää vain muutaman minuutin, jokaiseen paikkaan ajamisesta, yksittäisten antureiden löytämisestä ja seuraavaan anturin luokse siirtymisestä voi tulla kallista kokopäivätyötä. Tämä haaste on ollut piilotettu ja kallis puoli kaikissa IIoT-käyttöönotoissa.

Akkukäyttöisten laitteiden valmistajien on tiedettävä, kuinka heidän tuotteensa kuluttaa virtaa käytön aikana, jotta pariston vaihtoväliä voidaan pidentää. Näiden tietojen avulla voidaan laskea pariston todennäköinen käyttöikä. Tämä lähestymistapa on myös tärkeä ensimmäinen askel kohti pariston korvaamista vaihtoehtoisella energialähteellä.

Esimerkkinä toimii energiankeruutekniikoiden toteuttaminen energian varastoimiseksi superkondensaattoriin. Mahdollisia energialähteitä ovat tärinä, aurinko ja lämpö. Laitteen virrankulutusprofiilin ja käyttösuhteen perusteellinen tutkimus määrittää, voidaanko kerätä ja varastoida riittävästi energiaa säännöllisen käytön mahdollistamiseksi.

Paristolla toimivan anturin arkkitehtuuri

Kuva 1 havainnollistaa langattomasti yhdistetyn, paristokäyttöisen lämpötila- ja kosteusanturin toiminnallista arkkitehtuuria. Arkkitehtuuri on tyypillinen monille IoT/IIoT-laitteille, joita käytetään eri ympäristöparametrien mittaamiseen ja raportointiin.

Kuva 1. Tyypillisen IoT/IIoT-anturin yksinkertaistettu toiminnallinen arkkitehtuuri (lähde Mouser).

Anturin toiminta sisältää mikro-ohjaimen (MCU) sekvensoinnin seuraavien vaiheiden kautta:

• herääminen unesta
• lämpötila- ja kosteuslukemien pyytäminen anturielementeiltä
• anturidatan pakkaaminen viestintäprotokollamuotoon
• langaton lähetinvastaanotin, joka muodostaa linkin langattomaan tukiasemaan
• tiedon siirtäminen isäntäjärjestelmään
• koko laitteen asettaminen lepotilaan

Tehonsäätö ja paristovirran muunnos saadaan aikaan virranhallinta- eli PMIC-piirin avulla, ja lisäpiirit mittaavat jännitteen ja virran. Nämä tiedot voidaan pakata yhdessä anturin tietojen kanssa isäntäsovellukseen.

Erittäin pitkälle integroidut SoC_pohjaiset langattomat mikro-ohjaimet sisältävät yleensä useimmat kuvassa 1 korostetut toiminnot. Esimerkiksi käy Nordic Semiconductorin mobiiliverkkojen nRF9160-piiri.

Kuva 2. Nordic Semiconductorin nRF9160 on pitkälle integroitu mobiiliverkkojen SiP-koteloitu vastaanotinohjain.

Suunnittelun viimeistelyyn vaaditaan vain anturit ja niihin liittyvät signaalinkäsittelykomponentit. Ohjainpiirin datalehdessä on korostettu mikro-ohjaimen ja langattoman lähetin-vastaanottimen yksittäiset virrankulutusparametrit eri lepotiloissa. Kuvassa 3 on esitetty ohjaimen tyypillinen virrankulutus eri tiloissa arvoilla 0,1 µA - 600 µA.

Kuva 3. Nordic Semiconductorin nRF9160-ohjaimen virrankulutus eri lepotiloissa.

Langaton lähetin-vastaanotin on itsenäisesti ohjattu, mikä tarjoaa mahdollisuuden hallita sen kulutusprofiilia. Esimerkiksi sulautettu laiteohjelmisto voi varmistaa, että lähetin-vastaanotin on käytössä vain tarvittaessa. Jotkut ohjaimen oheislaitteista voidaan asettaa lepotilaan tämän toimenpiteen aikana, mikä alentaa yleistä kulutusprofiilia.

Tehonkulutuksen mittaamisen haasteet ja resurssit

Anturin pariston toiminta-ajan arvioiminen edellyttää laitteen virrankulutuksen huolellista analysointia. Kun keskikulutuksen vertailuarvo on määritetty, kehitystiimi voi kokeilla erilaisia ​​menetelmiä akun ennustetun käyttöiän parantamiseksi. Tekniikat voivat sisältää:

• MCU:n ja lähetin-vastaanottimen huolellinen prosessoinnin järjestäminen eli sekvensointi.
• Oheislaitteiden sammuttaminen, kun niitä ei tarvita.
• Laitteen käyttöjakson muuttaminen.
• Erilaisten unitilojen kokeilu.
• MCU:n kellon hidastaminen, kun dataa ei käsitellä.

Virran tarkka mittaaminen näin suurella dynaamisella alueella on kuitenkin monimutkaista, eikä se onnistu tyypillisen digitaalisen multimittarilla.

Virta lasketaan tyypillisesti Ohmin lain mukaan mittaamalla jännitehäviö vastuksen yli. Vastuksen yli menevä jännitehäviö - jota kutsutaan kuormitusjännitteeksi - vähentää kuorman syöttämää jännitettä. Havaittavia, tarkkoja matalan mikroampeerien virtamittauksia varten kuormitusjännitteen on oltava riittävän korkea, jotta multimittari (DMM, digital multimeter) voi mitata ilman, että se vähentää syöttöä siinä määrin, että se aiheuttaa testattavan laitteen virheellisen käyttäytymisen. Tätä vaikeuttaa entisestään mitattavan laitteen toiminnan dynaaminen luonne, joka muuttuu välittömästi, kun siirrytään matalista mikroampeerilukemista mikroampeereihin. Tyypillisillä 1,8 V:n tai 3,3 V:n SoC-syöttövirroilla kuormitusjännitteen dynaaminen muutos johtaisi mitattavan laitteen nollautumiseen käytön aikana.

Joitakin tarkkoja DMM-mittareita on saatavana vastaamaan tätä erityistä vaatimusta. Nämä kalliit laitteet käyttävät kuitenkin relekytkentää shunttivastuksen arvojen muuttamiseksi käytön aikana, mutta siihen kuluva aika johtaa jopa puolijohdekytkimien kanssa mittauksen yksityiskohtien ja tarkkuuden menettämiseen.

Ratkaistakseen suuren dynaamisen virta-alueen mittaushaasteen valmistajat ovat kehittäneet tehoprofilointityökaluja, joilla mitataan ja tallennetaan kulutusta tarkasti reaaliajassa. Esimerkkejä ovat Nordic Power Profiler Kit 2 (PPK) ja Qoitech Otti Arc.

Power Profiler 2

USB-virralla toimivan Nordic Semiconductor Power Profiler Kit 2:n mittauskapasiteetti vaihtelee 200 nanoampeerista 1 ampeeriin, ja resoluutio on välillä 100 nA - 1 mA. Se voi toimia lähdetilassa, jossa se syöttää mitattavalle laitteelle jännitettä, tai ampeerimittaritilassa, jossa se puhtaasti mittaa virtaa. PPK tarjoaa ohjelmistolla konfiguroitavan lähdön 0,8 VDC - 5 V, enintään 1 A.

Kuva 4. Nordic Semiconductorin Power Profiler 2.

Reaaliaikainen virranmittauskyky on 100 kS/s, ja se vaihtaa automaattisesti viiden virranmittausalueen välillä optimaalisen resoluution ylläpitämiseksi.

PC-pohjainen Nordic Power Profiler -sovellus muodostaa yhteyden PPK:hen ja tarjoaa käyttöliittymän PPK:n määrittämiseen ja mittaustietojen tallentamiseen. Kuvassa 5 on esimerkki reaaliaikaisesta kuvakaappauksesta.

Kuva 5. Kuvakaappauksessa Power Profiler -sovellus suorittaa reaaliaikaista virtamittausta.

Näytteenottoresoluution pienentäminen 100 kS/s:sta 1 näytteeseen sekunnissa pidentää maksimilokijakson 7 minuutista 500 päivään.

PPK2 sisältää myös joukon digitaalisia GPIO-nastoja, jotka soveltuvat testattavan laitteen kytkemiseen sekvenssiohjausominaisuuksiin tai logiikka-analysaattoriin virranmittausten synkronoimiseksi testilaitteen sovelluskoodin mukaisesti.

Qoitech Otti

Qoitech Otti Arc on kompakti, kannettava ja monipuolinen tehoanalysaattori, joka pystyy mittaamaan kahdeksan suuruusluokkaa 50 nA:n resoluutiolla ylöspäin, kymmenistä nanoampeereista 5 ampeeriin asti.

Kuva 6. Qoitech Otti Arc on tarkka alhaisten virtojen mittauslaite.

Otti Arc voidaan konfiguroida vakiojännite- tai virtalähteeksi ja virtanieluksi. Virtanielu tarjoaa menetelmän emuloida ja profiloida erilaisia akkuja ja sovellusskenaarioita enintään 2,5 A asti. Laitteen näytteenottotaajuus on 4 kS/s. Se voi saada virran isäntätietokoneen USB-portista tai ulkoisesta virtalähteestä.

Otti Arc -ohjelmisto sisältää kaikki ominaisuudet virranmittauslähteen ja nielun toiminnan konfigurointiin sekä testattavan laitteen virrankulutuksen tallentamiseen. Kuva 7 esittää esimerkkikuvakaappauksen. Aikajana mahdollistaa nykyisten lukemien tarkkuuden lisäämisen, ja keskimääräisen virtaprofiilin arvo näkyy näytön yläosassa.

Kuva 7. Otti Arc -pöytäkoneohjelmisto on saatavilla Ubuntu Linuxille, Microsoft Windowsille ja Applen macOS:lle.

Etupaneelista on saatavana GPIO-nastat loogisten tilojen seuraamiseen ja DUT-toiminnan ohjaamiseen analyysitarkoituksiin.

Profiloi suunnittelusi tehonkulutus

Akun käyttöiän maksimoimiseksi sinun on ymmärrettävä täysin laitteesi virrankulutusprofiili. Sen kuluttama keskimääräinen virta auttaa arvioimaan akun käyttöikää, mutta huiput vaikuttavat voimakkaasti keskiarvoon säännöllisen käytön aikana. Ennen kuin voit aloittaa laitteen laiteohjelmiston optimoinnin, sinun on määritettävä virrankulutusprofiili laitteen täydellisten toimintajaksojen kautta.

Tässä artikkelissa korostetut kaksi laitetta voivat mitata tarkasti erittäin alhaiset virta-arvot, joilla on suuri dynaaminen alue. Ne voivat tallentaa ja piirtää mitatut tiedot laitteen laiteohjelmistoon synkronoitua aikajanaa vasten. Näiden yksityiskohtaisten tietojen avulla sulautettu kehittäjä ja laitteistosuunnittelija voivat alkaa tutkia koodia löytääkseen mahdollisuuksia alentaa virtahuippuja.