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探討可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)能耗的最新技術(shù) Qoitech OTII-ARC-001
發(fā)布時(shí)間：2020/3/15
在設(shè)計(jì)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備時(shí)，主要目標(biāo)是延長(zhǎng)再充電之間的時(shí)間，或者在標(biāo)準(zhǔn)電池的情況下延長(zhǎng)電池的使用壽命。有許多傳統(tǒng)的方法，但缺乏完全優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的系統(tǒng)級(jí)視角。
為了最大限度地利用可用電池電量，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要作為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，而不是作為不相關(guān)組件的集合。本文將探討可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)能耗的最新技術(shù)和技術(shù)，以及如何最好地應(yīng)用它們。
傳統(tǒng)的能量測(cè)量方法
一般的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)的電池壽命并不陌生。在過(guò)去的美好時(shí)光中，開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)使用萬(wàn)用表（例如B＆K Precision BK2706）來(lái)測(cè)量嵌入式系統(tǒng)的電流消耗。這些都是很好的萬(wàn)用表，當(dāng)然可以用來(lái)測(cè)量平均電流，但不會(huì)給開(kāi)發(fā)人員提供他們需要的分辨率，以查看快速峰值，或者在沒(méi)有相當(dāng)大的努力的情況下測(cè)量微安范圍內(nèi)的電流消耗。為了看到這些快速轉(zhuǎn)換，開(kāi)發(fā)人員需要快速的事情，他們可以很容易地觸發(fā)。
一個(gè)示波器，加上一個(gè)大小適合電流范圍的分流電阻，可以用來(lái)查看這些快速電流轉(zhuǎn)換。開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)使用B＆K Precision公司的BK2190。這是一款極好的低成本100 MHz示波器。開(kāi)發(fā)人員當(dāng)然可以觸發(fā)示波器查看尖峰和轉(zhuǎn)換，但在這個(gè)特定應(yīng)用中使用示波器仍然存在一些挑戰(zhàn)。
首先，大多數(shù)低成本示波器不允許開(kāi)發(fā)人員輕松訪問(wèn)跟蹤。其次，軌跡在其記錄長(zhǎng)度上受到限制。第三，示波器數(shù)據(jù)不能與嵌入式系統(tǒng)上發(fā)生的事件同步。考慮到所有這三個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)在項(xiàng)目時(shí)間表內(nèi)盡力優(yōu)化他們的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。因此，有效優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源消耗需要一種新的更現(xiàn)代的方法。
使用智能電源優(yōu)化能耗
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以被優(yōu)化的一種新的更現(xiàn)代化的方式是使用智能電源，該智能電源不僅向設(shè)備提供能量，而且還能夠測(cè)量提供給該設(shè)備的電壓和電流。智能電源可以看作是電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的混合體。
Qoitech AB的 OTIi Arc就是其中一種電源。這是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測(cè)量單元。它用于為能源配置需要優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。它通過(guò)USB將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。OTIi Arc也可以通過(guò)USB供電。
圖1：Qoitech AB公司的OTIi Arc是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測(cè)量單元。（圖片來(lái)源：Qoitech AB）
OTIi Arc可通過(guò)其otii軟件包進(jìn)行配置，提供0.5至5.0伏的電壓。使用USB端口為Otii Arc供電時(shí)，最大輸出功率可達(dá)250毫安（mA）。對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這將是綽綽有余的，但對(duì)于開(kāi)發(fā)功耗更大的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員，可以使用外部7.5伏特到9.0伏特的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.5安培（A）的電流，并且具有最大峰值電流為5.0 A.Otii Arc 還可以以低至1微安（μA）的電流分辨率以高達(dá)4 Ksamples / s的速率進(jìn)行采樣，這對(duì)大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
使用Otii Arc
待測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（DUT）可以通過(guò)多種方式連接到Otii Arc。在第一種方法中，就像大多數(shù)電源一樣，有兩個(gè)香蕉插頭用于為設(shè)備供電。這使得開(kāi)發(fā)人員可以使用來(lái)自Pomona Electronics的12“紅色香蕉電纜，用紅色Pomona夾具提供電壓軌。使用12“黑色波莫納香蕉電纜和黑色波莫納氣爪來(lái)供應(yīng)地面導(dǎo)軌。這是任何嵌入式系統(tǒng)工程師的工作臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。
第二種方法使用Otii Arc的14引腳擴(kuò)展接頭，引腳間距為0.100“。該擴(kuò)展端口具有有用的連接，如用于測(cè)量電流的第二個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道，GPIO引腳以及串行發(fā)送和接收引腳信號(hào)。
圖2：使用幾乎每個(gè)電源上的標(biāo)準(zhǔn)香蕉插孔連接到Otii Arc。開(kāi)發(fā)人員可以使用12“紅色Pomona Electronics香蕉電纜和紅色Pomona夾具將正電壓軌連接到被測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。（圖片來(lái)源：Pomona Electronics）
Qoitech Otii Arc配備了otii軟件的標(biāo)準(zhǔn)許可證，該軟件是一個(gè)可視化工具，與Otii Arc進(jìn)行連接，以執(zhí)行電流和電壓測(cè)量并控制電源的行為。可視化用于分析能耗并確定系統(tǒng)的優(yōu)化位置和方式。
otii軟件通過(guò)USB連接電源，可用于啟用和禁用電源電壓或記錄跟蹤。跟蹤時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以看到提供易于導(dǎo)航的帶狀圖類(lèi)型視圖的實(shí)時(shí)跟蹤。開(kāi)發(fā)人員可以在其蹤跡中突出顯示區(qū)域，并提供重要信息，如最小值，最大值和平均電流（圖3）。
圖3：使用Otii Arc的otii軟件進(jìn)行跟蹤時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以查看實(shí)時(shí)跟蹤，該跟蹤以條形圖視圖顯示，很容易導(dǎo)航。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
正如前面所討論的，開(kāi)發(fā)人員能夠了解跟蹤中各個(gè)點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)，這樣他們就可以獲得他們可以分析的單一，連貫的信息源，這通常是至關(guān)重要的。智能電源也能夠接收來(lái)自嵌入式系統(tǒng)的日志輸入，這些輸入可用于同步狀態(tài)，這一點(diǎn)很重要。
Qoitech Otii Arc的有趣之處在于，擴(kuò)展連接器能夠以可配置的波特率讀取串行UART，并在軌跡中記錄日志信息。建立一個(gè)傳輸執(zhí)行日志的系統(tǒng)需要從嵌入式目標(biāo)接收一個(gè)通過(guò)UART的字符串日志。為此，將IoT設(shè)備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc上的Rx引腳（圖4）。將數(shù)字地連接到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以確保信號(hào)共享相同的地參考是一個(gè)很好的做法。
圖4：要從嵌入式目標(biāo)接收通過(guò)UART的字符串日志，請(qǐng)將IoT設(shè)備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc 上的Rx引腳。（圖片來(lái)源：Qoitech AB）
為了演示如何在otii軟件中記錄數(shù)據(jù)，將顯示一個(gè)LED切換并通過(guò)UART提供日志狀態(tài)以幫助開(kāi)發(fā)人員（圖5）。
圖5：Otii Arc可以設(shè)置為接收UART日志消息，以幫助開(kāi)發(fā)人員了解嵌入式系統(tǒng)所處的狀態(tài)。在本例中，LED通過(guò)UART進(jìn)行切換并提供日志狀態(tài)以幫助開(kāi)發(fā)人員。（圖片來(lái)源：Qoitech AB）
優(yōu)化子系統(tǒng)能源使用
有幾種方法可以使用智能電源來(lái)優(yōu)化設(shè)備的能耗，但它們確實(shí)需要一些預(yù)先考慮。例如，開(kāi)發(fā)商應(yīng)在其印刷電路板上包含多個(gè)分流電阻，以便它們可以連接并探測(cè)不同電路的能耗。如果不這樣做，只會(huì)為開(kāi)發(fā)人員提供整個(gè)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，這可以使得優(yōu)化成為猜測(cè)游戲而不是工程活動(dòng)。
開(kāi)發(fā)人員可以使用擴(kuò)展ADC來(lái)監(jiān)視外部分流電阻。這個(gè)電阻器可以監(jiān)測(cè)Wi-Fi模塊，存儲(chǔ)器芯片或微控制器本身。此功能允許開(kāi)發(fā)人員在監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)能耗受到影響的同時(shí)調(diào)整單個(gè)電路。開(kāi)發(fā)人員需要做的就是在otii軟件的項(xiàng)目設(shè)置中設(shè)置分流電阻值，并將正確的電流記錄在軌跡中（圖6）。
圖6：Otii Arc可以設(shè)置為記錄系統(tǒng)電壓和電流，以及子系統(tǒng)的第二個(gè)電流分流器。這允許開(kāi)發(fā)人員調(diào)整特定電路，同時(shí)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)能耗如何受到影響。（圖片來(lái)源：Qoitech AB）
毫無(wú)疑問(wèn)，許多電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最大的能源消費(fèi)者之一就是微控制器。智能電源可用于監(jiān)控微控制器，但在很多情況下，開(kāi)發(fā)人員希望能夠?qū)⑵洚?dāng)前測(cè)量值與微控制器中的程序計(jì)數(shù)器同步。這可以使電流消耗與正在執(zhí)行的代碼行同步。
為此，開(kāi)發(fā)人員可以將智能電源與先進(jìn)的調(diào)試器（如Arm’s Keil ULINKplus）配合使用，該調(diào)試器可以測(cè)量微控制器電流并將該測(cè)量值與程序計(jì)數(shù)器同步。然后，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員將所有這些測(cè)量結(jié)果一起使用時(shí)，他們將能夠精確調(diào)整其能耗并最大限度地延長(zhǎng)其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的電池壽命。
圖7：Arm Keil ULINKplus可以設(shè)置為記錄微控制器的當(dāng)前使用情況，并將該測(cè)量結(jié)果與微控制器上執(zhí)行的代碼行同步。這有助于全面了解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源使用情況。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能耗的技巧和訣竅
開(kāi)發(fā)人員可以遵循幾個(gè)技巧和竅門(mén)，以便輕松優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的能耗。這些包括：
- 對(duì)于設(shè)計(jì)中的每個(gè)主要硬件模塊，添加一個(gè)可用于在開(kāi)發(fā)和測(cè)試期間監(jiān)控電路能耗的分流電阻。
- 閱讀“ 為物聯(lián)網(wǎng)選擇并應(yīng)用合適的低功耗微控制器 ”，了解如何測(cè)量和優(yōu)化微控制器能耗的提示。
- 盡可能多地將主要系統(tǒng)組件置于睡眠模式或低功耗狀態(tài)。
- 在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期內(nèi)測(cè)量能耗，而不是接近尾聲。
- 使用能夠覆蓋應(yīng)用動(dòng)態(tài)范圍的能量分析器。
- 盡可能多地自動(dòng)化測(cè)量過(guò)程。
- 在硬件中，尋找LDO等效率低下且泄漏的組件，并將其替換為更高效的組件。
結(jié)論
優(yōu)化任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗并不是一件容易的事，對(duì)電池供電的設(shè)備尤其重要。如圖所示，有幾種傳統(tǒng)的能耗測(cè)量方法。使用適當(dāng)?shù)墓ぞ哌M(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量可以更容易地識(shí)別能源消耗并設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，從而充分利用可用的電池電量。
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