探討可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計能耗的最新技術(shù) Qoitech OTII-ARC-001
發(fā)布時間:2020/3/15
在設(shè)計電池供電的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備時,主要目標是延長再充電之間的時間,或者在標準電池的情況下延長電池的使用壽命。有許多傳統(tǒng)的方法,但缺乏完全優(yōu)化設(shè)計所需的系統(tǒng)級視角。
為了最大限度地利用可用電池電量,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要作為整個系統(tǒng)進行優(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)的能量測量方法
一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員對優(yōu)化系統(tǒng)的電池壽命并不陌生。在過去的美好時光中,開發(fā)人員通常會使用萬用表(例如B&K Precision BK2706)來測量嵌入式系統(tǒng)的電流消耗。這些都是很好的萬用表,當(dāng)然可以用來測量平均電流,但不會給開發(fā)人員提供他們需要的分辨率,以查看快速峰值,或者在沒有相當(dāng)大的努力的情況下測量微安范圍內(nèi)的電流消耗。為了看到這些快速轉(zhuǎn)換,開發(fā)人員需要快速的事情,他們可以很容易地觸發(fā)。
一個示波器,加上一個大小適合電流范圍的分流電阻,可以用來查看這些快速電流轉(zhuǎn)換。開發(fā)人員可能會使用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發(fā)人員輕松訪問跟蹤。其次,軌跡在其記錄長度上受到限制。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。考慮到所有這三個問題,開發(fā)人員可能會在項目時間表內(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USB將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。OTIi Arc也可以通過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量單元。(圖片來源:Qoitech AB)
OTIi Arc可通過其otii軟件包進行配置,提供0.5至5.0伏的電壓。使用USB端口為Otii Arc供電時,最大輸出功率可達250毫安(mA)。對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說,這將是綽綽有余的,但對于開發(fā)功耗更大的系統(tǒng)的開發(fā)人員,可以使用外部7.5伏特到9.0伏特的電源來實現(xiàn)高達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4 Ksamples / s的速率進行采樣,這對大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說已經(jīng)足夠了。
使用Otii Arc
待測物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(DUT)可以通過多種方式連接到Otii Arc。在第一種方法中,就像大多數(shù)電源一樣,有兩個香蕉插頭用于為設(shè)備供電。這使得開發(fā)人員可以使用來自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)工程師的工作臺的標準設(shè)置。
第二種方法使用Otii Arc的14引腳擴展接頭,引腳間距為0.100“。該擴展端口具有有用的連接,如用于測量電流的第二個模數(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。
圖2:使用幾乎每個電源上的標準香蕉插孔連接到Otii Arc。開發(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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。(圖片來源:Pomona Electronics)
Qoitech Otii Arc配備了otii軟件的標準許可證,該軟件是一個可視化工具,與Otii Arc進行連接,以執(zhí)行電流和電壓測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,開發(fā)人員可以看到提供易于導(dǎo)航的帶狀圖類型視圖的實時跟蹤。開發(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軟件進行跟蹤時,開發(fā)人員可以查看實時跟蹤,該跟蹤以條形圖視圖顯示,很容易導(dǎo)航。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
正如前面所討論的,開發(fā)人員能夠了解跟蹤中各個點的系統(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),這一點很重要。
Qoitech Otii Arc的有趣之處在于,擴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。建立一個傳輸執(zhí)行日志的系統(tǒng)需要從嵌入式目標接收一個通過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)備以確保信號共享相同的地參考是一個很好的做法。
圖4:要從嵌入式目標接收通過UART的字符串日志,請將IoT設(shè)備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc 上的Rx引腳。(圖片來源:Qoitech AB)
為了演示如何在otii軟件中記錄數(shù)據(jù),將顯示一個LED切換并通過UART提供日志狀態(tài)以幫助開發(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UART進行切換并提供日志狀態(tài)以幫助開發(fā)人員。(圖片來源: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優(yōu)化設(shè)備的能耗,但它們確實需要一些預(yù)先考慮。例如,開發(fā)商應(yīng)在其印刷電路板上包含多個分流電阻,以便它們可以連接并探測不同電路的能耗。如果不這樣做,只會為開發(fā)人員提供整個系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài),這可以使得優(yōu)化成為猜測游戲而不是工程活動。
開發(fā)人員可以使用擴展ADC來監(jiān)視外部分流電阻。這個電阻器可以監(jiān)測Wi-Fi模塊,存儲器芯片或微控制器本身。此功能允許開發(fā)人員在監(jiān)控整個系統(tǒng)能耗受到影響的同時調(diào)整單個電路。開發(fā)人員需要做的就是在otii軟件的項目設(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)的第二個電流分流器。這允許開發(fā)人員調(diào)整特定電路,同時監(jiān)視整個系統(tǒng)能耗如何受到影響。(圖片來源:Qoitech AB)
毫無疑問,許多電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最大的能源消費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,開發(fā)人員希望能夠?qū)⑵洚?dāng)前測量值與微控制器中的程序計數(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,開發(fā)人員可以將智能電源與先進的調(diào)試器(如Arm’s Keil ULINKplus)配合使用,該調(diào)試器可以測量微控制器電流并將該測量值與程序計數(shù)器同步。然后,當(dāng)開發(fā)人員將所有這些測量結(jié)果一起使用時,他們將能夠精確調(diào)整其能耗并最大限度地延長其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的電池壽命。
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。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能耗的技巧和訣竅
開發(fā)人員可以遵循幾個技巧和竅門,以便輕松優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的能耗。這些包括:
- 對于設(shè)計中的每個主要硬件模塊,添加一個可用于在開發(fā)和測試期間監(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)。
- 在整個開發(fā)周期內(nèi)測量能耗,而不是接近尾聲。
- 使用能夠覆蓋應(yīng)用動態(tài)范圍的能量分析器。
- 盡可能多地自動化測量過程。
- 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)的能耗測量方法。使用適當(dāng)?shù)墓ぞ哌M行適當(dāng)?shù)臏y量可以更容易地識別能源消耗并設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)解決方案,從而充分利用可用的電池電量。
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