În calitate de consumatori, atunci când ne gândim să cumpărăm un dispozitiv alimentat de la baterie, unul dintre parametrii cheie pe care îl verificăm de obicei este durata de viață a acesteia la o singură încărcare.
Figura 1: Arhitectura funcțională simplificată a unui senzor IoT/IIoT tipic. (sursă: Mouser)
Durata de viață a bateriei a devenit un punct de vânzare cheie pentru multe dispozitive purtabile, dar este, de asemenea, un aspect important pentru numărul tot mai mare de senzori IoT industriali și alte aplicații similare. Prelungirea duratei de viață a bateriei nu înseamnă pur și simplu utilizarea unei baterii mai mari; dimensiunile fizice și factorii de formă au limitări practice și stilistice. Inginerii care dezvoltă aplicații embedded trebuie să cerceteze în detaliu profilul de consum energetic al aplicației lor pentru a înțelege pe deplin cerințele de putere ale acesteia în timp real și factorii care afectează acest lucru.
Lumea noastră alimentată de baterii
Să considerăm că înlocuirea ocazională a bateriei unui termostat wireless sau a unui senzor de securitate folosit în casa noastră este un inconvenient minor. Durează doar câteva minute și costă foarte puțin. În cele mai multe cazuri, dispozitivul ne avertizează prin intermediul unei aplicații inteligente că bateria trebuie înlocuită. În cazul dispozitivelor care ne protejează, o alarmă de fum, de exemplu, notificările acesteia ne ajută să menținem funcționarea senzorului și să prevenim situațiile periculoase.
Dar gândiți-vă la situația în care trebuie să înlocuiți bateriile a sute de senzori industriali amplasați în diverse locații îndepărtate. Deși sarcina de înlocuire a bateriei durează doar câteva minute, deplasarea la fiecare locație, găsirea tuturor senzorilor poate deveni o sarcină “full-time” destul de scumpă. O astfel de provocare ‘truck roll’, așa cum este cunoscută, a devenit un aspect ascuns și costisitor al oricărei implementări IIoT.
Pentru a micșora efortul de schimbare frecventă a bateriilor, producătorii de dispozitive alimentate de la baterii trebuie să cunoască modul în care produsul lor consumă energie în timpul funcționării. Cu aceste informații, se poate afla o indicație a duratei probabile de viață a bateriei. Această abordare este, de asemenea, un prim pas esențial pentru înlocuirea bateriei cu o sursă de energie alternativă.
Figura 2: Microcontrolerul wireless SiP, înalt integrat, cu transceiver RF – nRF9160 – de la Nordic (sursă: Nordic Semiconductor)
Un exemplu este punerea în aplicare a tehnicilor de recoltare a energiei pentru a stoca energie într-un supercapacitor. Printre sursele potențiale de energie se numără vibrațiile, energia solară și căldura. O examinare aprofundată a profilului de consum de putere și a ciclului de funcționare a dispozitivului va determina dacă se poate recolta și stoca suficientă energie pentru a permite o funcționare normală.
Arhitectura unui senzor tipic alimentat de la o baterie
Figura 1 ilustrează arhitectura funcțională a unui exemplu de senzor de temperatură și umiditate conectat fără fir, alimentat de la o baterie. Arhitectura este tipică pentru multe dispozitive IoT/IIoT utilizate pentru a măsura și raporta diverși parametri de mediu.
Funcționarea senzorului implică secvențierea microcontrolerului (MCU) prin următorii pași:
- Trezirea din somn
- Solicitarea citirilor de temperatură și umiditate de la elementele senzoriale
- Împachetarea datelor senzorilor într-un format de protocol de mesagerie
- Transmițătorul wireless care inițiază o legătură cu un punct de acces wireless
- Transferul datelor către sistemul gazdă
- Punerea întregului dispozitiv în stare de veghe
Tabelul 1: Consumul de curent al microcontrolerului nRF9160 de la Nordic în diferite moduri de veghe (sursă: Nordic)
Stabilizarea și conversia sursei de alimentare a bateriei se realizează cu ajutorul unui circuit integrat de management a puterii (PMIC), iar circuitele suplimentare asigură măsurarea tensiunii și a curentului. Aceste date pot fi “împachetate” împreună cu datele senzorilor de la aplicația gazdă.
Microcontrolerele wireless de tip SoC (System-on-Chip) puternic integrate încorporează, de obicei, majoritatea funcțiilor evidențiate în figura 1. Un exemplu este circuitul SiP (System-in-Package) nRF9160 de la Nordic Semiconductor – vedeți figura 2.
Doar senzorii și componentele asociate de condiționare a semnalului sunt necesare pentru a finaliza un proiect. Fișa tehnică a dispozitivului evidențiază parametrii individuali de consum de putere ai microcontrolerului și ai tansmițătorului wireless în diferite moduri de veghe. Tabelul 1 ilustrează consumul tipic de curent al microcontrolerului în diferite stări, cu valori cuprinse între 0,1 µA și 600 µA.
Transceiverul wireless este controlat independent, oferind posibilitatea de a gestiona profilul său de consum. De exemplu, firmware-ul încorporat poate asigura activarea transceiver-ului wireless numai atunci când este necesar. Unele dintre perifericele microcontrolerului pot fi plasate în modul de veghe în timpul acestei operațiuni, reducând astfel profilul general de consum.
Provocări și resurse pentru măsurarea consumului de putere
Estimarea duratei de viață a bateriei unui senzor necesită o analiză atentă a consumului de curent al dispozitivului. Odată ce a fost stabilit un punct de referință pentru consumul mediu, echipa de dezvoltare poate încerca diverse metode pentru a îmbunătăți durata de viață preconizată a bateriei. Tehnicile pot implica:
- Secvențierea atentă a microcontrolerului și a transmițătorului wireless.
- Dezactivarea perifericelor atunci când nu sunt necesare.
- Modificarea ciclului de funcționare a dispozitivului.
- Experimentarea diferitelor moduri de veghe.
- Încetinirea ceasului microcontrolerului atunci când nu se procesează date.
Cu toate acestea, măsurarea precisă a curentului într-o gamă dinamică atât de mare este complexă și depășește domeniul de aplicare al unui multimetru digital (DMM), tipic, de laborator.
În general, curentul este calculat cu ajutorul legii lui Ohm prin măsurarea căderii de tensiune pe un rezistor de șunt. Căderea de tensiune pe rezistorul de șunt (burden voltage) reduce tensiunea furnizată pe sarcină. Pentru măsurători perceptibile și precise ale unor valori mici de curent (de ordinul µA), această cădere de tensiune trebuie să fie suficient de mare pentru ca multimetrul digital (DMM) să o poată măsura, dar să nu reducă alimentarea în așa măsură încât să provoace un comportament neregulat al dispozitivului supus testării (DUT – Device Under Test). Acest lucru este complicat și mai mult de natura dinamică a funcționării DUT, care trece instantaneu de la valori mici, de ordinul µA, la valori mA. Având în vedere că liniile de alimentare ale unui SoC tipic sunt de 1,8V sau 3,3V, schimbarea dinamică a căderii de tensiune pe rezistorul de șunt ar determina reporniri de tip ‘brown-out’*) ale dispozitivului supus testării (DUT) în timpul operării.
Unele DMM-uri de precizie sunt disponibile pentru a răspunde acestei cerințe specifice. Totuși, asemenea dispozitive costisitoare utilizează relee de comutare pentru a schimba valorile rezistorului de șunt în timpul operării, dar timpul implicat, chiar și în cazul switch-urilor ‘solid-state’, duce la o pierdere de detalii și precizie a măsurătorilor.
Pentru a rezolva provocarea legată de măsurarea domeniului dinamic ridicat al curentului, producătorii au dezvoltat instrumente de profilare a puterii pentru a măsura și înregistra cu acuratețe consumul în timp real. Printre exemple se numără Power Profiler Kit 2 (PPK) de la Nordic și Otti Arc de la Qoitech.
Figura 3: Power Profiler 2 de la Nordic Semiconductor (sursă: Nordic Semiconductor)
Power Profiler 2
Capabilitățile de măsurare ale kitului Power Profiler 2 de la Nordic Semiconductor, alimentat prin USB, variază de la 200nA la 1A, cu o rezoluție dependentă de domeniu între 100nA și 1mA. Acesta poate opera în mod sursă, în care furnizează tensiunea DUT, sau în mod ampermetru, în care măsoară pur și simplu curentul. PPK oferă o ieșire configurabilă prin software de la 0,8Vcc la 5V, până la un maxim de 1A.
Figura 4: O captură de ecran a aplicației Power Profiler care efectuează măsurători de curent în timp real (sursă: Nordic)
Capacitatea de măsurare a curentului în timp real este de 100 kS/s, dispozitivul comutând automat între cinci intervale de măsurare a curentului pentru a menține rezoluția optimă.
Aplicația Power Profiler pentru PC de la Nordic se conectează la PPK și asigură interfața pentru configurarea PPK și înregistrarea datelor de măsurare. Figura 4 ilustrează un exemplu de captură de ecran în timp real.
Reducerea rezoluției de eșantionare de la 100 kS/s la 1 S/s extinde perioada maximă de înregistrare de la 7 minute la 500 de zile.
PPK2 dispune, de asemenea, de un set de pini GPIO pentru conectarea la DUT cu scopul de a secvenția funcțiile de control sau la un analizor logic pentru a sincroniza măsurătorile de curent în pas cu codul aplicației DUT.
Qoitech Otti
Qoitech Otti Arc, (vedeți figura 5) este un analizor de putere compact, portabil și versatil, capabil să măsoare opt ordine de mărime, cu o rezoluție de la 50nA în sus, de la zeci de nanoamperi la 5A.
Figura 5: Dispozitivul Qoitech Otti Arc pentru măsurarea cu precizie a curenților de mică intensitate (sursă: Qoitech)
Otti Arc poate fi configurat ca sursă constantă de tensiune sau de curent și ca absorbant de curent (current sink). Ultima variantă oferă o metodă de emulare și profilare a diferitelor baterii și scenarii de aplicații până la un maxim de 2,5 A. Rata de eșantionare a dispozitivului este de 4 kS/s. Acesta poate fi alimentat de la portul USB al computerului gazdă sau de la o sursă de alimentare externă.
Software-ul Otti Arc include toate caracteristicile necesare pentru a configura diversele opțiuni de măsurare a curentului și pentru a înregistra consumul de curent al DUT. Figura 6 ilustrează un exemplu de captură de ecran. Linia de timp permite creșterea granularității citirilor de curent, iar valoarea medie a profilului de curent este afișată în partea de sus a ecranului.
Figura 6: Software-ul Otti Arc (pentru aplicații desktop) este disponibil pentru Ubuntu Linux, Microsoft Windows și Apple macOS (sursă: Qoitech)
Pe panoul frontal sunt disponibili pini GPIO pentru a urmări stările logice și a controla funcționarea DUT în scopul analizei.
Profilarea energetică a proiectului vostru
Pentru a maximiza durata de viață a bateriei, trebuie să înțelegeți pe deplin profilul consumului de putere al dispozitivului vostru. Curentul mediu consumat de acesta ajută la estimarea duratei de viață a bateriei, dar vârfurile influențează puternic media în timpul operării obișnuite. Înainte de a putea începe să optimizați firmware-ul dispozitivului, trebuie să stabiliți un profil al consumului de curent prin cicluri complete de comportament al dispozitivului. Cele două dispozitive evidențiate în acest articol pot măsura cu precizie valori de curent extrem de scăzute, caracterizate de o gamă dinamică ridicată. Ele pot înregistra și trasa datele măsurate în funcție de o perioadă de timp sincronizată cu firmware-ul dispozitivului. Înarmați cu aceste informații detaliate, dezvoltatorul de aplicații embedded și inginerul hardware pot începe să examineze codul pentru a descoperi oportunități de reducere a vârfurilor de curent.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
*) N.red.: Brown Out Reset – O “pană de curent – (brown-out)” a unui microcontroler înseamnă o reducere parțială și temporară a tensiunii de alimentare sub nivelul necesar pentru o operare fiabilă. Multe microcontrolere au un circuit de protecție care detectează momentul în care tensiunea de alimentare scade sub acest nivel și pune dispozitivul într-o stare de resetare pentru a asigura o pornire corectă la revenirea alimentării. Această acțiune se numește “Brown Out Reset” sau BOR. O caracteristică similară se numește Low Voltage Detect (LVD), care este mai complexă și adaugă detectarea mai multor niveluri de tensiune putând provoca o întrerupere înainte de declanșarea unei resetări.