在设计电池供电的物联网(IoT)设备时,主要目标是延长再充电之间的时间,或者在标准电池的情况下延长电池的使用寿命。有许多传统的方法,但缺乏完全优化设计所需的系统级视角。

 

为了最大限度地利用可用电池电量,物联网设备需要作为整个系统进行优化,而不是作为不相关组件的集合。本文将探讨可用于优化物联网设计能耗的最新技术和技术,以及如何最好地应用它们。


传统的能量测量方法

一般的嵌入式系统开发人员对优化系统的电池寿命并不陌生。在过去的美好时光中,开发人员通常会使用万用表(例如 B&K Precision BK2706)来测量嵌入式系统的电流消耗。这些都是很好的万用表,当然可以用来测量平均电流,但不会给开发人员提供他们需要的分辨率,以查看快速峰值,或者在没有相当大的努力的情况下测量微安范围内的电流消耗。为了看到这些快速转换,开发人员需要快速的事情,他们可以很容易地触发。

 

一个示波器,加上一个大小适合电流范围的分流电阻,可以用来查看这些快速电流转换。开发人员可能会使用 B&K Precision 公司的 BK2190。这是一款极好的低成本 100 MHz 示波器。开发人员当然可以触发示波器查看尖峰和转换,但在这个特定应用中使用示波器仍然存在一些挑战。

 

首先,大多数低成本示波器不允许开发人员轻松访问跟踪。其次,轨迹在其记录长度上受到限制。第三,示波器数据不能与嵌入式系统上发生的事件同步。考虑到所有这三个问题,开发人员可能会在项目时间表内尽力优化他们的物联网设备。因此,有效优化物联网设备的能源消耗需要一种新的更现代的方法。

 

使用智能电源优化能耗

物联网设备可以被优化的一种新的更现代化的方式是使用智能电源,该智能电源不仅向设备提供能量,而且还能够测量提供给该设备的电压和电流。智能电源可以看作是电源和数据采集系统的混合体。

 

Qoitech AB 的 OTIi Arc 就是其中一种电源。这是一款便携式电源,可用作电流和电压测量单元。它用于为能源配置需要优化的物联网设备供电。它通过 USB 将收集的数据传输到 PC。OTIi Arc 也可以通过 USB 供电。

 

 

图 1:Qoitech AB 公司的 OTIi Arc 是一款便携式电源,可用作电流和电压测量单元。(图片来源:Qoitech AB)

 

OTIi Arc 可通过其 otii 软件包进行配置,提供 0.5 至 5.0 伏的电压。使用 USB 端口为 Otii Arc 供时,最大输出功率可达 250 毫安(mA)。对于大多数物联网设备来说,这将是绰绰有余的,但对于开发功耗更大的系统的开发人员,可以使用外部 7.5 伏特到 9.0 伏特的电源来实现高达 2.5 安培(A)的电流,并且具有最大峰值电流为 5.0 A.Otii Arc 还可以以低至 1 微安(μA)的电流分辨率以高达 4 Ksamples / s 的速率进行采样,这对大多数物联网设备来说已经足够了。

 

使用 Otii Arc

待测物联网设备(DUT)可以通过多种方式连接到 Otii Arc。在第一种方法中,就像大多数电源一样,有两个香蕉插头用于为设备供电。这使得开发人员可以使用来自 Pomona Electronics 的 12“红色香蕉电缆,用红色 Pomona 夹具提供电压轨。使用 12“黑色波莫纳香蕉电缆和黑色波莫纳气爪来供应地面导轨。这是任何嵌入式系统工程师的工作台的标准设置。

 

第二种方法使用 Otii Arc 的 14 引脚扩展接头,引脚间距为 0.100“。该扩展端口具有有用的连接,如用于测量电流的第二个模数转换器(ADC)通道,GPIO 引脚以及串行发送和接收引脚信号。

 

 

图 2:使用几乎每个电源上的标准香蕉插孔连接到 Otii Arc。开发人员可以使用 12“红色 Pomona Electronics 香蕉电缆和红色 Pomona 夹具将正电压轨连接到被测物联网设备。(图片来源:Pomona Electronics)

 

Qoitech Otii Arc 配备了 otii 软件的标准许可证,该软件是一个可视化工具,与 Otii Arc 进行连接,以执行电流和电压测量并控制电源的行为。可视化用于分析能耗并确定系统的优化位置和方式。

 

otii 软件通过 USB 连接电源,可用于启用和禁用电源电压或记录跟踪。跟踪时,开发人员可以看到提供易于导航的带状图类型视图的实时跟踪。开发人员可以在其踪迹中突出显示区域,并提供重要信息,如最小值,最大值和平均电流(图 3)。

 

 

图 3:使用 Otii Arc 的 otii 软件进行跟踪时,开发人员可以查看实时跟踪,该跟踪以条形图视图显示,很容易导航。(图片来源:Digi-Key Electronics)

正如前面所讨论的,开发人员能够了解跟踪中各个点的系统状态,这样他们就可以获得他们可以分析的单一,连贯的信息源,这通常是至关重要的。智能电源也能够接收来自嵌入式系统的日志输入,这些输入可用于同步状态,这一点很重要。

 

Qoitech Otii Arc 的有趣之处在于,扩展连接器能够以可配置的波特率读取串行 UART,并在轨迹中记录日志信息。建立一个传输执行日志的系统需要从嵌入式目标接收一个通过 UART 的字符串日志。为此,将 IoT 设备上的 UART Tx 引脚连接到 Otii Arc 上的 Rx 引脚(图 4)。将数字地连接到物联网设备以确保信号共享相同的地参考是一个很好的做法。

 

 

图 4:要从嵌入式目标接收通过 UART 的字符串日志,请将 IoT 设备上的 UART Tx 引脚连接到 Otii Arc 上的 Rx 引脚。(图片来源:Qoitech AB)

 

为了演示如何在 otii 软件中记录数据,将显示一个 LED 切换并通过 UART 提供日志状态以帮助开发人员(图 5)。

 

 

图 5:Otii Arc 可以设置为接收 UART 日志消息,以帮助开发人员了解嵌入式系统所处的状态。在本例中,LED 通过 UART 进行切换并提供日志状态以帮助开发人员。(图片来源:Qoitech AB)

 

优化子系统能源使用

有几种方法可以使用智能电源来优化设备的能耗,但它们确实需要一些预先考虑。例如,开发商应在其印刷电路板上包含多个分流电阻,以便它们可以连接并探测不同电路的能耗。如果不这样做,只会为开发人员提供整个系统的当前状态,这可以使得优化成为猜测游戏而不是工程活动。

 

开发人员可以使用扩展 ADC 来监视外部分流电阻。这个电阻器可以监测 Wi-Fi 模块,存储器芯片或微控制器本身。此功能允许开发人员在监控整个系统能耗受到影响的同时调整单个电路。开发人员需要做的就是在 otii 软件的项目设置中设置分流电阻值,并将正确的电流记录在轨迹中(图 6)。

 

 

图 6:Otii Arc 可以设置为记录系统电压和电流,以及子系统的第二个电流分流器。这允许开发人员调整特定电路,同时监视整个系统能耗如何受到影响。(图片来源:Qoitech AB)

 

毫无疑问,许多电池供电的物联网系统中最大的能源消费者之一就是微控制器。智能电源可用于监控微控制器,但在很多情况下,开发人员希望能够将其当前测量值与微控制器中的程序计数器同步。这可以使电流消耗与正在执行的代码行同步。

 

为此,开发人员可以将智能电源与先进的调试器(如 Arm's Keil ULINKplus)配合使用,该调试器可以测量微控制器电流并将该测量值与程序计数器同步。然后,当开发人员将所有这些测量结果一起使用时,他们将能够精确调整其能耗并最大限度地延长其物联网设计的电池寿命。

 

 

图 7:Arm Keil ULINKplus 可以设置为记录微控制器的当前使用情况,并将该测量结果与微控制器上执行的代码行同步。这有助于全面了解物联网设备的能源使用情况。(图片来源:Digi-Key Electronics)

 

优化物联网系统能耗的技巧和诀窍

开发人员可以遵循几个技巧和窍门,以便轻松优化嵌入式系统的能耗。这些包括:

对于设计中的每个主要硬件模块,添加一个可用于在开发和测试期间监控电路能耗的分流电阻。
阅读“ 为物联网选择并应用合适的低功耗微控制器 ”,了解如何测量和优化微控制器能耗的提示。


尽可能多地将主要系统组件置于睡眠模式或低功耗状态。

 

在整个开发周期内测量能耗,而不是接近尾声。

 

使用能够覆盖应用动态范围的能量分析器。

 

尽可能多地自动化测量过程。

 

在硬件中,寻找 LDO 等效率低下且泄漏的组件,并将其替换为更高效的组件。


结论

优化任何物联网设备的能耗并不是一件容易的事,对电池供电的设备尤其重要。如图所示,有几种传统的能耗测量方法。使用适当的工具进行适当的测量可以更容易地识别能源消耗并设计物联网解决方案,从而充分利用可用的电池电量。