W poprzednich częściach artykułu dowiedzieliśmy się w jaki sposób przeprowadzać pomiary zużycia baterii za pomocą sondy RT-ZVC02/04(A) firmy Rohde & Schwarz. W tej, ostatniej już części znalazła się kolejna prezentacja praktycznego przykładu analizy zużycia baterii w urządzeniu IoT.

Pomiary czasu życia baterii przy pomocy RT-ZVCA i CMWRun

Przygotowanie badanego układu

W tej części artykułu zbadane zostanie urządzenie NB-IoT (Narrowband IoT). Ponieważ jedną z najważniejszych cech tego typu urządzeń jest oszczędne gospodarowanie zasobami energii, tryby niskiego poboru mocy mają w nich duże znaczenie. Jeśli potrzebne są godne zaufania prognozy czasu życia urządzeń, nie wystarczy tylko sprawdzić ile pobierają prądu w trybie niskiego poboru mocy. Przedstawiony za chwilę układ testowy pozwala dokładnie zmierzyć wiele pełnych cykli pracy w trybie obniżonego poboru mocy podczas długotrwałej sesji testowej. Sporym wyzwaniem przy tej konfiguracji jest uzyskanie wysokiego zakresu dynamicznego sondy, gdyż prądy w trybie uśpienia mogą wynosić kilka mikroamperów, podczas gdy w trybie aktywnym pobór prądu może sięgnąć kilkuset miliamperów. Sonda mocy RT-ZVC w wariancie umożliwiającym automatyczne przełączanie zakresu pomiarowego (ZVC02A/04A) jest idealnie przystosowana do tego zadania, ponieważ może obsłużyć cały niezbędny zakres wartości zachowując dokładne odczyty.

Badane urządzenie NB-IoT zasilane jest baterią litowo-jonową o napięciu znamionowym 3,8 V. Zostało ono tak zmodyfikowane, żeby punkty pomiaru napięcia i prądu znajdowały się możliwie blisko układu scalonego, co pozwoli na uzyskanie bardziej sensownych obserwacji. Do pomiaru napięcia i prądu na wyprowadzeniach płytki drukowanej zostaną użyte dołączone w zestawie z oscyloskopem kable. Zasilanie urządzenia zostaje zatem przerwane i jest ono podłączone do kanałów I₁ i V₁ sondy ZVC02/04A. Wspólny potencjał odniesienia (GND) poprowadzono czarnym kablem.

Układ badany komunikuje się z urządzeniem do testowania komunikacji radiowej R&S CMW290, które pełni rolę stacji bazowej i wprowadza urządzenie w tryb niskiego poboru mocy po określonym czasie bezczynności.

Urządzenie RT-ZVC w wariancie umożliwiającym automatyczne przełączanie zakresu pomiarowego pracuje pod kontrolą oprogramowania automatyzującego CMWRun, które zostanie opisane w dalszej części artykułu.

Rysunek 21. Konfiguracja do pomiarów urządzenia NB-IoT. ZVC w wariancie A mierzy całkowity prąd i napięcie układu badanego (łącznie z GND) w czasie wielu pełnych cykli pracy w trybie obniżonego poboru mocy

Ustawienia programowe

Niniejszy rozdział pokazuje jak stworzyć i skonfigurować plan testu czasu życia baterii urządzenia NB-IoT w programie CMWRun.

Struktura planu testów

Rysunek 22 przedstawia typowy plan testów czasu życia baterii. Krok 1 resetuje urządzenie do testowania komunikacji radiowej, aby otrzymane wyniki były powtarzalne. Po tym jak w kroku 2 ustanowione zostaje połączenie badanego układu z urządzeniem testującym, w kroku 3 uruchomiony zostaje pomiar mocy, równolegle z planem testów. Uruchomienie logowania zdarzeń w kroku 3 gwarantuje, że najważniejsze z nich będą zapamiętywane w czasie przeprowadzania pomiarów.

Rysunek 22. Plan testów CMWRun do badania czasu życia baterii urządzenia NB-IoT

Wszystkie zdarzenia, które można zalogować w raporcie z pomiarów pokazano na rysunku 23. Czas trwania pomiaru poboru mocy również jest konfigurowany w tym oknie, PowerConsumptionMonitor3 zostaje zatrzymany w kroku 5 planu testowego, po tym jak log zdarzeń zostanie zamknięty. Aby uzyskać dokładniejsze odczyty zaznaczono opcję RS TimeSynchronizer, która wykorzystuje w tym celu małą aplikację w urządzeniu do testowania komunikacji radiowej.

Rysunek 23. Konfiguracja logowania zdarzeń w oprogramowaniu CMWRun

Konfiguracja planu testów

W kwestii samego pomiaru, CMWRun w połączeniu z RT-ZVC02/04A oferuje dwie różne opcje, które różnią się procedurą działania i raportowaniem. Zależą one od kroków testowych uruchamianych w kroku 3, na rysunku 22.

Pierwszą opcją jest uruchomienie pomiaru za pomocą kroku „PowerMeasurement3”. Taki test oferuje różne opcje wyzwalania pomiaru, między innymi na podstawie prądu i różnorodnych markerów. Rysunek 24 przedstawia ustawienia wyzwalania dla tego kroku, które dodatkowo dają możliwość zaprogramowania limitów przydatnych przy późniejszej interpretacji wyników.

Drugą możliwością jest wybór „PowerConsumptionMonitor3”, który umożliwia uzyskanie szczegółowych wykresów wszystkich mierzonych wielkości, łącznie ze wszystkimi markerami skonfigurowanymi jak na rysunku 23.

Rysunek 24. Ustawienia wyzwalania PowerMeasurement3

Wyniki pomiarów dla obu ustawień przedstawiono w późniejszych podrozdziałach.

Rysunek 25 przedstawia ekran konfiguracyjny pomiaru prądu przy użyciu czterokanałowej sondy RT-ZVC04A z automatycznym przełączaniem zakresów pomiarowych. Okno to wygląda identycznie dla obu opcji omówionych we wcześniejszej części artykułu.

Elementy w polu (1) pozwalają na wybór częstotliwości próbkowania. Kiedy jako funkcja pomiarowa włączone jest uśrednianie, natywna częstotliwość sondy 5 MS/s zostaje uśredniona w taki sposób, że logowane są dane z częstotliwością od 10 S/s do 50 kS/s. Ponieważ test może trwać bardzo długo, istotna jest informacja o spodziewanej ilości danych, którą określa ilość danych na minutę.

Ustawienia wyświetlania oznaczone przez (2) konfigurują osie wykresu.

Poprzez ustawienia w polu (3) możliwe jest skonfigurowanie różnych pomiarów elektrycznych, które są pochodnymi pomiarów prądu i napięcia. Na przykład pomiar czasu życia baterii jest całką zmierzonego poboru prądu po całkowitym czasie testu i pozwala na oszacowanie czasu życia baterii, jeśli znana jest jej aktualna pojemność.

Liczba kanałów używanych do pomiarów jest definiowana w polu (4). Ustawienie to mocno wpływa na oczekiwaną ilość danych z pola (1).

Przycisk (5) uaktywnia ustawienia boczników i automatycznego przełączania zakresów. Okno konfiguracji pokazuje zakresy pomiarowe wspierane przez każdy bocznik. Na przykład dla bocznika o wartości 1 Ω dostępne są konfiguracje umożliwiające zakresy od 2,25 mA, aż do 900 mA. Sonda RT-ZVC02/04A cyfrowo przełącza się między zakresami pomiarowymi przez stosowanie różnych stopni wzmocnienia, które zapobiegają konieczności przełączania boczników.

Wcześniejsze części artykułu pokazywały jak ważne jest uwzględnianie pewnych trudnych do uniknięcia stałych offsetów przy pomiarach bardzo małych prądów. Element (6) pozwala na zdefiniowanie stałego offsetu w celu kompensacji tych efektów. Takie podejście do ustawiania offsetu, jak to opisane wcześniej, sprawdza się również kiedy CMWRun używany jest w połączeniu z RT-ZVC02/04A. Jedyna różnica jest taka, że wartość offsetu w kroku 2 jest mierzona przy pomocy CMWRun.

Są dwa sposoby pomiaru offsetu początkowego w tej konfiguracji. Funkcja „Auto Zero Offset” prosi użytkownika o przejście kroków 1. i 2., z rozdziału „Błędy stałe wynikające z konfiguracji układu pomiarowego” i automatycznie stosuje zmierzony offset. Ta wartość jest również uwzględniana w raporcie z pomiaru, aby można go było wykorzystać w kolejnych uruchomieniach testu.

Alternatywnie, można tę procedurę przeprowadzić ręcznie, uruchamiając pomiar prądu w CMWRun, po modyfikacji konfiguracji zgodnie z krokami 1. i 2., z rozdziału „Błędy stałe wynikające z konfiguracji układu pomiarowego”, a następnie zanotować zmierzoną wartość offsetu. W tym przypadku wynik (dla przykładu przedstawionego na rysunku 24 offset wynosi -18 μA) należy ręcznie ustawić jako offset zera w graficznym interfejsie użytkownika.

Rysunek 25. Konfiguracja pomiaru w CMWRun

Pomiary

Układ pomiarowy składający się z RT-ZVC02/04A i CMWRun ma na celu pomiar poboru prądu urządzenia NB-IoT w czasie wielu cykli pracy w trybie obniżonego poboru mocy, w celu oszacowania czasu życia baterii badanego układu. Taka praca cykliczna pozwala na minimalizację całkowitego zużycia mocy. Każdy cykl zaczyna się krótkim okresem aktywności, na początku którego nawiązywane jest połączenie RRC (Radio Resource Control). Po nim następuje faza DRX (discontinuous reception), w której urządzenie wciąż można odpytywać, ale połączenie RRC jest już zerwane. Wreszcie, układ wchodzi w tryb obniżonego poboru mocy, co oznacza, że układ nadawczo-odbiorczy jest wyłączony. Cały cykl przedstawiono na rysunku 26, gdzie zaznaczono także różnice rzędów wielkości w poborze mocy w poszczególnych fazach.

Rysunek 26. Cykl obniżonego poboru mocy, po fazach trybów RDX i TAU (Tracking Area Update)

Pomiary wyzwalane automatycznie

W poprzedniej części artykułu omówiliśmy możliwość automatycznego wyzwalania pomiarów w CMWRun i ZVC przy pomocy planu testów PowerMeasurement3. Raport z pomiaru zawiera informacje takie jak średni, maksymalny i minimalny pobór prądu, jak również estymaty czasu życia baterii, tak jak to pokazano na rysunku 27. Urządzenie testowane w tym przykładzie wytrzymałoby ok. 114h, przy zasilaniu baterią 2000 mAh. Cykl pracy w trybie niskiego poboru mocy jest w rzeczywistości o wiele dłuższy, aby uzyskać żywotność urządzenia na poziomie około 10 lat, przy zastosowaniu tej samej baterii.

Rysunek 27. Wyciąg z raportu pomiaru czasu życia baterii

Raport z pomiaru zawiera dodatkowo informację o poborze prądu w czasie, tak jak to pokazuje rysunek 28. W tym przypadku, pomiar wyzwoliło wejścia urządzenia w stan obniżonego poboru mocy.

Rysunek 28. Automatycznie wyzwalany pomiar CMWRun

Pomiary zdarzeń szczegółowych

W przypadku gdy potrzebne są precyzyjne informacje o poborze mocy w określonych punktach w czasie, CMWRun pozwala uzyskać szczegółowy raport pomiarowy jeśli wybrany zostanie plan PowerConsumptionMonitor3, jak to opisano we wcześniejszej części artykułu.

Wszystkie zdarzenia, które występują w czasie pomiaru logowane są z określonym znacznikiem czasowym. Pozwala to użytkownikowi na określenie interesującego go zakresu i przeskoczenie wprost do niego. Wyciąg z raportu pomiarowego na rysunku 29 pokazuje proces wybudzania układu z cyklu obniżonego poboru mocy, po którym następuje faza aktywności i cykle DRX. Ponieważ pomiar odbywał się już od dłuższego czasu, skorzystano z rozwijanego menu w górnym lewym rogu, aby wybrać zdarzenie „RRC connection established” i wygodnie przejść do interesującego punktu w czasie. Pomiar prądu w trybie obniżonego poboru mocy, za pomocą przesuwanego markera do precyzyjnych odczytów, wyniósł 5,4 μA.

Rysunek 29. Szczegółowe pomiary, łącznie ze znacznikami zdarzeń

Podsumowanie

Konsumenci przywiązują olbrzymią wagę do zużycia baterii urządzeń mobilnych lub, używając bardziej ogólnego określenia, urządzeń IoT. Parametr ten umożliwia łatwe porównywanie produktów, a w przypadku niektórych urządzeń IoT, ich trudne umiejscowienie może całkowicie wykluczać ładowanie, co sprawia, że muszą przez cały okres działania polegać na jednej baterii. Możliwość oszacowania tego parametru jest więc kluczowa przy projektowaniu urządzeń IoT.

Urządzenie ZVC w połączeniu z oscyloskopem stanowi rozwiązanie, które radzi sobie z wysokim zakresem dynamicznym urządzeń IoT i pozwala na szczegółową analizę określonych zdarzeń. Oscyloskop może uchwycić te zdarzenia korzystając z wyzwalania na zdekodowanych komendach przesyłanych interfejsem szeregowym albo z pomiarów transmisji radiowej.

Jako narzędzie opierające się na bocznikach, ZVC posiada możliwość łatwego przełączania się między trzema ich wartościami, ale pozwala też na skorzystanie z bocznika zewnętrznego, który można wybrać dowolnie, celem najlepszego dopasowania do rozważanego przypadku. Pomiary z użyciem boczników mają te wadę, że powodują niechciany spadek napięcia na boczniku, który trzeba uwzględnić decydując jak umieścić rezystor względem badanego układu. Niezależnie od tego czy będzie on po stronie zasilania czy układu, należy pamiętać o rezystancji baterii, aby zapewnić badanemu urządzeniu wystarczający poziom napięcia.

Interpretacja wyników pomiarów urządzeń IoT nie zawsze jest trywialna i dobrym podejściem jest odizolowanie komponentów albo użycie komponentów mniej skomplikowanych. Przykładowo, na początek dobrze jest korzystać z zasilania bateryjnego, ze względu na niskie szumy. Kolejnym krokiem może być zasilacz. Jak pokazano jednak we wcześniejszych częściach artykułu, należy pamiętać, że zasilacze mogą powodować niechciane efekty, takie jak oscylacje czy skoki w danych pomiarowych.

Każde urządzenie i komponent dodaje kolejny poziom trudności, ale funkcje analityczne oscyloskopu, takie jak różnorodne tryby pomiaru i jego wyzwalania, obliczenia matematyczne czy transformaty Fouriera, stanowią świetne narzędzie, pozwalające przyjrzeć się szczegółom tych efektów.