Hogyan növelhető a beágyazott rendszerek akkumulátorainak élettartama
Az akkumulátorok élettartamának növelése soha véget nem érő küzdelemmé vált a beágyazott rendszereket fejlesztő mérnökök számára. A felhasználók egyre több funkciót várnak el, egyre kisebb fizikai méretben, ami arra kényszeríti a fejlesztőket, hogy a legutolsó coulomb töltést is kipréseljék az eszköz akkumulátorából. Vezeték nélküli ipari dolgok internete (Industrial Internet of Things – IIoT) érzékelők ezreiben rendszeresen akkumulátort cserélni drága és nehézkes, miközben sok fogyasztó elvárja a legalább öt éves akkumulátor-élettartamot.
A mérnökök eközben a beágyazott alkalmazások reakciókészségét is figyelembe kell, hogy vegyék. A modern mikrokontrollerek (MCU-k) többféle alvó üzemmóddal is rendelkeznek, azonban jellemzően minél kisebb az energiafogyasztás, annál tovább tart a mikrokontrollernek visszatérni alvó üzemmódból egy felhasználói kérés esetén.
Írásunkban a tipikus akkumulátorüzemű, vezeték nélküli csatlakozású IIoT-érzékelők energiafogyasztási profiljának meghatározása jelentette kihívásokat járjuk körül, és bemutatunk néhány eszközt, amelyek képesek valós időben pontos árammérést végezni.
A beágyazott rendszerek tápellátási lehetőségeinek vizsgálata
Az ipari dolgok internete hatékony működtetéséhez az érzékelőknek és aktuátoroknak gyakran távoli helyszíneken kell elhelyezkedniük, esetenként túlságosan messze a megbízható hálózati tápellátástól. Ezeknek a távoli IIoT-egységeknek akkumulátorokkal történő tápellátása kézenfekvő és egyre gyakoribb mérnöki megközelítés. Ezekben az esetekben a kihívást azonban a szükséges akkumulátor méretének és élettartamának meghatározása jelenti. Az igen elterjedt gombelemek akár tíz évig is képesek lehetnek kiszolgálni egy ultraalacsony fogyasztású eszközt, azonban előbb-utóbb ezek is cserére szorulnak. Sajnálatos módon hiába az elemek alacsony ára, az eszközök százaiban történő cseréjük munka- és utazási költsége ezt a megoldást abszolút gazdaságtalanná teszi.
Az energiabegyűjtő technikák újratölthető akkumulátorokkal vagy olyan alternatív energiatároló eszközökkel párosítva, mint a szuperkondenzátorok, ígéretes és életképes megoldást jelenthetnek a költséges helyi karbantartásokkal szemben. Az energiabegyűjtő energiagazdálkodási IC-k (PMIC-k) számos begyűjtési megoldást (napenergia, piezzo-, hő és rádiófrekvenciás technológiák) támogatva gyorsan megvetették a lábukat a piacon. A begyűjtést végző egységek a hozzájuk tartozó áramkörökkel viszont nem minden esetben jelentenek valós megoldást a telepítésükhöz rendelkezésre álló hely korlátozottsága miatt.
Bármilyen energiaforrást is választanak a mérnökök, kulcsfontosságú az érzékelők energiafogyasztási profiljának pontos ismerete. A részletes ismerete annak, hogy egy szenzor mikor és mennyi áramot fogyaszt, nagyban segíti a mérnököket a szükséges akkumulátorméret és -élettartam megbecslésében. Szintén fontos a beágyazott rendszerek és érzékelők fogyasztásának valós idejű mérése, mivel ezek a rendszerek dinamikus fogyasztásúak, váltakozóan alacsony és magas értékekkel. Az áramigény dinamikus természete szintén támpontot ad a szükséges akkumulátor típusának meghatározásában, mivel bizonyos kémiai felépítésű akkumulátorok gyorsabban regenerálódnak csúcsterhelést követően, mint mások.
Ami még fontosabb, a kiugró áramfogyasztási csúcsokat okozó alkatrészek azonosítása segíthet azok elkerülésében. Az olyan funkcionális egységek, mint például az MCU vagy a vezeték nélkül adó-vevő alacsony fogyasztású üzemmódba váltása, vagy a programok végrehajtási sorrendjének megváltoztatása hozzájárulhat a fogyasztási csúcsok elkerüléséhez és a nyugalmi háttérteljesítmény-profil csökkentéséhez.
A vezeték nélküli IIoT-érzékelők energiafogyasztási profiljának megismerése
Egy vezeték nélküli IIoT-érzékelő áramfogyasztásának digitális multiméterrel történő mérése átlagos fogyasztási adatokkal szolgálhat. Sajnálatos módon az akkumulátor szempontjából ez távolról sem ad elég pontos képet. Még egy trendvonalak ábrázolására képes, kifinomult digitális multiméter sem képes 100 ms-nál jobb felbontást biztosítani, ami meg sem közelíti egy MCU mikromásodperces műveleti idejét.
Az MCU jó kiindulási pontot jelent egy tipikus IIoT-szenzor fogyasztásmérési követelményeinek felméréséhez. Egyes alkalmazások külön MCU-t és vezeték nélküli modult használnak, míg mások integrált vezeték nélküli rendszerlapkákra (SoC) épülnek, amikben a vezeték nélküli adó-vevő és az MCU egy lapkán található. Mindkét megoldás megengedi az egyes funkcionális egységek független vezérlését.
Például a Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth® alacsony energiájú SoC esetében a vezeték nélküli adó-vevő az MCU-tól és az egyéb perifériáktól függetlenül kikapcsolható. Adatátvitel közben a legnagyobb, +6 dBm-es kimeneti teljesítmény használatakor az eszköz 8,2 mA-t vesz fel. Amikor azonban a SoC az EM4 mélyalvó üzemmódba lép, a fogyasztás 0,17 µA alá csökken.
Az akár több tíz mA-től a µA töredékéig terjedő, nagy dinamikatartományú áramfogyasztás több mint 50:1-hez arányt jelent, és mikromásodperceken belül változhat. A csatlakoztatott perifériák (például az érzékelőegységek), a kapcsolódó MCU-interfészek és portok szintén energiát fogyasztanak, amit figyelembe kell venni az eszköz energiafogyasztási profiljának meghatározása során.
Ezek az egyedi követelmények különleges kihívást jelentenek a mérésben a beágyazott rendszereket tervező mérnökök számára. A hagyományos megközelítés (egy alacsony Ohm-értékű söntellenállás sorba kötése az eszköz tápellátásával, majd az azon jelentkező feszültségesés mérése) inkább további kihívásokat teremt életképes megoldás helyett. A söntön keresztül történő feszültségmérés ugyan lehetővé teszi az áramáramlás kiszámítását, ugyanakkor ez a feszültség (teherfeszültség) csökkenti a beágyazott rendszer ellátását. A túl alacsony ellenállásérték használata nehezíti a mikroamper nagyságrendű méréseket.
Pontos, nagy dinamikájú, valós idejű árammérés elérése
Az energiafogyasztás programkóddal kombinált mérésének igénye több mint tíz éve egyre növekszik, ahogy a népszerű IDE-kben megjelent az „energia-debugging” funkciók támogatása. Napjainkra az árammérési lehetőséget is biztosító JTAG hibakereső szondák könnyen hozzáférhetők, és számos IDE támogatja ezek használatát. Bár ezek elegendő felbontást és értékes betekintés kínálnak, sajnos nem alkalmasak a beágyazott platformok jellemzően nagy dinamikatartományának kezelésére.
Az elmúlt években megjelentek a piacon a kifejezetten akkumulátorüzemű beágyazott rendszerekhez tervezett teljesítménymérő eszközök, mint például a Qoitech Otii Arc Pro.
A Qoitech Otii Arc Pro egy sokoldalú teljesítményprofilozó, digitális multiméter, tápegység, forrásmérő egység és egyenáramú energiaelemző eszköz. A hordozható és kompakt berendezés mellé 12 havi előfizetés is jár az eszközök energiafogyasztásának mérésére, elemzésére és rögzítésére szolgáló Otii Pro programra. Az Otii Arc Pro akár 5 A-ig terjedő, 0,5 VDC és 5 VDC közötti tartományú feszültséget képes biztosítani a beágyazott rendszerek számára, akár USB-csatlakozón, akár külső falicsatlakozó adapteren keresztül. A külső tápegység képes az USB 2 A-es határértéke feletti áram szállítására is. Nem jelent terhelő feszültséget a terhelés mellé, lehetővé téve a pontos mérést anélkül, hogy tartani kellene a platform alacsony feszültség miatti újraindulásától. Az árammérés 5 nA-en belüli felbontású, és elérheti a 4 ksps sebességű mintavételezést.
Az Otii Arc Pro ezenfelül rendelkezik egy UART-interfésszel, GPIO ki- és bemenetekkel és feszültségérzékelő csatlakozókkal is. Az UART-interfész könnyebbé teszi a tesztelt eszköz (Device under test – DUT) hibakeresési üzeneteinek szinkronizálását és valós idejű megjelenítését az Otii Pro szoftver idővonalán az árammérésekkel együtt (1. ábra). Ez a funkció jelentős segítséget nyújt a beágyazott rendszerek fejlesztői számára a hibakeresési folyamat során, mivel törésponti és megfigyelésipont-szintű elemzést tesz lehetővé a feszültségméréssel egy lépésben.
1. ábra Az Otii Pro szoftver valós idejű szinkronizációt tesz lehetővé a tesztelt eszközből érkező UART hibakeresési üzenetek és az árammérés között (Forrás: Qoitech)
Az opcionális Otii Battery Toolbox program az Otii Arc Pro belső, programozható áramelnyelőjét használja az akkumulátorok kisütésére azok profiljának rögzítése mellett. A 2. ábrán látható az akkumulátor kisütési profiljának beállítása, ahol magas és alacsony kisütési idő és terhelő paraméterek is beállíthatók. Az eltárolt akkumulátorprofilok segítségével a vizsgált eszközök számára olyan valósághű tápellátás biztosítható, mintha valóban az akkumulátorról lennének táplálva.
2. ábra Az Otii Battery Toolbox profilparaméterei (Forrás: Qoitech)
A Qoitech Otii Ace Pro (3. ábra) a nagyobb tápfeszültséget vagy gyorsabb árammintavételi sebességet igénylő rendszerek számára akár 25 VDC kimeneti feszültséget is képes biztosítani 1 mV-os lépésekben, azonos dinamikatartományú, 0,4 nA és 5 A közötti, 0,4 nA felbontású áramméréssel. A mintavételezési tartomány maximum 50 ksps-ig állítható.
3. ábra A Qoitech Otii Ace Pro maximum 25 VDC kimeneti feszültséget és maximálisan 50 ksps-ig terjedő, programozható mintavételezési sebességet biztosít (Forrás: Qoitech)
A beágyazott rendszerek energiafogyasztási profiljának gyors optimalizálása
A Qoitech Otii Ace Pro és Otii Arc Pro teljesítményprofilozó egységek segítségével a beágyazott rendszerek fejlesztői gyorsan képesek a beágyazott rendszerek energiafogyasztásáról pontos, valós idejű képet kapni. Az így nyert adatok birtokában optimalizálhatják a rendszerek energiagazdálkodását, ezáltal meghosszabbítva az akkumulátorok élettartamát. A folyamatok valós idejű nyomon követésével és a hibakeresési üzeneteket a futtatott kóddal szinkronizálva a fejlesztők úgy alakíthatják a feladatokat, hogy azok energiatakarékosabban kerüljenek végrehajtásra. Például az érzékelő adatainak olvasása közben aktív vezeték nélküli adó-vevő jelentette teljesítménycsúcsok elkerülésével csökkenthetők a hirtelen csúcsáramok, ami segít az akkumulátor élettartamának növelésében.
Az Otii Pro program által kínált méréselemzés és betekintés lehetővé teszi az MCU, az érzékelő és a vezeték nélküli adó-vevő különféle alvó üzemmód-kombinációinak kikísérletezését is.
A kompakt kialakítású, hordozható és pontos Otii energiaelemző és -optimalizáló eszközcsalád minden bizonnyal hamar nélkülözhetetlen elemmé válik a beágyazott rendszerek fejlesztőinek munkapadján.
Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics
Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket az X-en:
https://twitter.com/MouserElecEU
