בחינת צריכת החשמל של מערכת משובצת מחשב

ניתן כיום דגש הולך וגובר על הבנת פרופיל צריכת החשמל של מערכת משובצת מחשב. לדוגמה, חיישני IoT/IIoT עשויים להצריך פעולה באמצעות סוללות לאורך שנים, כך שחשוב לדעת כמה זמן התקן מסוגל להימצא במצב שינה ועם זאת עדיין להיות מסוגל להגיב במהירות להפרעה.

מאמר זה בוחן את דרישות צריכת החשמל של התקן אלחוטי מחובר אופייני ואת האתגרים שעומדים בפני מהנדסים בעת מדידה של צריכת החשמל וחיזוי מדויק של חיי הסוללה.

כמה חשמל המערכת המשובצת שלי צורכת?

עם הגידול בהיקף השימוש ב-IoT/IIoT, הן מבחינת מגוון היישומים והן מבחינת הפריסה במקומות מרוחקים, השימוש בסוללות להפעלת התקני קצה הפך לשיטת העבודה המקובלת. מנקודת מבט הנדסית, שימוש בסוללה הוא דרך נוחה להפעלת מערכת. עם זאת, האתגר טמון בחישוב קיבולת הסוללה הנדרשת לצורך הפעלת התקן למשך זמן נתון. תאי כפתור בודדים מספקים אנרגיה מספיקה לצורך הפעלת חיישן בעל הספק נמוך במיוחד למשך שנים רבות; עם זאת, גם הם יצריכו החלפה בסופו של דבר. עלויות העבודה והנסיעה אינן פרופורציונליות לעלות הסוללה וניהול מאות התקנים הופך ללא כלכלי בעליל. שימוש בסוללה נטענת ובטכניקות לקצירת אנרגיה, כגון לוח פוטו-וולטאי סולארי, מסייע במידה ניכרת אך משפיע על הגודל הפיזי של ההתקן.

הבנת פרופיל צריכת החשמל של ההתקן הופכת למדד הקריטי לחיזוי הדרישות של חיי הסוללה והקיבולת. הפרופיל הוא מדד דינאמי, עם הספקי שיא ושפל, ולא רק מדידה מזדמנת בשטח. הכימיה של סוללות מסוימות מגבילה את יכולת ההתאוששות המהירה שלהן מהדרישות של הספק שיא לעומת סוללות אחרות, כך שחשוב לגלות את הגורם לשיאים הללו.

לאחר זיהוי הגורם לשיאי ההספק ולזרם הרוגע ברקע, השלבים להפחתתם כוללים טכניקות מבוססות תוכנה כגון העברת המיקרו-בקר למצב שינה ושינוי התזמון של משימות.

מדידת צריכת החשמל של מערכת משובצת מחשב

הניסיון למדידת חיישן IIoT אלחוטי מחובר במהלך פעולתו באמצעות מולטימטר דיגיטלי מצביע על צריכת זרם ממוצעת אך אינו מספק תמונה מדויקת. עיון בגיליון הנתונים של מיקרו-בקר אלחוטי אופייני בהספק נמוך שעשוי להיות משובץ בהתקן IoT עשוי לאפשר לך לקבל תובנות לגבי טווחי הזרם המעורבים. המיקרו-בקר (MCU) והמקלט-משדר (מקמ”ש) האלחוטי, הכוללים שתי פונקציות עיקריות, שאותם מספקים רוב הספקים, מאפשרים להפסיק את פונקציות התקשורת האלחוטית בנפרד מה-MCU. נבחן לדוגמה את ה-EFR32BG22 Series 2 Bluetooth Wireless SoC של Silicon Labs. צריכת הזרם הגבוהה ביותר היא ‎8.2 mA והיא מתרחשת כאשר המשדר מספק פלט של 6dBm. כאשר ה-SoC נמצא במצב שינה עמוקה EM4, הצריכה יורדת ל-‎0.17 µA בלבד. עם טווח צריכת זרם דינאמי ורחב כל-כך של כ-50:1 שעשוי להתרחש תוך מיקרו-שניות מציין את היקף האתגר. ממשקים היקפיים ו-GPIO יצרכו חשמל גם במהלך השימוש, יחד עם הפונקציות הנלוות של התקן ה-IoT, כך שנדרשת נקודת מבט הוליסטית.

מדידת הזרם הנצרך על-ידי כל התקן כרוכה בדרך כלל בחיבור נגד מצד (Shunt) בעל ערך התנגדות נמוכה ועמידות גבוהה, בדרך כלל 1%, לאפיק אספקת החשמל של המערכת המשובצת. מדידת המתח בנגד המצד מאפשרת לחשב את הזרם הזורם דרכו. נדרש ערך אופטימלי על מנת להבטיח את יעילות הנגד: ערך גבוה מדי יגדיל את צריכת החשמל ויקטין את אספקת החשמל למיקרו-בקר ואילו ערך נמוך מדי יקשה על מדידת זרמים נמוכים מאוד.

השימוש ברעיון של ניפוי באגים בצריכת החשמל במערכות משובצות מחשב בוצע לראשונה כבר לפני יותר מעשור. כיום מוצעים חיישני J-TAG סטנדרטיים לניפוי באגים הכוללים גם תכונה של מדידת זרם. שרשראות כלים ומעגלי IDE משובצים פופולריים רבים תומכים בהם, אך הם בדרך כלל אינם מציעים את הטווח הדינאמי או את רמת הדיוק הנדרשים לצורך מדידה של מערכות משובצות עכשוויות.

Otii Arc של Qoitech הוא מכשיר מדידה שעומד בדרישה למדידה מדויקת בזמן אמת של צריכת החשמל של התקן.

מדידת זרם עם טווח דינאמי רחב של מערכת משובצת מחשב בזמן אמת

Qoitech Otii Arc (ראה איור 1) כולל ספק כוח מתוכנת ואנלייזר ביחידה קומפקטית וניידת אחת. יישום תוכנה מקיף משמש כממשק המשתמש של Otii Arc והוא זמין עבור כל מערכות ההפעלה הפופולריות. Otii Arc מסוגל להציג ולרשום זרם בזמן אמת ברמת דיוק של ננו-אמפר והוא מתאפיין בקצב דגימה מרבי של ‎4 ks לשנייה. יכולת מדידת הזרם שלו, עם טווח דינאמי רחב של עשרות ננו-אמפר עד 5 אמפר, הופכת אותו למוביל מסוגו ולמתאים במיוחד לשימוש בכל מערכת משובצת מחשב.

איור 1 :Arc Otii Qoitech הקומפקטי והנייד (מקור: Qoitech)

ניתן לספק חשמל ל-Otii Arc באמצעות יציאת USB או מתאם מתח DC חיצוני. מתח המוצא להתקן הנבדק (DUT) ניתן לתכנות מ-0.5 עד ‎5 VDC במרווחים של ‎1 mV. ה-Otii מציע זרם מוצא רציף של ‎2.5 A עד לשיא של ‎5 A. נדרש ספק כוח חיצוני כדי לספק זרמים גבוהים מאלה הזמינים מיציאת USB.

ה-Otii Arc כולל ממשק UART, שתי כניסות GPIO, שתי יציאות GPIO ושני פינים למדידת מתח. ממשק ה-UART מאפשר הצגה של הודעות ניפוי באגים מה-DUT לצד מדידות הזרם בזמן אמת. תכונת זו של ממשק ה-UART מאפשרת למפתח המערכות המשובצות להדגיש משימות או נקודות עצירה בקוד שלו כדי לסמן פונקציות ספציפיות של יישום. הודעות UART מאפשרות סנכרון של קוד היישום עם מדידת הזרם בזמן אמת. ראה דוגמה באיור 2.

איור 2 :שימוש בהודעות UART לניפוי באגים לצורך סנכרון עם מדידות הזרם בזמן אמת של Arc Otii (מקור: Qoitech)

התוכנה של Otii Arc מאפשרת רישום ואחסון של מדידות בזמן אמת. תכונה זו שימושית במיוחד לצורך השוואת ההשפעה של שיפורי קוד או שיפורי חומרה במהלך שלבי יצירת האב-טיפוס של פיתוח מערכות משובצות מחשב. פיני ה-GPIO מאפשרים תצוגה בזמן אמת של פיני הסטטוס מה-DUT בצג של מכשיר ה-Otii Arc.

פיני המדידה מאפשרים מדידה של אפיקי אספקת חשמל להתקנים נבדקים אחרים או מאפשרים ניטור של מתח אספקת החשמל הראשי ב-DUT באמצעות ארבעה גידים. ה-Otii Arc כולל גם מאסף זרם מתוכנת כדי לסייע בפריקת הסוללה וברישום הפרופיל שלה. בנוסף, ה-Otii Arc מסוגל לבצע אמולציה של פרופיל הסוללה המאוחסן ביחד עם מתח המוצא הראשי שלה. נדרש רישיון לתוכנת Otii Battery Toolbox האופציונלית לצורך שימוש בתכונות אלה.

באיור 3 מוצג תא כפתור מסוג CR2032 המחובר ל-Otii Arc לצורך יצירת פרופיל של פריקת הסוללה. הגדרות הפרופיל לבדיקת הסוללה מופיעות באיור 4. לתשומת ליבך: ניתן להגדיר את זרם העומס ואת משך הזמן בהגדרות של זרם גבוה ונמוך. ניתן גם להגדיר איטראציות להפעלה מחזורית.

איור 3 :סוללה מסוג CR2032 המחוברת ל-Arc Otii לצורך יצירת פרופיל של תא הכפתור. (מקור: Qoitec)

איור 4 :הגדרות פרופיל הסוללה עבור סוללת תא הכפתור מסוג CR2032 (מקור: Qoitech)

הגדרת הזרם הגבוה, המוצגת באיור 4, היא ‎40 mA, והערך הנמוך הוא ‎100 µA. פרק הזמן בכל אזור זרם וזמן מחזור מייצג תקופת פריקה של 30 ימים.

מפתח מערכות משובצות מחשב יכול להשתמש ב-Otii Arc כדי לגלות במהירות כיצד אב-הטיפוס שלו צורך חשמל ומתי. בנוסף לקבלת תובנות לגבי השליטה במצבי השינה של המיקרו-בקר וכיבוי פונקציות היקפיות, יכולת זו מאפשרת בחינה של רעיונות אחרים לחיסכון בצריכת החשמל. דוגמה לכך היא בחירת פרוטוקול התקשורת האלחוטית שבו ייעשה שימוש. מרבית חיישני ה-IoT האלחוטיים המבוססים על מחשוב קצה מצריכים העברה של כמויות נתונים מזעריות בלבד, כגון מדידה כל 15 דקות של טמפרטורה ולחות. כך הודעה בנפח של 40 בתים בלבד עלולה לגדול במהירות לכמה קילו-בתים עקב שימוש בפרוטוקולים מסוימים לתקשורת אלחוטית, בניתוב רשת ובשיטות מסוימות לאבטחת נתונים.

סקירה טכנית עדכנית של Qoitech מדגישה כיצד הבחירה בפרוטוקול התקשורת האלחוטית משפיעה על צריכת החשמל. תוצאות הסיכום של סדרת בדיקות שבוצעה באמצעות מודול אלחוטי NB-IoT בעזרת פרוטוקולים והגדרות אבטחה שונות מוצגות באיור 5.

איור 5 :השוואה של האופן שבו פרוטוקול תקשורת נתונים משפיע על צריכת החשמל ( מקור: Qoitech)

ניתוח צריכת החשמל של התקן IoT תוך דקות

קביעת אורך חיי הסוללה של מערכת IoT משובצת טומנת בחובה קשיים. ללא מדידה מדויקת של צריכת החשמל, חיי הסוללה החזויים הם אומדן במקרה הטוב. גיליונות הנתונים של מערכות SoC לתקשורת אלחוטית מספקים אינדיקציה טובה אך אינם לוקחים בחשבון את האופי הדינאמי של יצירת קישור אלחוטי ושליחת נתונים, לדוגמה. שיאי צריכת החשמל משפיעים גם על ביצועי הסוללה לטווח ארוך, כך שהיכולת לדמות אופן פעולה סביר הופכת לחיונית.

Qoitech Otii Arc, המאפשר שליטה באספקת החשמל, ניתוח צריכה בזמן אמת וסנכרון קוד ניפוי באגים ביחידה קומפקטית אחת, הזמין כעת ב-Mouser, הופך במהירות לפריט הכרחי בארגז הכלים של מפתחים.