הארכת חיי הסוללה הפכה למטרה הנצחית של מהנדסי מערכות משובצים רבים. המשתמשים מצפים ליישום עשיר בתכונות בטביעת הרגל הפיזית הקטנה ביותר, דבר הגורם לצוות ההנדסה לסחוט את הקולון האחרון מסוללת היחידה. החלפה שוטפת של אלפי סוללות בחיישני אינטרנט של הדברים (‎IIoT‎‏) תעשייתיים המחוברים באופן אלחוטי הנה יקרה ולא מעשית כאשר לקוחות רבים דורשים חיי סוללה של חמש שנים לפחות.

המהנדסים חייבים להתייחס גם למידת התגובתיות של היישום המשובץ. מיקרו-בקרים (‎MCUs‎‏) מודרניים מצוידים היטב במספר מצבי שינה; אולם, ברוב המקרים ככל שצריכת החשמל נמוכה יותר כך לוקח ל-‎MCU‎‏ זמן רב יותר לחזור משינה כדי לטפל בבקשה של משתמש.

מאמר זה מדגיש את האתגרים של קביעת פרופיל צריכת החשמל של חיישן ‎IIoT‎‏ טיפוסי, המופעל על ידי סוללה, מחובר באופן אלחוטי ומצויד בכלים המאפשרים לקבל מדידות זרם מדויקות בזמן אמת.

בחינת אפשרויות אספקת החשמל של מערכת משובצת

פעולה יעילה של ‎IIoT‎‏ מחייבת במקרים רבים הצבה של החיישנים והמפעילים במקומות מרוחקים – לעיתים הרחק ממקורות אמינים של קווי מתח. הפעלת צומתי קצה אלה של ‎IIoT‎‏ באמצעות סוללה הופכת נפוצה יותר ויותר, ונחשבת לגישה הנדסית מעשית. אולם, האתגר הוא הקביעה של גודל הסוללה ומשך פעולתה. סוללת מטבע נפוצה עשויה לספק חשמל עד עשר שנים ליישומים בעלי הספק נמוך במיוחד; אולם, יש להחליף כל סוללה בשלב כלשהו. למרבה הצער, עלויות העבודה והנסיעות הדרושות כדי להחליף סוללה שערכה 1 אירו במאות התקנים מחוברים הופכות גישה זו לבלתי ישימה.

טכניקות קצירת אנרגיה, בשילוב סוללות נטענות או התקן אחסון אנרגיה חלופי כמו קבל-על, מציעות אפשרות אטרקטיבית ומעשית להימנע מביקורים יקרים באתר. מעגלים משולבים לניהול הספק (‎PMICs‎‏) הקוצרים אנרגיה מבססים את עצמם במהירות בשוק, ורבים מהם תומכים בשיטות שונות של קצירה (לדוגמה, סולארית, פייזו, תרמית, ‎RF‎‏). אולם, המקום הזמין להתקני הקצירה ולמעגלים הקשורים עלול להיות מוגבל במקרים רבים.

ללא קשר למקור המתח שהמהנדס יבחר, הבנת פרופיל צריכת החשמל של החיישן היא קריטית. תצוגה מפורטת של המועדים, שבהם משתמש החיישן בחשמל, וצריכת החשמל שלו מסייעת למהנדסים לנבא את קיבולת הסוללה הנדרשת ולחשב את אורך חייה. כמו כן, יש למדוד את הצריכה בזמן אמת כאשר המערכת המשובצת והחיישן(ים) פועלים, כיוון שהצריכה היא דינמית, וכוללת עליות וירידות. האופי הדינמי של דרישות הזרם מסייע גם בבחירת סוג הסוללה, כיוון שהרכבים כימיים מסוימים של סוללות מתאוששים מהר יותר מאחרים מעומסי שיא.

והכי חשוב, זיהוי חלקי המערכת המשובצת שיוצרים שיאי זרם גבוהים מסייע לזהות דרכים להפחית אותם. העברת בלוקים פונקציונאליים (לדוגמה, ‎MCU‎‏ או מקמ”ש אלחוטי) למצב שינה בהספק נמוך, או שינוי רצף המשימות של תוכנית, עשויים לתרום להימנעות משיאי זרם גבוהים ולהפחתה של פרופיל הספק הרגיעה ברקע.

הבנת פרופיל צריכת הזרם של חיישן ‎IIoT‎ ‏ אלחוטי

מדידת צריכת הזרם של חיישן ‎IIoT‎‏ אלחוטי באמצעות רב-מודד דיגיטלי עשויה לספק את צריכת הזרם הממוצעת. למרבה הצער, מדידה זו אינה מייצגת באופן מדויק את התמונה המתקבלת מנקודת המבט של הסוללה. אפילו ‎DMM‎‏ מתוחכם, המסוגל לשרטט קו מגמה, אינו צפוי לספק רזולוציית מדידה העולה על 100 אלפיות השנייה – ערך גבוה מדי לפעולות של MCU הנמדדות במיקרו-שניות.

ה-MCU הוא נקודת מוצא טובה לבחינת דרישות מדידת צריכת החשמל של חיישן ‎IIoT‎‏ טיפוסי. תכנים מסוימים משתמשים במודול ‎MCU‎‏ ובמודול אלחוטי נפרדים, ואחרים משתמשים במערכת אלחוטית על שבב (‎SoC‎‏) המשלבת מקמ”ש אלחוטי ו-‎MCU‎‏ על מבלט אחד. שתי השיטות מאפשרות בדרך כלל בקרה עצמאית של כל בלוק פונקציונאלי.

לדוגמה, ‎Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth^® Low Energy SoC‎‏ מסוגל לכבות את המקמ”ש האלחוטי ללא תלות בליבת ה-‎MCU‎‏ וברכיבים ההיקפיים שלה. במהלך שידור בהספק הגבוה ביותר של ‎+6dBm‎‏, ההתקן צורך ‎8.2mA‎‏. אולם, ערך זה יורד אל מתחת ל-‎0.17µA‎‏ כאשר ה-‎SoC‎‏ נכנס למצב השינה העמוקה ‎EM4‎‏.

הטווח הדינמי הרחב של צריכת הזרם, החל מעשרות מילי-אמפר פוטנציאליים ועד חלקיקים של מיקרו-אמפר, שקול למעל 50:1 ועשוי להתרחש בטווח של מיקרו-שניות. הרכיבים ההיקפיים המחוברים (לדוגמה, רכיב החיישן), וכן הממשקים והיציאות הקשורים של ה-‎MCU‎‏, צורכים גם כן חשמל, ויש להתייחס לכך במהלך קביעת פרופיל צריכת החשמל של ההתקן.

דרישות ספציפיות אלה מציבות אתגר מדידה ייחודי בפני מהנדסי מערכות משובצות. הגישה המסורתית – חיבור בטור של נגד מצד בעל התנגדות נמוכה ואפיצות גבוהה לאספקת החשמל של ההתקן ומדידת ירידת המתח בין קצותיו – עשויה ליצור אתגרים נוספים במקום לספק פתרון מעשי. מדידת מתח המצד מאפשרת לחשב את מעבר הזרם; אולם, מתח זה, המכונה מתח ההעמסה, מפחית את אספקת החשמל למערכת המשובצת. ערך התנגדות נמוך מדי עלול לסבך מדידה של זרמי מיקרו-אמפר.

השגת מדידת זרם מדויקת ודינמית ביותר בזמן אמת

לפני מעל עשר שנים גברה ההתעניינות בשילוב בין מדידות צריכת חשמל לקוד תוכנית, כאשר סביבות ‎IDE‎‏ פופולאריות החלו לתמוך ב’ניפוי באגים של אספקת חשמל’. כיום, ניתן להשיג בקלות בחוני ‎JTAG‎‏ לניפוי באגים המצוידים בהתקן מדידת זרם, והם נתמכים על ידי סביבות ‎IDE‎‏ רבות. פתרונות אלה אמנם מציעים רזולוציה נאותה ותובנות חשובות, אך הם אינם מספקים את הטווחים הדינמיים הרחבים המשויכים בדרך כלל לפלטפורמה משובצת.

בשנים האחרונות, נכנסו לשוק התקני מדידת הספק שתוכננו במיוחד למערכות משובצות המופעלות על ידי סוללה, כגון ‎Qoitech Otii Arc Pro‎‏.

‎Qoitech Otii Arc Pro‎‏ הוא מאפיין הספק רב-תכליתי, רב-מודד דיגיטלי, ספק כוח, יחידת מדידת מקור ומנתח אנרגיית ‎DC‎‏. התקן נייד וקומפקטי זה מגיע עם מנוי חינמי של שנים עשר חודשים לתוכנה ‎Otii Pro‎‏, המאפשרת לבצע מדידה, ניתוח ורישום של פרופיל צריכת החשמל של התקן. ‎Otii Arc Pro‎‏ מסוגל להזין מערכת משובצת בזרם מרבי של ‎5A‎‏ ובמתח של ‎0.5VDC‎‏ עד ‎5VDC‎‏ מיציאת ה-‎USB‎‏, או מספק כוח חיצוני המחובר לשקע חשמל. ספק הכוח החיצוני מאפשר לספק זרם מעל למגבלת ה-‎2A‎‏ של יציאת ה-‎USB‎‏. הוא אינו מוסיף מתח העמסה לעומס, ומאפשר לבצע מדידה מדויקת של זרם ללא חשש מאיפוס של הפלטפורמה הנבדקת עקב תנאי מתח נמוכים. רזולוציית מדידת הזרם היא בטווח של ‎5nA‎‏, וניתן להגיע לקצב דגימה של ‎4ksps‎‏.

‎Otii Arc Pro‎‏ מצויד גם בממשק ‎UART‎‏, בכניסות ויציאות ‎GPIO‎‏ ובפיני חישת מתח. ממשק ה-‎UART‎‏ מאפשר לסנכרן הודעות ניפוי באגים מההתקן הנבדק (‎DUT‎‏), ולהציג אותן בזמן אמת על ציר הזמן של התוכנה ‎Otii Pro‎‏ לצד מדידות הזרם (איור 1). תכונה זו מסייעת מאוד למפתחי מערכות משובצות בתהליך ניפוי הבאגים באספקת החשמל, ומאפשרת לבצע ניתוח ברמה של נקודות עצירה והתרעה לצד מדידות הזרם.

איור 1: התוכנה ‎Otii Pro‎‏ מאפשרת לסנכרן הודעות ‎UART‎‏ של ניפוי באגים מה-‎DUT‎‏ עם מדידות זרם בזמן אמת. (מקור: ‎Qoitech‎‏)

התוכנה האופציונלית ‎Otii Battery Toolbox‎‏ משתמשת במאסף הזרם הפנימי והניתן לתכנות של ה-‎Otii Arc Pro‎‏ כדי לפרוק סוללה תוך כדי תיעוד הפרופיל שלה. איור 2 מתאר את הגדרות פרופיל הפריקה של הסוללה, הכוללות את פרמטרי זמן הפריקה הממושך והקצר והעומס הניתנים להגדרה. פרופיל הסוללה שנשמר יכול להפעיל ‎DUT‎‏ באספקת חשמל ריאליסטית כאילו הופעל על ידי הסוללה.

איור 2: פרמטרי פרופיל ב-‎Otii Battery Toolbox‎‏. (מקור: ‎Qoitech‎‏)

למערכות הדורשות מתח הזנה גבוה יותר, או קצב דגימת זרם מהיר יותר, ‎Qoitech Otii Ace Pro‎‏ (איור 3) תומך במתח מוצא מרבי של ‎25VDC‎‏ במרווחים של ‎1mV‎‏, באותו טווח מדידת זרם דינמי בין ‎nA‎‏ ל-‎5A‎‏ וברזולוציית מדידה של ‎0.4nA‎‏. ניתן להגדיר את קצב הדגימה עד ‎50ksps‎‏.

איור 3: ‎Qoitech Otii Ace Pro‎‏ מספק מתח מוצא מרבי של ‎25VDC‎‏ וקצב דגימה מרבי של ‎50ksps‎‏ הניתן לתכנות. (מקור: ‎Qoitech‎‏)

מיטוב מהיר של פרופיל צריכת החשמל של מערכת משובצת

יחידות קביעת פרופיל ההספק ‎Qoitech Otii Ace Pro‎‏ ו-‎Otii Arc Pro‎‏ מאפשרות למפתחים של מערכות משובצות לקבל במהירות תמונה מדויקת של צריכת החשמל של מערכת משובצת בזמן אמת. מידע זה מאפשר להם למטב את ניהול האנרגיה של המערכת כדי להאריך את חיי הסוללה. הבנה מדויקת של מה שקורה בזמן אמת, וסנכרון הניתוח של ניפוי הבאגים עם הקוד הפעיל, מאפשרים למפתחים להתאים משימות לנצילות הספק גבוהה יותר. לדוגמה, הימנעות משיאי הספק של המקמ”ש האלחוטי הפעיל במהלך קריאת נתוני החיישן תפחית את זרם השיא הרגעי ותסייע להאריך את חיי הסוללה.

ניתוח המדידה והתובנות של התוכנה ‎Otii Pro‎‏ מאפשרים גם לבצע ניסויים בשילובים אחרים של מצבי שינה של ה-‎MCU‎‏, החיישן והמקמ”ש האלחוטי.

סדרת מוצרי ניתוח ומיטוב האנרגיה הקומפקטיים, הניידים והמדויקים ‎Otii‎‏ צפויה לבסס את עצמה במהירה כפריט הכרחי בשולחן העבודה של כל מפתח מערכות משובצות.