От переводчика. Вниманию читателей предлагается обзорная статья в которой автор рассматривает восемь устройств из очень интересной и специфической области — профилирования энергопотребления embedded и IoT устройств.
Для тех, кто занимается разработкой энергоэффективных устройств на микроконтроллерах это будет интересная и полезная информация — в обзоре присутствуют как довольно дорогие девайсы ($800), так и приборы с вполне демократичной ценой $55–$120, которые может позволить себе любой любитель электроники.
❯ Вступление
Потребление энергии встраиваемыми и IoT устройствами снижается с каждым днем. Довольно сложно снизить энергопотребление без измерения постоянного тока и энергии, которое обычно выполняется с помощью профилировщиков потребляемой мощности.
❯ Анализаторы потребления тока/профилировщики мощности
На рынке доступны несколько устройств, которые могут вам помочь проанализировать и оценить, сколько энергии потребляет встроенное устройство на разных этапах работы, а также сколько энергии оно потребляет в течение определенных периодов времени.
Анализ профиля потребления мощности становится ещё более важным, если вы создаете устройство, которое должно питаться от батареи или иметь резервный источник питания.
❯ Традиционный способ
Многие инженеры до сих пор используют традиционный подход измерения тока с помощью последовательно включённого шунтирующего резистора или мультиметра, который не дает точных результатов. Почему? Потому, что во встраиваемых системах текущие потребление энергии меняется с очень высокой скоростью. Трудно корректно измерить этот динамически меняющийся ток.
Если у вас нет высокоточного измерителя постоянного тока с высокой частотой дискретизации, интерфейсом с ПК и специальным программным обеспечением, провести такой анализ будет практически невозможно.
Даже если бы вы могли это сделать, вам потребуется расчет энергии для каждого измерения. В идеале вам нужно измерительное устройство, которое может показывать значения напряжения, тока и расчетной энергии потребления на динамически меняющемся графике. С помощью этого графика будет намного проще понять, как меняется потребление тока встраиваемым устройством в зависимости от режима его работы, а затем, на основе этих данных, можно оптимизировать его энергопотребление.
❯ Новый подход
К счастью, есть компании, которые разрабатывают подобные продукты, чтобы помочь разработчикам встраиваемых устройств. Давайте рассмотрим их более подробно.
❯ 1. Joulescope ($800)
Joulescope измеряет ток в диапазоне от наноампер до ампер, одновременно измеряя напряжение, мощность и потребляемую энергию.
Joulescope подключается к источнику питания последовательно, чтобы выполнять измерения. Он может работать в режиме мультиметра, когда вы можете видеть цифровые показания измерений или в режиме осциллографа, когда вы можете наблюдать графики текущего потребления.
Прибор питается от USB и передает данные на ПК через интерфейс USB 2.0. Программное обеспечение для ПК поставляется вместе с прибором.
Технические спецификации
- Диапазон напряжения: от -1 до 15 В
- Диапазон тока: от -1 до 3 А (импульсы до 10 А)
- Разрешение: 1,5 нА (32-бит)
- Полоса пропускания: 250 кГц (2 миллиона выборок в секунду, 14 бит)
- Переключение между шунтирующими резисторами: 1 мкс
- Вычисление мощности и полной энергии
- Электрическая изоляция от USB
- Работает с: Windows, Mac, Linux
Точность измерения тока
Точность измерения напряжения
❯ 2. Otii Arc ($700)
Otii Arc поистине универсален. Это двухканальный блок с источником постоянного напряжения или постоянного тока и высокоточным многоканальным мультиметром и функцией даталоггера. Настраивается как линейный источник питания постоянного тока или батарея (с помощью программы Otii Battery Toolbox).
Используйте его в качестве анализатора мощности или профилировщика для записи и отображения значений тока, напряжения и/или UART логов в реальном времени. Он обеспечивает измерение тока с разрешением в нА и частотой дискретизации до 4 кГц.
Otii Arc имеет размеры 10,9x14,4x4,4 см и весит 450 грамм. Программное обеспечение для ПК работает на платформах Linux, Mac и Windows.
Вы можете питать его от USB в портативном варианте использования или с помощью внешнего адаптера постоянного тока.
Точность измерения напряжения
Он может измерять напряжение до 5,0 В с точностью ± (0,1% +1,5 мВ) с частотой дискретизации 1 кГц.
Точность измерения тока
Измерение тока от 0 до 2,5 А (в пике до 5,0 А). Точность составляет ±(0,1 % + 50 нА) для значений до ±19 мА, выше этого значения точность составляет ±(0,1 % + 150 мкА).
❯ 3. Nordic Semiconductor Power Profiler Kit 2 ($90)
Power Profiler Kit II (PPK2) является недорогим инструментом разработки, который может как измерять различные параметры, так и обеспечивать питание (от 0.8V до 5 В постоянного тока) на всём диапазоне токов от микроампер до 1 А на различных платах Nordic DK (Development Kit).
Питание PPK2 осуществляется при помощи стандартного USB кабеля напряжением 5 В и током до 500 мА. Если тестируемое устройство требует тока до 1A, необходимо запитывать PPK2 через два USB кабеля.
Ключевые характеристики
- Диапазон измерений: от 200 нА до 1A
- Разрешение: от 100 нА до 1 мА
- Работает со всеми Nordic DK
- Режим источника тока
- Напряжение: от 0,8 до 5 В
- Выборка: 100 кГц
- Автономность, питание от USB
- Логический анализатор на 8 цифровых входов
Программное обеспечение nRF Connect — это всё, что вам нужно использовать вместе с PPK2 для профилирования энергопотребления вашего устройства.
Поддерживается два режима: режим только амперметра или режим с источником тока (AMP или SMU (source measure unit).
❯ 4. NanoRanger от AltoNovus ($220)
NanoRanger — это 3,5-разрядный измеритель постоянного тока, полезный для измерения очень малых токов вплоть до наноампер.
Благодаря функции автоматического выбора предела измерений в девяти диапазонах он способен измерять ток от 1 нА до 800 мА с максимальным разрешением 10 пА. Падение напряжения составляет всего 50 мВ для всего диапазона измерений.
На дисплее отображается средний, максимальный и минимальный ток, а также соотношение сигнал/шум, что очень удобно для быстрой оценки энергопотребления.
NanoRanger, как инструмент измерения тока, может использоваться инженерами и производителями, которые заинтересованы в точных измерениях, особенно теми, кто создаёт встраиваемые продукты с питанием от батарей.
NanoRanger имеет USB порт для подключения к ПК, но не имеет программного обеспечения, которое могло бы отображать показания, создавать графики, генерировать отчеты и т. д. Это основной недостаток этого измерительного инструмента.
Разработчики продолжают обновлять свою прошивку и последняя версия дает возможность выполнять 150 операций чтения в секунду. Для визуализации получаемых данных и построения графиков вы можете написать свою собственную программу.
❯ 5. Current Ranger от Low Power Lab ($120)
CurrentRanger — это измеритель тока с наноамперным диапазоном и OLED дисплеем. Он имеет автоматическое переключение предела измерений и может измерять ток в обоих направлениях.
Он также имеет опцию передачи данных по Bluetooth.
Это доступный по цене амперметр с широкими возможностями настройки и сверхнизким падением напряжения, подходящий для любительского и профессионального использования, где важны фиксация быстрых переходных процессов и точность измерений. Применяется при создании встраиваемых систем с низким энергопотреблением, использующим батарею в качестве источника питания.
Функции:
- Три малошумящих диапазона (1 мВ на нА/мкА/мА)
- Низкое входное падение напряжения, высокая точность и пропускная способность аналоговых выходов
- Несколько вариантов входных и выходных клемм
- Автоматический выбор диапазона
- Режим автономного измерителя с OLED дисплеем или использование с мультиметром/осциллографом
- Сверхбыстрое переключение между любыми диапазонами (даже от нА до мА)
- Режим фильтра нижних частот (полезен для захвата малошумящих сигналов на осциллографах)
- Однонаправленный режим (наиболее часто используемый при измерении постоянного тока от 0 до 3,3 А)
- Двунаправленный режим (позволяет измерять переменные токи в диапазоне от -1,65 до 1,65 А
- Питание от LiPo батареи с автоматическим отключением
- Полностью цифровое управление переключением диапазонов с помощью сенсорных панелей
- Регистрация данных через модуль Bluetooth
- Возможность изменения прошивки SAMD21 Cortex M0+ под свои нужды
- Зуммер для звуковых оповещений
❯ 6. ZS-2102-A IOT Power Profiler ($650)
(Видеоролик о ZS-2102-A IOT Power Profiler на английском.)
❯ 7. Battlab One Battery Life Optimizer ($100)
(Видеоролик о Battlab One Battery Life Optimizer на английском.)
❯ 8. Hardkernel SmartPower 3 ($55)
Компания Hardkernal известна своими одноплатными компьютерами ODROID Linux, но на этот раз она представила совершенно иной продукт — блок питания со встроенным измерением мощности.
Этот источник питания можно использовать при разработке ваших устройств для контроля их энергопотребления и помощи в его оптимизации.
Измерение тока осуществляется с точностью до миллиампер, поэтому его нельзя использовать для оптимизации устройств с батарейным питанием.
Этот источник питания предназначен в основном для разработчиков, использующих Linux платы, которые обычно потребляют ток от нескольких миллиампер до 1–2 ампер.
Возможности SmartPower 3
- TFT-дисплей 3,5 дюйма (480x320)
- Два выходных канала (макс. 50 Вт + 50 Вт)
- Выходной ток: до 3 А (на канал)
- Измерение напряжения, тока, мощности (частота дискретизации до 200 Гц)
- Типичный допуск 3% (выше 5 В, 1 А)
- Энкодер для удобной работы
- Разъемы «банан» 4 мм
- Напряжение питания: 9–21 В
Вы можете подключить исследуемое устройство через порт USB-C и контролировать показания мощности со скоростью до 200 раз в секунду (время выборки 5 мс – 1 с).
Компания-производитель не предоставляет никакого программного обеспечения, но вы можете сохранить лог измерений в формате CSV, а затем открыть этот файл и провести анализ в подходящем для этого ПО (например, электронных таблицах).
Ограничения
Цена у этого устройства привлекательная, но, прежде чем его покупать, убедитесь, что вы хорошо понимаете его технические ограничения:
- Разрешение измерения тока в миллиамперах
- Отсутствие программного обеспечения для удобного анализа
- Источник питания может выдавать минимум 3 В
С моей точки зрения, если производить добавит простое в использовании программное обеспечение, то SmartPower 3 станет полезным инструментом анализа потребляемой мощности.
❯ Заключение
Надеюсь, эта статья оказалась полезной для улучшения ваших встраиваемых и IoT устройств!
Pallav Aggarwal
❯ От переводчика
Это статья от 2021 года, но большинство рассматриваемых устройств актуальны и сейчас. Если вы знаете лучшие девайсы для профилирования потребляемой мощности IoT устройств или сами пользуетесь какими-то из них — поделитесь своим мнением на эту тему в комментариях.
