探討可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設計能耗的最新技術

在設計電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備時，主要目標是延長再充電之間的時間，或者在標準電池的情況下延長電池的使用壽命。有許多傳統(tǒng)的方法，但缺乏完全優(yōu)化設計所需的系統(tǒng)級視角。

為了最大限度地利用可用電池電量，物聯(lián)網(wǎng)設備需要作為整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，而不是作為不相關組件的集合。本文將探討可用于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設計能耗的最新技術和技術，以及如何最好地應用它們。

傳統(tǒng)的能量測量方法

一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員對優(yōu)化系統(tǒng)的電池壽命并不陌生。在過去的美好時光中，開發(fā)人員通常會使用萬用表（例如B＆K Precision?BK2706）來測量嵌入式系統(tǒng)的電流消耗。這些都是很好的萬用表，當然可以用來測量平均電流，但不會給開發(fā)人員提供他們需要的分辨率，以查看快速峰值，或者在沒有相當大的努力的情況下測量微安范圍內(nèi)的電流消耗。為了看到這些快速轉(zhuǎn)換，開發(fā)人員需要快速的事情，他們可以很容易地觸發(fā)。

一個示波器，加上一個大小適合電流范圍的分流電阻，可以用來查看這些快速電流轉(zhuǎn)換。開發(fā)人員可能會使用B＆K Precision公司的BK2190。這是一款極好的低成本100 MHz示波器。開發(fā)人員當然可以觸發(fā)示波器查看尖峰和轉(zhuǎn)換，但在這個特定應用中使用示波器仍然存在一些挑戰(zhàn)。

首先，大多數(shù)低成本示波器不允許開發(fā)人員輕松訪問跟蹤。其次，軌跡在其記錄長度上受到限制。第三，示波器數(shù)據(jù)不能與嵌入式系統(tǒng)上發(fā)生的事件同步。考慮到所有這三個問題，開發(fā)人員可能會在項目時間表內(nèi)盡力優(yōu)化他們的物聯(lián)網(wǎng)設備。因此，有效優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設備的能源消耗需要一種新的更現(xiàn)代的方法。

使用智能電源優(yōu)化能耗

物聯(lián)網(wǎng)設備可以被優(yōu)化的一種新的更現(xiàn)代化的方式是使用智能電源，該智能電源不僅向設備提供能量，而且還能夠測量提供給該設備的電壓和電流。智能電源可以看作是電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的混合體。

Qoitech AB的?Otii Arc就是其中一種電源。這是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測量單元。它用于為能源配置需要優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)設備供電。它通過USB將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。Otii Arc也可以通過USB供電。

圖1：Qoitech AB公司的Otii Arc是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測量單元。（圖片來源：Qoitech AB）

Otii Arc可通過其otii軟件包進行配置，提供0.5至5.0伏的電壓。使用USB端口為Otii Arc供電時，最大輸出功率可達250毫安（mA）。對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備來說，這將是綽綽有余的，但對于開發(fā)功耗更大的系統(tǒng)的開發(fā)人員，可以使用外部7.5伏特到9.0伏特的電源來實現(xiàn)高達2.5安培（A）的電流，并且具有最大峰值電流為5.0 A.Otii Arc?還可以以低至1微安（μA）的電流分辨率以高達4 Ksamples / s的速率進行采樣，這對大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備來說已經(jīng)足夠了。

使用Otii Arc

待測物聯(lián)網(wǎng)設備（DUT）可以通過多種方式連接到Otii Arc。在第一種方法中，就像大多數(shù)電源一樣，有兩個香蕉插頭用于為設備供電。這使得開發(fā)人員可以使用來自Pomona Electronics的12“紅色香蕉電纜，用紅色Pomona夾具提供電壓軌。使用12“黑色波莫納香蕉電纜和黑色波莫納氣爪來供應地面導軌。這是任何嵌入式系統(tǒng)工程師的工作臺的標準設置。

第二種方法使用Otii Arc的14引腳擴展接頭，引腳間距為0.100“。該擴展端口具有有用的連接，如用于測量電流的第二個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道，GPIO引腳以及串行發(fā)送和接收引腳信號。

圖2：使用幾乎每個電源上的標準香蕉插孔連接到Otii Arc。開發(fā)人員可以使用12“紅色Pomona Electronics香蕉電纜和紅色Pomona夾具將正電壓軌連接到被測物聯(lián)網(wǎng)設備。（圖片來源：Pomona Electronics）

Qoitech Otii Arc配備了otii軟件的標準許可證，該軟件是一個可視化工具，與Otii Arc進行連接，以執(zhí)行電流和電壓測量并控制電源的行為。可視化用于分析能耗并確定系統(tǒng)的優(yōu)化位置和方式。

otii軟件通過USB連接電源，可用于啟用和禁用電源電壓或記錄跟蹤。跟蹤時，開發(fā)人員可以看到提供易于導航的帶狀圖類型視圖的實時跟蹤。開發(fā)人員可以在其蹤跡中突出顯示區(qū)域，并提供重要信息，如最小值，最大值和平均電流（圖3）。

圖3：使用Otii Arc的otii軟件進行跟蹤時，開發(fā)人員可以查看實時跟蹤，該跟蹤以條形圖視圖顯示，很容易導航。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

正如前面所討論的，開發(fā)人員能夠了解跟蹤中各個點的系統(tǒng)狀態(tài)，這樣他們就可以獲得他們可以分析的單一，連貫的信息源，這通常是至關重要的。智能電源也能夠接收來自嵌入式系統(tǒng)的日志輸入，這些輸入可用于同步狀態(tài)，這一點很重要。

Qoitech Otii Arc的有趣之處在于，擴展連接器能夠以可配置的波特率讀取串行UART，并在軌跡中記錄日志信息。建立一個傳輸執(zhí)行日志的系統(tǒng)需要從嵌入式目標接收一個通過UART的字符串日志。為此，將IoT設備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc上的Rx引腳（圖4）。將數(shù)字地連接到物聯(lián)網(wǎng)設備以確保信號共享相同的地參考是一個很好的做法。

圖4：要從嵌入式目標接收通過UART的字符串日志，請將IoT設備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc?上的Rx引腳。（圖片來源：Qoitech AB）

為了演示如何在otii軟件中記錄數(shù)據(jù)，將顯示一個LED切換并通過UART提供日志狀態(tài)以幫助開發(fā)人員（圖5）。

圖5：Otii Arc可以設置為接收UART日志消息，以幫助開發(fā)人員了解嵌入式系統(tǒng)所處的狀態(tài)。在本例中，LED通過UART進行切換并提供日志狀態(tài)以幫助開發(fā)人員。（圖片來源：Qoitech AB）

優(yōu)化子系統(tǒng)能源使用

有幾種方法可以使用智能電源來優(yōu)化設備的能耗，但它們確實需要一些預先考慮。例如，開發(fā)商應在其印刷電路板上包含多個分流電阻，以便它們可以連接并探測不同電路的能耗。如果不這樣做，只會為開發(fā)人員提供整個系統(tǒng)的當前狀態(tài)，這可以使得優(yōu)化成為猜測游戲而不是工程活動。

開發(fā)人員可以使用擴展ADC來監(jiān)視外部分流電阻。這個電阻器可以監(jiān)測Wi-Fi模塊，存儲器芯片或微控制器本身。此功能允許開發(fā)人員在監(jiān)控整個系統(tǒng)能耗受到影響的同時調(diào)整單個電路。開發(fā)人員需要做的就是在otii軟件的項目設置中設置分流電阻值，并將正確的電流記錄在軌跡中（圖6）。

圖6：Otii Arc可以設置為記錄系統(tǒng)電壓和電流，以及子系統(tǒng)的第二個電流分流器。這允許開發(fā)人員調(diào)整特定電路，同時監(jiān)視整個系統(tǒng)能耗如何受到影響。（圖片來源：Qoitech AB）

毫無疑問，許多電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最大的能源消費者之一就是微控制器。智能電源可用于監(jiān)控微控制器，但在很多情況下，開發(fā)人員希望能夠?qū)⑵洚斍皽y量值與微控制器中的程序計數(shù)器同步。這可以使電流消耗與正在執(zhí)行的代碼行同步。

為此，開發(fā)人員可以將智能電源與先進的調(diào)試器（如Arm's?Keil ULINKplus）配合使用，該調(diào)試器可以測量微控制器電流并將該測量值與程序計數(shù)器同步。然后，當開發(fā)人員將所有這些測量結(jié)果一起使用時，他們將能夠精確調(diào)整其能耗并最大限度地延長其物聯(lián)網(wǎng)設計的電池壽命。

圖7：Arm Keil ULINKplus可以設置為記錄微控制器的當前使用情況，并將該測量結(jié)果與微控制器上執(zhí)行的代碼行同步。這有助于全面了解物聯(lián)網(wǎng)設備的能源使用情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能耗的技巧和訣竅

開發(fā)人員可以遵循幾個技巧和竅門，以便輕松優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的能耗。這些包括：

• 對于設計中的每個主要硬件模塊，添加一個可用于在開發(fā)和測試期間監(jiān)控電路能耗的分流電阻。
• 閱讀“?為物聯(lián)網(wǎng)選擇并應用合適的低功耗微控制器?”，了解如何測量和優(yōu)化微控制器能耗的提示。
• 盡可能多地將主要系統(tǒng)組件置于睡眠模式或低功耗狀態(tài)。
• 在整個開發(fā)周期內(nèi)測量能耗，而不是接近尾聲。
• 使用能夠覆蓋應用動態(tài)范圍的能量分析器。
• 盡可能多地自動化測量過程。
• 在硬件中，尋找LDO等效率低下且泄漏的組件，并將其替換為更高效的組件。

結(jié)論

優(yōu)化任何物聯(lián)網(wǎng)設備的能耗并不是一件容易的事，對電池供電的設備尤其重要。如圖所示，有幾種傳統(tǒng)的能耗測量方法。使用適當?shù)墓ぞ哌M行適當?shù)臏y量可以更容易地識別能源消耗并設計物聯(lián)網(wǎng)解決方案，從而充分利用可用的電池電量。