reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© 4designersart dreamstime.com Technologie | 31 marca 2016

Czujniki bezprzewodowe i problem długości życia baterii

Dzięki urządzeniom o zasilaniu bateryjnym, termin Internet of Things może wkrótce okazać się rzeczywistością — zakładając, że uda się uzyskać dostatecznie długi czas pracy czujników na baterii.
Czujniki bezprzewodowe wprowadzają ogromne zmiany w metodyce monitorowania parametrów środowiskowych i instalacji przemysłowych. Konieczność instalacji i okablowania zwykłych czujników ogranicza możliwość ich szerokiego wykorzystania. Dzięki urządzeniom o zasilaniu bateryjnym, termin Internet of Things może wkrótce okazać się rzeczywistością — zakładając, że uda się uzyskać dostatecznie długi czas pracy czujników na baterii.

Często stosowaną metodą ograniczania całkowitego poboru prądu jest wprowadzanie trybu pracy burst, podczas którego urządzenie jest uaktywniane tylko w krótkich przedziałach czasu, a poza nimi pozostaje w stanie uśpienia o stosunkowo małej aktywności. Projektanci oczywiście starają się skrócić do minimum przedziały aktywności i maksymalnie wydłużyć czas przebywania w stanie uśpienia.

Już od wielu lat zmagają się z pomiarami mającymi oszacować czas pracy urządzeń bateryjnych. Wykorzystywane do tego systemy pomiarowe zawierające oscyloskopy, multimetry, zasilacze, sondy prądowe i boczniki są złożone, a mimo tego nie pozwalają dostatecznie szczegółowo przeanalizować dynamicznego poboru prądu. Nowa, opatentowana technologia bezprzerwowego pomiaru prądu w połączeniu z rejestracją danych w długim okresie czasu i dużą rozdzielczością pozwala wizualizować pobór prądu w zakresie od nanoamperów do amperów w pojedynczym przebiegu, szczegółowo analizować dane i zapewnić długi czas działania baterii w czujnikach bezprzewodowych i innych podobnych urządzeniach.

Czujniki bezprzewodowe doskonale sprawdzają się w aplikacjach z zakresu monitorowania środowiska oraz zakładów i maszyn przemysłowych. Ponieważ są łatwe w instalacji, mogą znajdować zastosowanie w wielu dziedzinach. W najbliższych latach najprawdopodobniej doświadczymy eksplozji nowych zastosowań dla tych elementów w aplikacjach określanych mianem “Internet of Things” lub “IoT”.

Jednak głównym czynnikiem ograniczającym ich zastosowanie jest ograniczona zdolność do wykonania określonych zadań w rozsądnie krótkim czasie. Gdy funkcjonowanie czujnika bezprzewodowego jest w pełni uzależnione od baterii, a zostanie ona rozładowana, czujnik staje się bezużyteczny.

Podczas projektowania czujnika bezprzewodowego zasilanego bateryjnie, można napotkać wiele wyzwań związanych z zapewnieniem wykonania przez niego określonego zadania w rozsądnie krótkim czasie. Typowym podejściem jest tu skrócenie poboru prądu z baterii jedynie do krótkiego czasu aktywności czujnika, a następnie przełączenie go w oszczędnościowy tryb pracy. Praca czujnika bezprzewodowego może być "posegmentowana" w serię przedziałów czasu, z których każdemu odpowiada pewna aktywność i odpowiadający jej pobór mocy.

Najczęściej występujące aktywności to:
- wybudzenie z trybu uśpienia, wykonanie pomiaru i przetworzenie wyniku pomiaru w wiadomość,
- włączenie wzmacniacza mocy w.cz., wysłanie wiadomości i wyłączenie wzmacniacza,
- w przypadku czujników dwukierunkowych (nadających i odbierających dane): wybudzenie, włączenie odbiornika, odbiór danych i ich przetworzenie, podjęcie określonego działania i ponowne przejście do trybu uśpienia.

Jak widać, że wiele różnych akcji ma swój udział w rozładowaniu baterii. Najprostszym sposobem pozwalającym wydłużyć czas pracy mogłoby być po prostu zastosowanie baterii o większej pojemności. Jednak użytkownikom zależy na jak najmniejszych wymiarach sensorów oraz na ich maksymalnej funkcjonalności (dzięki której mogliby przesyłać, przechowywać lokalnie i przetwarzać dużą liczbę danych). Tak więc oczekiwania użytkowników całkowicie eliminują tą najprostszą metodę wydłużenia czasu pracy.

Jak inżynierowie szacują czas pracy na baterii?

Projektant powinien znaleźć właściwy kompromis pomiędzy pojemnością baterii i funkcjonalnością czujnika bezprzewodowego, pozwalający zapewnić jego możliwie najlepsze parametry przy małych rozmiarach baterii oraz odpowiednio długi czas pracy do konieczności jej wymiany.

Proces optymalizacji zaczyna się od analizy wymogów energetycznych. Zebranie danych dotyczących wykorzystania energii jest pierwszym krokiem przy charakteryzacji parametrów czujnika. Każda bateria może zgromadzić określoną energię elektryczną wyrażaną w watogodzinach (Wh) i charakteryzuje się określoną pojemnością określaną w amperogodzinach (Ah). Wiedząc, jaka energia jest niezbędna do zasilania czujnika można obliczyć żywotność baterii.

żywotność baterii (h) = ilość zgromadzonej energii (Wh) / średni pobór mocy (W)

Ilość zgromadzonej energii można wyrazić poprzez iloczyn napięcia (V) i pojemności (Ah). Wartość napięcia, znajdująca się na krzywej rozładowania może być wyznaczona doświadczalnie tak, aby właściwie powiązać ilość zgromadzonej energii i pojemność. Bazując na tym, żywotność baterii można też określić zależnością:

żywotność baterii (h) = pojemność (Ah) / średni pobór prądu (A)

Jednak podczas pracy czujnika w rzeczywistych warunkach, żywotność baterii okazuje się być krótsza od wartości obliczonej. Najczęściej winę zrzuca się w tym wypadku na słabą jakość baterii. Najwięksi producenci baterii udostępniają szczegółowe specyfikacje i wyjaśniają, że pojemność nowych baterii tego samego typu może się wahać w granicach od 5 do 10%. Jednak po przyjęciu nawet najbardziej konserwatywnych założeń okazuje się, że żywotność jest w dalszym ciągu krótsza od spodziewanej.

Bateria wyczerpuje się szybciej, niż można się tego spodziewać. Dlaczego tak się dzieje? Czy właściwie oszacowano wykorzystanie energii? Prawdopodobnie nie. Zbadajmy ten problem.

Złożoność pomiaru dynamicznego poboru prądu

W urządzeniach zasilanych bateryjnie, takich jak czujniki bezprzewodowe pobór prądu ogranicza się aktywując poszczególne obwody wewnętrzne tylko wtedy, gdy jest to wymagane. Inżynierowie projektują tego typu urządzenia tak, aby przez jak najwięcej czasu pozostawały one w stanie uśpienia przy minimalnym poborze prądu. W stanie tym pracuje jedynie zegar RTC, którego zadaniem jest cykliczne "budzenie" czujnika do wykonania pomiarów. Zarejestrowane dane są następnie wysyłane do węzła odbiorczego sieci.


Rys. 1: Pobór prądu w trzech trybach pracy czujnika bezprzewodowego


Tab. 1 Typowe wartości natężenia prądu i parametrów czasowych

Przełączanie trybów pracy skutkuje zmianą natężenia prądu w bardzo szerokim zakresie
dynamicznym od mniej niż μA do 100 mA, co odpowiada współczynnikowi 1:1.000.000.

Tradycyjne techniki pomiarowe i ich ograniczenia

Do pomiaru prądu najczęściej wykorzystuje się multimetr cyfrowy. Dokładność pomiaru uzyskiwana za pomocą nowoczesnych multimetrów pozornie wydaje się być wysoka, jednak ich specyfikacje są podawane dla ustalonych zakresów pomiarowych i relatywnie stałych wartości natężenia prądu.

Takie warunki nie występują w przypadku czujników bezprzewodowych pobierających prąd dynamicznie. Od czasu do czasu pojawiają się tu niestabilności odczytu powodowane przełączeniem się czujnika w stan aktywny lub włączeniem trybu transmisji danych. Co prawda multimetry pracują w wielu zakresach pomiarowych, które mogą by automatycznie zmieniane dla zapewnienia możliwie największej dokładności, jednak nie są to przyrządy idealne.

Automatyczna zmiana zakresu wymaga przełączenia miernika i ustabilizowania się wyniku pomiaru. Następuje to w czasie około 10...100 ms, dłuższym niż wynosi cykl transmisji lub stan aktywny czujnika. Z tego powodu podczas pomiaru funkcja autozakresu musi zostać wyłączona, a użytkownik sam powinien ustawić właściwy zakres pomiarowy.

Multimetr cyfrowy wykonuje pomiar pośrednio poprzez włączenie bocznika do obwodu i pomiar spadku napięcia na nim. Normalnie do pomiaru małych prądów wybiera się niski zakres bazujący na boczniku o dużej rezystancji, a do pomiaru dużych prądów wybiera się wysoki zakres bazujący na boczniku o małej rezystancji. Ze względu na spadek napięcia na boczniku, nie całe napięcie baterii występuje na zaciskach czujnika bezprzewodowego.

W przypadku najdokładniejszych niskich zakresów pomiarowych wykorzystywanych do pomiaru prądu w stanie uśpienia, odkładające się na boczniku napięcie podczas występowania dużych impulsów prądowych może doprowadzić nawet do zresetowania czujnika. W praktyce przełącza się więc multimetr na wysoki zakres pomiarowy zapewniający ciągłość pracy czujnika przy występowaniu tego typu impulsów.

Umożliwia to co prawda prowadzenie pomiaru natężenia zarówno prądu szczytowego, jak i prądu w stanie uśpienia, ale dużym kosztem. Ponieważ błąd offsetu jest specyfikowany w odniesieniu do pełnej skali, silnie wpływa na dokładność pomiaru prądów o małym natężeniu. Błąd 0,005% na zakresie 100 mA wynosi 5 μA, co odpowiada błędowi 50% przy pomiarze prądu o natężeniu 10 μA oraz 500% przy pomiarze prądu o natężeniu 1 μA. Jest to pobór prądu występujący przez większość czasu pracy czujnika, tak więc ten poziom błędu pomiaru miałby ogromny wpływ na oszacowanie żywotności baterii.

Po zmierzeniu poboru prądu w stanie uśpienia należy zmierzyć pobór prądu w stanie aktywnym i podczas transmisji sygnału. Należy tu uwzględnić zarówno natężenie prądu, jak i czas trwania tych cykli. Do analizy zmian natężenia prądu w funkcji czasu najwłaściwszy wydaje się być oscyloskop.

Jednak mierzone natężenie prądu jest na poziomie kilkudziesięciu mA, tak więc sondy prądowe nie zapewnią tu wymaganej dokładności ze względu na ich ograniczoną czułość i dryft. Dobra sonda cęgowa wykazuje szum na poziomie 2,5 mA rms, a procedura kompensacji zera musi być powtarzana często. Ponieważ sondy prądowe mierzą natężenie pola elektrycznego występującego wokół przewodu, ich czułość można zwiększyć przepuszczając wielokrotnie ten sam przewód przez otwór w sondzie, tym samym zwielokrotniając natężenie pola. Posługując się tą metodą można zmierzyć natężenie impulsu prądowego w stanie aktywnym i czas transmisji sygnału. Jednak w stanie aktywnym i podczas transmisji natężenie prądu zmienia się. Aby dokładnie wyznaczyć średnie natężenie prądu w impulsie, należałoby wyeksportować wszystkie punkty pomiarowe w trakcie jego trwania i scałkować wyniki.

Oscyloskopy doskonale nadają się do rejestracji pojedynczego impulsu. Jednak pomiar może się znacznie skomplikować jeśli zachodzi potrzeba zweryfikowania ile razy w określonym czasie nastąpiła aktywacja czujnika i jak często ponawia on transmisję danych. O ile oscyloskopy nadają się do rejestracji impulsów w krótkim przedziale czasu, o tyle cykle aktywności czujników bezprzewodowych mogą następować w okresie kilku minut lub nawet godzin, co może być trudne do zarejestrowania i zmierzenia.

Innowacje pomiarowe

Źródło mierzące Keysight N6781A (SMU – source/measure unit) do analizy poboru prądu eliminuje opisane wcześniej ograniczenia tradycyjnych przyrządów pomiarowych dzięki wprowadzeniu dwóch innowacji: bezprzerwowej zmiany zakresu pomiaru prądu i długoterminowej, ciągłej rejestracji danych.

Moduł SMU może współpracować z niskoprofilowym, modułowym systemem zasilania Keysight
N6700 oraz z analizatorem mocy DC N6705. Bezprzerwowa zmiana zakresu pomiaru prądu to opatentowana technologia, dzięki której SMU może zmieniać zakres pomiarowy, równocześnie utrzymując stabilne napięcie na badanym obwodzie.

Funkcjonalność ta pozwala mierzyć impulsy prądowe na zakresie wysokoprądowym oraz prąd w trybie uśpienia na zakresie niskoprądowym 1 mA FS, na którym błąd offsetu wynosi 100 nA (co odpowiada błędowi 10% dla 1 μA oraz 1% dla 10 μA). Jest to błąd o rząd wielkości mniejszy niż w przypadku tradycyjnych multimetrów cyfrowych.


Rys. 2: Źródło mierzące Keysight N6781A SMU zapewnia dokładny pomiar natężenia prądu w
szerokim zakresie dynamicznym


Bezprzerwowa zmiana zakresu pomiaru prądu w oparciu o dwa digitizery umożliwia równoczesne próbkowanie napięcia i prądu z szybkością 200 kS/s (przy rozdzielczości czasowej 5 μs). Digitalizowane wyniki pomiarów mogą być rejestrowane przez 2 sekundy i wyświetlane z pełną rozdzielczością lub wyświetlane z ograniczoną rozdzielczością przy proporcjonalnie wydłużonym czasie rejestracji.

Niemniej jednak, do prowadzenia pomiarów długoterminowych polecany jest modułowy analizator mocy DC N6705 charakteryzujący się szybkością próbkowania 200 kS/s i programowanym przez użytkownika okresem całkowania mogącym wynosić od 20 μs do 60 s. Jest to przyrząd o rejestracji ciągłej, nie wykazujący utraty żadnych próbek pomiędzy okresami całkowania (ciągła rejestracja oznacza, że wszystkie próbki są przyporządkowywane do bieżącego lub następnego okresu całkowania). Korzystając z rejestratora danych, inżynierowie mogą mierzyć natężenie prądu i pobór energii czujników bezprzewodowych przez nawet 1000 godzin pracy.


Rys. 3: Rejestrator danych: wszystkie próbki są uwzględniane w kolejnych okresach próbkowania. Żadne nie są tracone. Dla każdego okresu wyznaczana jest też wartość minimalna i maksymalna


Rys. 4: Zarejestrowany przebieg natężenia prądu o czasie trwania ponad 200 s zapewnia doskonały wgląd w charakterystykę dynamicznego poboru prądu urządzenia

Pomiar prądu w stanie uśpienia wymaga jedynie ustawienia markerów w odpowiednich punktach i odczytania wartości. Pomiar z rysunku 4 został zrealizowany na bazie pojedynczej akwizycji prowadzonej w długim okresie czasu; otrzymano tu kompletny wykres poboru prądu i dokładny wynik pomiaru natężenia prądu w stanie uśpienia, wynoszący 599 nA. Dzięki funkcjom przesuwania i rozciągania wykresu (pan and zoom) można określić natężenie prądu i czas trwania poszczególnych cykli pracy. Szczegóły przebiegów niewidoczne w tradycyjnym układzie pomiarowym mogą być tu zidentyfikowane i zmierzone.

Przykład stanowią serie impulsów oznaczone symbolem “???” na rysunku 4. Dzięki oprogramowaniu udało się tu odkryć coś zaskakującego: badane urządzenie pobiera dodatkowy prąd w paczkach impulsów o natężeniu około 90 μA i długości 500 ms, co daje prąd średni równy 3,3 μA na paczkę. Dodając go do wspomnianych wcześniej 599 nA okazuje się, że teraz sumaryczny pobór prądu w stanie uśpienia wynosi już 730 nA, a więc jest większy o 22% od oczekiwanego. Tego typu ‘niespodzianki’ mogą być jedną z przyczyn przeszacowania żywotności baterii.

Przy optymalizacji poboru mocy czujników bezprzewodowych opłaca się dobrze przeanalizować detale. Wiedząc, ile energii pochłania wysłanie pojedynczego pakietu danych można optymalnie dobrać balans pomiędzy żywotnością baterii i funkcjonalnością czujnika oraz łatwo odpowiedzieć na pytania w stylu "Czy lepiej wysyłać dane co sekundę, a może co 5 lub co 10 sekund?" Inżynierowie mogą dokładnie estymować wpływ zmian wprowadzanych w oprogramowaniu firmware na szybkość wyczerpywania się baterii, bazując na rzeczywistych pomiarach prowadzonych w rozsądnie krótkim czasie.

Łatwe pomiary w dżulach

Dżul to bardzo użyteczna jednostka przy szacowaniu żywotności baterii, gdyż każda aktywność
odbywa się kosztem określonej porcji energii. Można porównywać parametry urządzeń na bazie
przelicznika liczby dżuli do liczby wysłanych bitów. Jednak inżynierowie rzadko wykorzystują tą
jednostkę, gdyż wymaga to przeliczania napięcia, prądu i czasu.


Rys. 5: Oprogramowanie Keysight 14585A umożliwia pomiar energii bezpośrednio w dżulach

Oprogramowanie Keysight 14585A do sterowania i analizy umożliwia pomiar energii bezpośrednio w dżulach. Dla przykładu, możliwe jest określenie energii pobranej na wysłanie pakietu (Rys. 5). Jest to jedną z zalet posiadania dwóch oddzielnych digitizerów z równoczesnym próbkowaniem do pomiaru prądu i napięcia, pozwalających prowadzić pomiary mocy punkt po punkcie. Dżule mogą być bezpośrednio odczytywane z wykresu jako wartości pomiędzy markerami, a projektant zyskuje możliwość stosowania przelicznika dżuli na przesłany bit.

Podsumowanie

Inżynierowie projektujący bateryjne urządzenia IoT korzystają z zaawansowanych technik pomiaru mocy, chcąc wydłużyć żywotność baterii. Tradycyjne techniki pomiarowe są złożone i czasochłonne oraz nie zapewniają dostatecznej dokładności, pozwalającej na optymalizację i ocenę zużycia energii, co często prowadzi do niedoszacowania mocy wymaganej do pracy urządzenia.

Źródła mierzące Keysight SMU umożliwiają łatwe przeprowadzanie szczegółowej analizy poboru prądu i zużycia energii na pojedynczym wykresie. Oprogramowanie do późniejszej analizy ułatwia pracę inżyniera, dostarczając wgląd w charakterystyki poboru prądu o niespotykanej wcześniej szczegółowości.

Carlo Canziani, menadżer ds. rozwoju z oddziału Keysight Technologies Power & Energy na teren Europy, Środkowego Wschodu i Afryki mówi, że najnowszy model SMU N6785A ma zapewnić możliwość analizy mocy w zakresie do 80 W i natężenia prądu w zakresie od nanoamperów do 8 A.

Nowe źródła SMU znajdują szeroki zakres zastosowań w wielu aplikacjach, począwszy od testowania smartfonów i tabletów po sterowniki samochodowe ECU i czujniki bezprzewodowe IoT

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości formy AM Technologies

© AMTechnologies, Keysight
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
November 29 2016 16:13 V7.6.2-2