Internet rzeczy (IoT) to popularna idea, która napędza rozwój przemysłu oraz wielu różnych branż. Szacuje się, że na tę chwilę liczba urządzeń połączonych z IoT przewyższa ponad trzykrotnie liczbę ludzi na świecie. W świetle tak ogromnej popularności tych rozwiązań zrozumienie wyzwań związanych z projektowaniem i użytkowaniem urządzeń IoT staje się kluczowym aspektem pracy inżynierów projektujących układy elektroniczne.

Szczególnie istotnym czynnikiem, który odróżnia urządzenia IoT od innych produktów elektronicznych jest czas pracy akumulatora. Rozwiązania tego typu mają niezliczone zastosowania, w których za wszelką cenę należy unikać przestojów. W branży przemysłowej mogą one doprowadzić do utraty kluczowych danych, powstania zagrożeń dla bezpieczeństwa, konieczności sprawdzania akumulatorów i zmniejszenia ilości informacji pozyskiwanych z czujników. W sektorze medycznym konsekwencje mogą polegać na drobnych niedogodnościach, lecz również na realnym zagrożeniu dla życia. Uwarunkowania te oraz znaczny koszt wymiany akumulatorów w urządzeniach IoT, który może być w wielu przypadkach większy niż wymiana całego urządzenia, doprowadziły do powstania trendu wykorzystywania podzespołów o niskim poborze mocy i opracowania nowych sposobów uzyskania takiego czasu pracy akumulatorów, który jak najwydajniej zapewni wspomniany powyżej zakres obsługi.

Projektowanie urządzeń IoT o niskim poborze mocy

Inżynierowie zaproponowali wiele pomysłów związanych z optymalizacją czasu pracy akumulatorów oraz zużyciem energii przez urządzenia IoT. Na przykład funkcja pozyskiwania energii umożliwia układowi pobieranie wymaganej energii z otoczenia, całkowicie tym samym eliminując potrzebę stosowania akumulatorów. Jednak z uwagi na fakt, że zdecydowana większość urządzeń IoT nadal wymaga ich użytkowania, duża część wysiłków jest skoncentrowana na jak najbardziej optymalnym ich wykorzystaniu. W celu maksymalnego wydłużenia czasu pracy akumulatorów inżynierowie skupiają się na projektowaniu trybów głębokiego uśpienia, w których urządzenie znajduje się przez większość swojego okresu eksploatacji, uaktywniając się jedynie w przypadku wyraźnej potrzeby. Tryby pracy o niskim poborze energii, stosowanie niskich napięć akumulatorów, niskie prędkości taktowania i ograniczenie zestawów instrukcji — oto powody, dla których te zastosowania mają bardzo surowe wymagania z zakresu testowania. Projektanci nieustannie muszą przeprowadzać rozmaite testy w celu określenia sposobu zużywania energii przez podzespoły urządzenia w różnych stanach. Dokładna analiza rozładowywania się akumulatorów ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia długiego czasu ich użytkowania, którego oczekują klienci.

Analiza rozładowywania się akumulatorów

Analizę rozładowywania się akumulatorów(Battery Drain Analysis, BDA) można przeprowadzić za pomocą różnych narzędzi. Inżynierowie często polegają w tym zakresie na multimetrach cyfrowych, oscyloskopach z sondami prądowymi, analizatorach zasilania DC z modułem do pomiaru źródła, precyzyjnych modułach do pomiaru źródła, analizatorach przebiegów fal prądowych urządzenia i symulatorach akumulatorów. Narzędzia te służą między innymi do ustalenia profilu obciążenia prądem urządzenia, który można określić poprzez pomiar natężenia we wszystkich stanach pracy w celu symulowania wydajności akumulatora, a tym samym ustalenia sprawności działania urządzenia przy niskim stanie naładowania akumulatora, lub w celu stworzenia modelu akumulatora, który ma zostać użyty w urządzeniu IoT.

Rozwiązania z zakresu oprogramowania

BDA nie jest jednak kompletną metodą bez rozwiązań z zakresu oprogramowania. Rozwiązania te mogą być wbudowane jako oprogramowanie sprzętowe w wyżej wymienionych przyrządach lub uruchamiane z poziomu komputerów. Wspomniane narzędzia odgrywają kluczową rolę w maksymalizacji czasu pracy akumulatorów urządzeń IoT, a ich dobór wymaga dużej uwagi. Opracowaliśmy listę przykładów rozwiązań wraz z ich funkcjami i zaletami, aby dokładnie przedstawić rodzaje oprogramowania dostępne na rynku. Informacje te ułatwiają dobór odpowiednich rozwiązań z zakresu oprogramowania, które można wykorzystywać podczas przeprowadzania testów akumulatorów urządzeń IoT.

• Oprogramowanie do sterowania i analizy Keysight 14585A do zaawansowanych zasilaczy

Oprogramowanie do sterowania i analizy 14585A zapewnia łatwy dostęp do zaawansowanych funkcji wielu przyrządów, w tym dynamicznych zasilaczy DC Keysight Advanced Power System z serii N7900 oraz analizatora zasilania DC N6705. Umożliwia sterowanie nawet 16 modułami w czterech ramkach montażowych N6705, co oznacza możliwość pomiaru natężenia prądu w kilku lokalizacjach DUT jednocześnie. Oprogramowanie uruchomione na komputerze stacjonarnym pozwala użytkownikowi na korzystanie z elementów sterujących, które dobrze zna, a także z dużego wyświetlacza do wykonywania zadań BDA bez potrzeby pisania kodu.

• Funkcja dystrybucji komplementarno-kumulatywnej Keysight (CCDF)

Komplementarna funkcja CCDF to funkcja graficzna zawarta w takich programach, jak oprogramowanie sprzętowe analizatora przebiegu fal prądowych urządzeń z serii CX3300 Keysight oraz oprogramowanie do sterowania i analizy Keysight 14585A, która tworzy wykresy ilustrujące ilość prądu pobieranego z akumulatora przy różnych poziomach natężenia. Wykorzystanie tej funkcji umożliwia optymalizację konstrukcji urządzenia IoT.

• Automatyczny profiler natężenia i mocy Keysight

Analizator przebiegów fali prądowej urządzenia z serii CX3300 Keysight zawiera automatyczny profiler natężenia i mocy, który umożliwia automatyczne dzielenie przebiegu fali prądowej na segmenty czasowe w oparciu o konfigurowalne parametry. Oprogramowanie, które umożliwia raportowanie czasu rozpoczęcia, czasu trwania, natężenia średniego, natężenia maksymalnego, natężenia minimalnego, całkowitego zużycia prądu i wartości procentowej całkowitego zużycia prądu dla każdego analizowanego segmentu przebiegu fali, umożliwia również nazywanie segmentów oraz przenoszenie znaczników segmentów w celu ponownej analizy.

• Programy do generowania modeli Keithley

Urządzenia SMU 2450 lub 2460 firmy Keithley, które mają wyjątkową zdolność do bycia jednocześnie generatorem modeli i obciążeń, a także które mogą rozładowywać akumulatory niższymi natężeniami wymaganymi przez urządzenia IoT, dostarczane są wraz z rozwiązaniem do tworzenia algorytmów. Program do generowania modeli firmy Keithley można załadować do urządzenia SMU, a następnie za jego pomocą obsługiwać. Daje on możliwość tworzenia modelu w formacie obsługiwanym przez symulator akumulatorów 2281 Keithley.

Spojrzenie w przyszłość

Wraz ze wzrostem znaczenia urządzeń IoT w wielu branżach dostawcy zaczynają się prześcigać w opracowywaniu nowych rozwiązań z zakresu oprogramowania, które wprowadzają nową jakość w obszarze analizowania rozładowywania akumulatorów, a tym samym maksymalizują okres eksploatacji akumulatorów urządzeń IoT. Chris Godfrey — kierownik ds. rozwoju rynku wiodącego dostawcy technologii testowych i pomiarowych, firmy Tektronix — opisuje działania podejmowane w celu dalszego wspierania potrzeb testowania twórców IoT w obszarze oprogramowania: „Pracujemy nad udoskonalonym oprogramowaniem do modelowania, aby bardziej precyzyjnie modelować pracę akumulatorów i uwzględniać więcej parametrów, takich jak temperatura akumulatora, relaksacja długookresowa oraz liczba cykli naładowania-rozładowania, które przeszedł akumulator. Z czasem zmienne te zaczynają wpływać na pojemność oraz na rezystancję wewnętrzną akumulatora”.

Wszystkie marki stoją przed głównym wyzwaniem związanym z bardziej kompleksowym modelowaniem akumulatorów w celu odkrycia, jak dokładnie różne zmienne wpływają na pojemność, wewnętrzną rezystancję i napięcie w otwartym obwodzie akumulatora. Przyszłość rysuje się w pozytywnych barwach, ponieważ coraz więcej firm tworzy własne rozwiązania z zakresu oprogramowania, które pozwalają inżynierom lepiej zrozumieć akumulatory IoT. Już dziś dostępnych jest wiele rozwiązań, jednak dalszy rozwój urządzeń IoT będzie oznaczał również zwiększone zapotrzebowanie na rozwiązania do analizowania ich akumulatorów. Teraz wystarczy tylko czekać i zachwycać się kolejnymi produktami z oferty Tektronix, Keysight i innych twórców oprogramowania.

Źródło:Elfa Distrelec