Как правильно измерить энергопотребление модулей беспроводной связи в эпоху низкого энергопотребления?: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Низкое энергопотребление - чрезвычайно важное понятие в Интернете вещей. Большинство узлов Интернета вещей нуждаются в питании от батарей. Только правильно измерив энергопотребление беспроводного модуля, мы сможем точно оценить, сколько батареи необходимо для 5-летнего срока службы батареи. Эта статья объяснит вам подробные методы измерения.

Во многих приложениях Интернета вещей оконечные устройства обычно питаются от батарей и имеют ограниченную доступную мощность. Из-за саморазряда батареи фактическое потребление электроэнергии в худшем случае составляет всего около 70% от номинальной мощности. Например, обычно используемая кнопочная батарея CR2032, номинальная емкость одной батареи составляет 200 мАч, а фактически можно использовать только 140 мАч.

Поскольку мощность аккумулятора настолько ограничена, важно снизить энергопотребление продукта! Давайте посмотрим на наиболее часто используемые методы измерения энергопотребления. Только когда эти методы измерения энергопотребления будут понятны, можно будет оптимизировать энергопотребление продукта.

Шаг 1. Во-первых, измерение энергопотребления

Тест энергопотребления беспроводного модуля в основном предназначен для измерения тока, и здесь он разделен на два различных теста: ток покоя и динамический ток. Когда модуль находится в спящем или ждущем состоянии, поскольку ток не изменяется, сохраняйте статическое значение, мы называем это током покоя. В настоящее время мы можем использовать традиционный мультиметр для измерения, просто нужно подключить мультиметр последовательно к контакту источника питания, чтобы получить требуемое значение измерения, как показано на рисунке 1.

Шаг 2:

При измерении тока эмиссии в нормальном рабочем режиме модуля общий ток находится в состоянии изменения из-за короткого времени, необходимого для передачи сигнала. Мы называем это динамическим током. Время отклика мультиметра низкое, трудно уловить изменяющийся ток, поэтому вы не можете использовать мультиметр для измерения. Для изменения тока необходимо использовать осциллограф и токовый пробник для измерения. Результат измерения показан на рисунке 2.

Шаг 3. Во-вторых, расчет срока службы батареи

Беспроводные модули часто имеют два режима работы: рабочий и спящий, как показано на Рисунке 3 ниже.

Шаг 4:

Приведенные выше данные получены для нашего продукта LM400TU. Согласно приведенному выше рисунку интервал передачи между двумя пакетами передачи составляет 1000 мс, и рассчитывается средний ток:

Другими словами, средний ток составляет около 2,4 мА за 1 секунду. Если вы используете блок питания CR2032, в идеале вы можете использовать около 83 часов, около 3,5 дней. Что, если мы увеличим рабочее время до одного часа? Точно так же по приведенной выше формуле можно рассчитать, что средний ток в час составляет всего 1,67 мкА. Эта же секция батареи CR2032 может поддерживать работу оборудования 119, 760 часов, около 13 лет! Из сравнения двух приведенных выше примеров увеличение временного интервала между отправкой пакетов и увеличение времени ожидания может снизить энергопотребление всей машины, так что устройство может работать дольше. Вот почему продукты для считывания беспроводных счетчиков обычно используются в течение длительного времени, поскольку они отправляют данные только один раз в день.

Шаг 5. В-третьих, общие проблемы с питанием и их причины

Чтобы обеспечить низкое энергопотребление продукта, помимо увеличения времени интервала между пакетами, также снижается потребление тока самим продуктом, то есть Iwork и ISleep, упомянутыми выше. В нормальных условиях эти два значения должны соответствовать паспорту микросхемы, но если пользователь не будет использовать их должным образом, могут возникнуть проблемы. Когда мы проверили ток излучения модуля, мы обнаружили, что установка антенны сильно повлияла на результаты теста. При измерении с помощью антенны ток продукта составляет 120 мА, но если антенна откручивается, испытательный ток возрастает почти до 150 мА. Аномалия энергопотребления в этом случае в основном вызвана несоответствием RF-конца модуля, что приводит к ненормальной работе внутреннего PA. Поэтому мы рекомендуем клиентам пройти тест при оценке беспроводного модуля.

В предыдущих расчетах, когда интервал передачи становится все длиннее и длиннее, рабочий цикл рабочего тока становится все меньше и меньше, и самым большим фактором, влияющим на энергопотребление всей машины, является ISleep. Чем меньше ISleep, тем дольше будет срок службы продукта. Это значение, как правило, близко к паспорту чипа, но мы часто сталкиваемся с большим количеством тока сна в тесте обратной связи с клиентами, почему?

Эта проблема часто вызвана конфигурацией MCU. Средняя потребляемая мощность одного микроконтроллера может достигать уровня мА. Другими словами, если вы случайно пропустите или не соответствуете состоянию порта ввода-вывода, это может разрушить предыдущую конструкцию с низким энергопотреблением. Давайте возьмем небольшой эксперимент в качестве примера, чтобы увидеть, насколько сильно проблема.

Шаг 6:

В процессе тестирования, показанном на рисунках 4 и 5, тестовый объект - это один и тот же продукт, и такая же конфигурация представляет собой спящий режим модуля, что, очевидно, позволяет увидеть разницу в результатах тестирования. На рис. 4 все входы-выходы настроены для понижающего или повышающего входного напряжения, а проверенный ток составляет всего 4,9 мкА. На рисунке 5 только два входа-выхода сконфигурированы как плавающие входы, а результат теста - 86,1 мкА.

Если рабочий ток и продолжительность, показанные на Рисунке 3, остаются постоянными, интервал передачи составляет 1 час, что приводит к различным расчетам тока сна. По результатам рис. 4 средний ток в час составляет 5,57 мкА, а согласно рис. 5 - 86,77 мкА, что примерно в 16 раз. Кроме того, при использовании батарейного источника питания CR2032 емкостью 200 мАч продукт в соответствии с конфигурацией, показанной на Рисунке 4, может нормально работать около 4 лет, а в соответствии с конфигурацией на Рисунке 5 этот результат составляет всего около 3 месяцев! Как видно из приведенных выше примеров, для увеличения продолжительности использования беспроводного модуля необходимо соблюдать следующие принципы проектирования:

1. При условии удовлетворения прикладных требований заказчиков максимально увеличить интервал отправки пакетов и снизить рабочий ток в течение рабочего периода;

2. Статус ввода-вывода MCU должен быть правильно настроен. Микроконтроллеры разных производителей могут иметь разные конфигурации. Обратитесь к официальным данным за подробностями.

LM400TU - это базовый модуль LoRa с низким энергопотреблением, разработанный ZLG Zhiyuan Electronics. Модуль разработан с использованием технологии модуляции LoRa, полученной из военной системы связи. Он сочетает в себе уникальную технологию обработки, расширяющую спектр, для идеального решения небольших объемов данных в сложной среде. Проблема сверхдальней связи. Модуль прозрачной передачи сети LoRa включает самоорганизующийся протокол прозрачной передачи сети, поддерживает самоорганизующуюся сеть пользователя с помощью одной кнопки и предоставляет специальный протокол считывания показаний счетчиков, протокол CLAA и протокол LoRaWAN. Пользователи могут напрямую разрабатывать приложения, не тратя много времени на протокол.