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.

---

Возможно, захочется почитать и это:

• ➤ Скромное обаяние ClimateGuard CG Mini
• ➤ Простая гравировка для дома: электрический карандаш
• ➤ Гиковский КПК за копейки: как китайцы сделали ARM-ноутбук за 40$ с железом от… навигатора?
• ➤ Что такое гексагональная архитектура. Разделение бизнес-логики и инфраструктуры с помощью портов и адаптеров
• ➤ История создания Metal Gear Solid