Czujniki bezprzewodowe i problem długości życia baterii

Tabela 1. Typowe wartości natężenia prądu i parametrów czasowych

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 to nie pozwalają dostatecznie szczegółowo przeanalizować dynamicznego poboru prądu.

Nowa, opatentowana technologia bezprzerwowego pomiaru prądu w połączeniu z rejestracją danych w długim okresie 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.

Podczas projektowania czujnika bezprzewodowego zasilanego bateryjnie można napotkać wiele wyzwań związanych z zapewnieniem wykonania przez niego określonego zadania w rozsądnie długim 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 pobór mocy. Najczęściej występujące typy 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 tę najprostszą metodę wydłużenia czasu pracy.

Jak inżynierowie szacują czas pracy na baterii?

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

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) = zgromadzona energia (Wh) / średni pobór mocy (W)

Ilość zgromadzonej energii można wyrazić poprzez iloczyn napięcia (V) i pojemności ogniwa (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 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%.

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. 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.

Złożoność pomiaru dynamicznego poboru prądu

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

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. Przełączanie trybów pracy skutkuje zmianą natężenia prądu w bardzo szerokim zakresie dynamicznym od mniej niż µA do 100 mA.

Tradycyjne techniki pomiarowe i ich ograniczenia

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

Do pomiaru prądu najczęściej wykorzystuje się multimetr cyfrowy. Dokładność pomiaru uzyskiwana za pomocą nowoczesnych multimetrów pozornie wydaje się 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 być 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 off setu 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 oscyloskop. Jednak mierzone natężenie prądu jest na poziomie kilkudziesięciu mA, tak więc sondy prądowe nie zapewnią tu wymaganej dokładności ze względu na 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

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

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 off setu 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.

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 s 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, niewykazujący utraty żadnych próbek pomiędzy okresami całkowania (ciągła rejestracja oznacza, że wszystkie próbki są przyporządkowywane do bieżącego lub następnego okresu całkowania). Korzystając z rejestratora danych, można mierzyć natężenie prądu i pobór energii czujników bezprzewodowych przez nawet 1000 godzin.

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 czasie; 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. Po dodaniu 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 pytanie "Czy lepiej wysyłać dane co sekundę, a może co 5 lub co 10 s?". Można też 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

Rys. 5. Oprogramowanie Keysight 14585A umożliwia pomiar energii bezpośrednio 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 tę jednostkę, gdyż wymaga to przeliczania napięcia, prądu i czasu.

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.

AM Technologies
www.amt.pl