Systemy dla Internetu Rzeczy (60). Profilowanie mocy z zastosowaniem Power Profiler Kit II

Power Profiler Kit II (PPK2) to samodzielny układ, który bez zewnętrznego sprzętu może mierzyć i opcjonalnie dostarczać prądy od poniżej pojedynczych μA do 1 A [3]. Jest zasilany za pomocą standardowego złącza USB 5 V przy dostarczaniu prądu do 400 mA. Dla uzyskania większego prądu potrzebne jest dodatkowe zasilanie poprzez drugie złącze USB [4]. Rozdzielczość pomiarowa PPK2 jest wystarczająco wysoka, aby możliwe było zmierzenie niskich prądów uśpienia, wyższych prądów aktywnych, a także krótkich szczytów prądowych, co często występuje w systemach zoptymalizowanych pod kątem małej mocy.

Zestaw Power Profiler II

Płytka drukowana zestawu PPK2 ma naniesiony na niebieskie tło bardzo czytelny opis (fotografia 1). Elementy elektroniczne na odwrotnej stronie płytki drukowanej są zabezpieczone przezroczystą plastikową obudową.

Fotografia 1. Wygląd płytki PPK2 (widok z góry) [3]

Razem z płytką są dostarczane dwa przewody:

• Kabel czterożyłowy – przeznaczony do dołączania zasilania badanego urządzenia (DUT, Device Under Test). Dołączany do złącza P1 (bez nazwy) po lewej stronie płytki (zdjęcie tytułowe) [3];
• Kabel dziesięciożyłowy – przeznaczony do dołączania wejściowych sygnałów cyfrowych. Dołączany do złącza P2 (LOGIC PORT).

Do obsługi PPK2 została przygotowana aplikacja Power Profiler działająca w ramach platformy nRF Connect for Desktop [4].

Rysunek 1. Schemat płytki drukowanej PPK2 (widok od dołu) [4]

PPK2 ma kilka złączy i wyłącznik (rysunek 1):

• Złącze P1 (nie ma nazwy, w poprzedniej wersji PPK było to Eksternal DUT) przeznaczone do dołączania zasilania zewnętrznego układu mierzonego zasilanego napięciem 0,8...5 V (rysunek 1, na dole po prawej). Styki złącza mają następujące funkcje:

1. GND, masa dla dołączanego układu mierzonego;
2. VOUT, dodatni zacisk wyprowadzenia zasilania dla dołączanego układu mierzonego;
3. VIN, dodatni zacisk pomiaru prądu wpływającego (tylko do pracy w trybie Ampere Meter);
4. GND, masa dla dołączanego układu mierzonego.

• Złącze P2 (LOGIC PORT) przeznaczone do dołączania sygnałów cyfrowych (wejście) 1,6...5,5 V (pasmo 50 kHz). Styki złącza mają następujące funkcje:
  1...8 – D0...D7, wejście sygnałów cyfrowych;
  9 – VCC, dodatni zacisk wyprowadzenia zasilania dla dołączanego układu mierzonego;
  10 – GND, masa dla dołączanego układu mierzonego.
• Złącze J2 (USB DATA/POWER) przeznaczone do dołączania zasilania i komunikacji z komputerem PC. Komunikacja USB (ACM) jest obsługiwana przez port USB układu scalonego nRF52840.
• Złącze J1 (USB POWER ONLY) przeznaczone do dołączania dodatkowego zasilania do PPK2 (konieczne tylko do pracy w trybie Source Meter Unit dla prądu >400 mA). Wymaga zasilacza o wydajności powyżej 1 A. Po podaniu zasilania na złącze J1 następuje automatyczne przełączenie poboru zasilania ze złącza J2 na J1.
• Wyłącznik SW1 (POWER ON/OFF) – główny wyłącznik zasilania PPK2. Obsługuje jednocześnie wejście zasilania z obu gniazdek USB.

Do układu nRF52840 dołączona jest pamięć EEPROM do przechowywania danych kalibracyjnych.

Po obu stronach przezroczystego okna umieszczonego w środku płytki PPK2 są zainstalowane diody LED RGB sterowane przez tranzystory MOS. Kolor świecenia diod sygnalizuje: zielony – stan oczekiwania na połączenie z aplikacją na PC, czerwony – praca w trybie Source Meter Unit, niebieski – praca w trybie Ampere Meter. W trakcie akwizycji danych jasność świecenia diod powoli pulsuje. Pod otwartym polem na lewej krawędzi płytki drukowanej, widocznym na rysunku 1, znajduje się antena w postaci ścieżki na PCB. Puste pola lutownicze elementów dopasowania pozwalają na dołączenie jej do układu scalonego nRF52840.

Układ pomiarowy

Źródło zasilania układu mierzonego jest wybierane przez tranzystory MOSFET pomiędzy zaciskiem wejściowym VIN lub wewnętrznym regulatorem napięcia VLDO (regulator Buck-Boost + LDO). Następnie poprzez przełączane rezystory pomiarowe jest podawane do zacisku wyjściowego VOUT. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym jest podawany na wzmacniacz pomiarowy i na wejście przetwornika ADC układu scalonego nRF52840. Cztery komparatory dołączone do tego sygnału wyznaczają pięć różnych zakresów pomiarowych, którymi zarządza automatyczny obwód przełączający.

Do złącza P2 (LOGIC PORT) dołączony jest translator poziomu FXMA108 (ONsemi). Brak dołączenia sygnału wejściowego traktowany jest jako poziom wysoki. Przy próbkowaniu 100 kHz umożliwia to akwizycję sygnału cyfrowego do 50 kHz. Urządzenie testowane musi być zasilane napięciem 1,6...5,5 V (strona wejściowa translatora poziomu).

Tryby pracy PPK2

PPK2 obsługuje dwa tryby pracy. Mają one symboliczne oznaczenia na górze płytki zestawu (fotografia 1) jako AMP i SMU. Tryby pracy są wybierane w aplikacji Power Profiler pakietu nRF Connect for Desktop (opis dalej).

PPK2 może pracować w dwóch trybach:

• Ampere Meter – AMP (tryb amperomierza) – PPK2 mierzy prąd wpływający do zacisku VIN złącza DATA/POWER (J2). Napięcie wejściowe musi być z zakresu 0,8–5,0 V, a prąd do 1 A. Prąd wypływający z zacisku VOUT złącza DATA/POWER (J2) jest dostarczany do badanego urządzenia (DUT). Ten tryb pracy jest sygnalizowanu świeceniem diod LED na niebiesko.
• Source Meter Unit – SMU (tryb zasilacza) – PPK2 dostarcza i mierzy zasilanie do zewnętrznego układu poprzez zacisk VOUT złącza DATA/POWER (J2). Napięcie wyjściowe jest ustawiane w aplikacji Power Profiler w zakresie od 0,8 V do 5,0 V. Dla prądu wyjściowego do 400 mA wystarczy dołączyć kabel USB do złącza J2 (USB DATA/POWER). Dla większego prądu należy do złącza J1 (USB POWER) dołączyć zasilacz USB o wydajności co najmniej 1 A. Ten tryb pracy jest sygnalizowany świeceniem diod LED na czerwono.

Podstawowe parametry PPK2

Zestaw Power Profiler Kit II charakteryzuje się następującymi cechami i parametrami:

• jest samodzielnym urządzeniem obsługiwanym przez interfejs USB,
• zakres pomiaru prądu zawiera się w przedziale od 200 nA do 1 A,
• rozdzielczość pomiaru wynosi od 100 nA do 1 mA w zależności od zakresu pomiarowego,
• praca jako amperomierz oraz zasilacz (z pomiarem),
• szybkie próbkowanie 100 ksps,
• obsługiwany zakres napięcia: 0,8...5 V, obciążenie maks. 1 A,
• 8 wejść cyfrowych tolerujących sygnały o amplitudzie 1,6...5,5 V umożliwia pracę jako analizator logiczny,
• obsługiwany przez aplikację Power Profiler pakietu nRF Connect for Desktop

Aplikacja nRF Connect for Desktop

Aplikacja nRF Connect for Desktop to platforma narzędziowa wspomagająca pracę z układami nRF firmy Nordic Semiconductor [1]. Zawiera wiele aplikacji do testowania, monitorowania, mierzenia, optymalizacji i programowania aplikacji [2]. Aplikacje wykrywają, który zestaw został podłączony do komputera i przesyłają (programują) potrzebne oprogramowanie. Aplikacja Power Profiler, używając PPK2, może wyświetlać w tym samym oknie zarówno średnie czasy akwizycji, jak i zdarzenia o wysokiej rozdzielczości. Zmierzone dane można wyeksportować do dalszej obróbki [4].

Instalacja pakietu przebiega według następującego schematu:

1. Pobierz program nRF Connect for Desktop ze strony produktu (zakładka Downloads) [1]. Do wyboru są wersje dla trzech systemów operacyjnych: Windows, Linux oraz macOS. Dla systemu Windows obecnie jest dostępna wersja 3.11.0 – nrfconnect-setup-3.11.0.exe (172 MB).
2. Zainstaluj program, to spowoduje zainstalowanie na komputerze sterowników dla nRF52840 USB Device Firmware Upgrade (DFU). Uwaga: Dodatkowo instalowane są sterowniki układu SEGGER J-Link. Jest to wykonywane w osobnym oknie, najczęściej ukrytym pod innymi oknami na pulpicie komputera.
3. Uruchom program nRF Connect for Desktop.
4. Kliknij na przycisk Install dla aplikacji Power Profiler i czekaj na zakończenie instalowania, aż pojawi się napis Open (rysunek 2).

Rysunek 2. Aplikacja nRF Connect for Desktop z zainstalowaną aplikacją Power Profiler

Praca z PPK2

Zainstalowanie pakietu nRF Connect for Desktop oraz aplikacji Power Profiler powoduje zainstalowanie na komputerze odpowiednich sterowników i obrazów oprogramowania firmowego. Aby rozpocząć pracę z zestawem, należy wykonać następujące kroki:

P1. Kablem microUSB dołącz złącze USB DATA/POWER (J2) zestawu PPK2 do złącza USB komputera. Przesuń wyłącznik POWER (SW1) na pozycję ON. Diody LD3...4 zestawu zaczną pulsować na zielono.

P2. W polu Power Profiler aplikacji nRF Connect kliknij na przycisk Open. Zostanie wyświetlone okno startowe aplikacji Power Profiler (rysunek 3).

Rysunek 3. Okno aplikacji Power Profiler po rozpoczęciu działania

P3. Kliknij na przycisk Select devices. Na menu rozwijanym pokazywany jest numer seryjny zestawu.

P4. Kliknij na linię z numerem zestawu. Jeśli pojawi się informacja o konieczności wykonania aktualizacji oprogramowania firmowego zestawu, to należy ją koniecznie wykonać. W trakcie aktualizacji błyskają diody LED zestawu.

W polu głównym aplikacji Power Profiler pokazywany jest teraz panel boczny (panel sterowania), pole wykresu zakładki DATA LOGGER oraz okno logo (na dole). Przyciski na dolnym pasku okna aplikacji pozwalają na wyłączenie widoczności panelu bocznego oraz okna wykresu (rysunek 4).

Rysunek 4. Okno aplikacji Power Profiler po wyborze zestawu PPK2 i trybu pracy Source Meter

Na górze panelu bocznego jest pole wyboru napięcia pracy oraz włącznik podawania napięcia na układ mierzony. Na dole panelu bocznego są przyciski wyboru kanału cyfrowego oraz przycisk włączania widoczności jego wykresu. Poniżej są przyciski do umożliwienia wykonania zapisu danych do pliku (w formacie csv lub natywnym ppk) oraz zapisu obrazu okna aplikacji w formacie png.

Aplikacja Power Profiler ma dwa widoki, które dostarczają szczegółowych informacji o zużyciu energii:

• Data Logger – widok rejestratora danych, umożliwia ciągłe badanie mocy za wybrany okres. Przyciski powyżej wykresu pozwalają na wybranie kilku okresów: 10/100 ms, 1/3/10 s oraz 1 min. Sygnały cyfrowe są widoczne w sekcji wykresów pod wykresem bieżącego pomiaru. W środku panelu jest możliwość ustawienia częstotliwości próbkowania oraz czasu rejestrowania próbek.
• Real Time – widok w czasie rzeczywistym, który działa podobnie do oscyloskopu. Kreśli odpowiedni odcinek czasu, w którym zużyta moc osiągnie ustawiony poziom wyzwalania. Wewnątrz panelu jest możliwość ustawienia czasu okna rejestrowania próbek oraz poziomu wyzwalania i trybu pracy: ciągły/pojedynczy.

P5. Wybierz odpowiedni tryb pracy, np. Source Meter (diody LD3...4 zestawu zaczną świecić na czerwono). Dla trybu Ampere Meter (diody LD3...4 zestawu zaczną świecić na niebiesko).

P6. Ustaw odpowiednie napięcie dostarczane przez moduł PPK2 na złącze Eksternal DUT (np. 3300 mV).

Praca z zestawem LaunchPad SensorTag kit (LPST)

W celu zbadania poboru mocy procesora CC1352R z obsługą komunikacji w standardzie BLE5 zastosuj zestaw CC1352R1 LaunchPad SensorTag (LPSTK) z zaprogramowaną aplikacją Multi Sensor [S33]. Zestawu LPSTK można użyć w konfiguracji fabrycznej, bez baterii i dołączonego emulatora XDS (fotografia 2). Wyłącznik zasilania SW3 może być w dowolnym położeniu.

Fotografia 2. Płytka zestawu LaunchPad SensorTag

P7. Podłącz przewód z zestawu PPK2 (4 wyprowadzenia) do złącza P1 (nie ma nazwy) po lewej (fotografia 3).

Fotografia 3. Płytka PPK2 z dołączonymi przewodami do złącza P1 oraz P2

P8. Dołącz przewód wyprowadzenia GND (zacisk „–”) złącza Eksternal DUT do wyprowadzenia „GND” złącza J2.4 zestawu LaunchPad SensorTag (rysunek 5).

P9. Dołącz przewód VOUT (zacisk „+”) wyprowadzenia zasilania złącza Eksternal DUT do wyprowadzenia „VDD” złącza J2.1 zestawu LaunchPad SensorTag (rysunek 5).

Rysunek 5. Złącze rozszerzeń w standardzie BoosterPack zestawu LaunchPad SensorTag

P10. W polu Power Profiler przesuń przełącznik Enable power output aplikacji w prawo (ON).

P11. Kliknij na przycisk Start. Spowoduje to rozpoczęcie zbierania danych do bufora i rozpocznie ich pokazywanie na wykresie. Wyświetlanie wartości prądu może być wykonywane z rozdzielczością czasową do 10 μs. Czasami zbieranie danych się nie rozpocznie i aplikacja powraca do okna startowego. Należy wtedy ponownie kliknąć na przycisk Select devices i wybrać numer seryjny zestawu. Aplikacja Power Profiler umożliwia zapisywanie wykresu w postaci pliku png oraz zebranych danych w postaci piku csv.

Rysunek 6. Pomiar prądu zasilania procesora CC1352R1 zestawu LaunchPad SensorTag

Zestaw LPSTK jest dostarczany z fabrycznie zainstalowanym programem o nazwie Multi Sensor [S52]. Program obsługuje transmisję bezprzewodową Bluetooth LE. W wykresie poboru prądu występowały niezrozumiałe oscylacje od sporej wartości (rysunek 6). Dołączenie wejścia cyfrowego D0 (P2.1) PPK2 do wyprowadzenia DIO21 złącza J2.15 zestawu LaunchPad SensorTag (rysunek 5) pozwoliło na zidentyfikowanie okresów świecenia diody niebieskiej zestawu LPSTK.

Rysunek 7. Pomiar parametrów zasilania procesora CC1352R1 zestawu LaunchPad SensorTag

Po zatrzymaniu rejestracji można wykres rozciągać oraz wykonywać pomiary na wybranym fragmencie. Rozciągnięcie wykresu ujawniło zastosowanie modulacji PWM (okres 290 μs) do ustawienia poziomu świecenia diody LED (rysunek 7). Pobór prądu przez tę diodę jest bardzo duży, od 2 mA (min) do 4,52 mA (max.), średnia 3,31 mA. Bardziej istotny jest jego impulsowy charakter.

Praca z zestawem CC1352R1 LaunchPad

W celu zbadania poboru mocy procesora CC1352R z obsługą komunikacji w standardzie BLE5 zastosuj zestaw CC1352R1 LaunchPad z zaprogramowaną fabryczną aplikacją ProjectZero [S15].

P12. Nie dołączaj kabla USB do zestawu CC1352R1 LaunchPad.

P13. Na płytce zestawu CC1352R1 LaunchPad usuń 8 zworek ze złącza P4.7...P4.22. Spowoduje to odłączenie układu scalonego procesora od XDS110 (rysunek 8).

Rysunek 8. Złącze P4 zestawu CC1352R1 LaunchPad

P14. Dołącz przewód wyprowadzenia GND (zacisk „–”) złącza Eksternal DUT do wyprowadzenia „GND” złącza P1.3 zestawu CC1352R1 LaunchPad (rysunek 9).

Rysunek 9. Złącze zasilania P1 (po prawej) zestawu CC1352R1 LaunchPad

P15. Dołącz kabelek VOUT (zacisk „+”) wyprowadzenia zasilania złącza Eksternal DUT do wyprowadzenia „3V3” złącza P1.1 zestawu CC1352R1 LaunchPad.

P16. Przesuń przełącznik „Enable power output” aplikacji Power Profiler w prawo (ON).

P17. Kliknij na przycisk Start.

Przykładowy przebieg poboru prądu w trakcie ramki transmisji BLE został pokazany na rysunku 10. Aplikacja ProjectZero jest bardzo zoptymalizowana pod względem minimalizacji poboru mocy. W okresach bezczynności układ scalony CC1352R jest usypiany. Obniża to pobór mocy do niskiego poziomu 74 μA (średnio).

Rysunek 10. Pomiar parametrów prądu zasilania procesora CC1352R1 zestawu CC1352R1 LaunchPad

Podsumowanie

Zestaw PPK2 prezentuje duży postęp w stosunku do poprzedniej wersji [S29]. Pozwala na łatwe, szybkie i dokładne pomiary dynamiczne zasilania układu IoT. Istotną cechą jest praca samodzielna oraz stosunkowo niska cena. Pewnym utrudnieniem jest dosyć skąpa dokumentacja. W zasadzie jedyne informacje zawiera podręcznik dla PPK2 [4]. Tam można się dowiedzieć, jak zainstalować i uruchomić oprogramowanie oraz jak ogólnie jest zbudowany zestaw PPK2. Brak dokładniejszych informacji o funkcjonowaniu przycisków aplikacji, a zamieszczone opisy są nieaktualne (np. o kalibracji).

Unikalną i największą zaletą PPK2 jest możliwość synchronizacji przebiegu poboru prądu ze stanami wyjść cyfrowych badanego układu IoT. To bardzo ułatwia (i wręcz umożliwia) interpretację uzyskanych wyników.

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska