Средства мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем

УДК 621.37

А. О. Киреев, А. В. Светлов СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОНОМНЫХ МИКРОМОЩНЫХ СИСТЕМ

Аннотация. Рассмотрены ключевые особенности энергопотребления автономных цифровых устройств. Предложена структура датчика тока как основа построения современных средств мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем. Рассчитаны параметры и проведено моделирование статического режима работы датчика тока.

Ключевые слова: энергопотребление, энергоэффективность, микромощные системы, беспроводные сенсорные сети, автономные системы, датчик тока.

Abstract. The key aspects of power consumption of self-contained digital devices are described. The structure of current sensor as а basics of up-to-date devices for monitoring and analysis power consumption modes of self-contained micropower systems are proposed. The characteristics of current sensor static mode are calculated and the modeling are conducted.

Keywords: power consumption, power efficient, micropower systems, wireless sensor networks, self-contained systems, current sensor.

Введение

При разработке автономных цифровых систем пониженное энергопотребление является одним из ключевых конкурентных преимуществ на рынке. Этому способствует несколько факторов. Первый из них - дальнейшая миниатюризация устройств возможна только в условиях непрерывного повышения энергоэффективности. Пространство, необходимое для размещения батарей, становится все более ограниченным, в то время как срок службы устройств с батарейным питанием увеличивается. Однако удельная энергетическая плотность современных химических источников тока растет весьма медленно, и дополнительным сдерживающим условием становится вопрос безопасной эксплуатации батарей высокой энергоемкости [1].

Вторым фактором, требующим от автономных устройств пониженного энергопотребления, являются вероятные эксплуатационные расходы. Для большинства устройств с батарейным питанием при длительном сроке службы устройства замена источников питания может существенно влиять на общую стоимость эксплуатации. Это особенно важно в приложениях, где замена батарей затруднительна или сопряжена с высокими трудозатратами на обслуживание.

1. Особенности энергопотребления современных автономных систем

Современные автономные системы, к которым относятся и все активнее используемые беспроводные сенсорные сети, еще более повышают требования к эффективному управлению энергопотреблением [2]. Характерной чертой таких систем является адаптивность к параметрам объекта измерения, а также параметрам окружающей среды. Это стало возможным благодаря появлению элементной базы, способной динамически менять режимы работы,

а также повсеместному внедрению микропроцессорных систем, работающих под управлением сложных программных продуктов. Энергопотребление современных цифровых автономных устройств является динамической величиной с диапазоном изменения порядка 120 дБ (например, от 1 мкА в режиме ожидания, до 1 А в режиме передачи данных по радиоканалу). Следует отметить и тот факт, что длительность нахождения устройства в каждом из режимов может быть достаточно малой и исчисляться десятками и сотнями микросекунд [3]. Измерение энергопотребления таких систем представляет сложную задачу и не может быть выполнено стандартными средствами измерений, применение которых возможно лишь для приближенных оценок. Помимо тестирования уже законченных систем, реальная информация о профиле энергопотребления необходима для разработчиков, так как в этом случае они получают возможность оценить эффективность не только аппаратной части, но и предложенных ими алгоритмов работы и программных решений, которые для современных устройств оказывают решающее влияние на энергетическую эффективность системы в целом.

Существующие специализированные микросхемы для измерения тока [4] имеют ряд ограничений, обусловленных сферами их применения - в подавляющем большинстве случаев это контроль заряда/разряда батарей питания и обнаружение состояния короткого замыкания. Поэтому они имеют низкую частоту выборок (~0,9 с, как, например, у прецизионной микросхемы DS2740) и (или) низкое разрешение по амплитуде измеряемого тока. Кроме того, параметры таких интегральных схем, как правило, жестко заданы и не допускают динамической регулировки при проведении измерений.

2. Концепции построения систем мониторинга и анализа энергопотребления

Существует несколько концепций [5] построения информационноизмерительных систем, позволяющих решить данную задачу: это сложные лабораторные аппаратно-программные комплексы на базе оборудования фирмы National Instruments [6], а также автономные, полностью аппаратные решения. Они отличаются по точности измерений и способу их дальнейшей обработки, функциональным возможностям и сферам применения. Тем не менее в их основе лежит единый датчик тока, во многом определяющий точностные параметры измерительной системы в целом. В основу датчика положен известный принцип измерения тока по падению напряжения на токоизмерительном резисторе известного сопротивления, включенного последовательно с нагрузкой. Затем сигнал усиливается прецизионным измерительным усилителем.

Существующие варианты включения измерительного шунта - в общей шине или шине питания - имеют свои достоинства и недостатки. К преимуществам первого варианта следует отнести низкое синфазное входное напряжение и единую «землю» входного и выходного сигнала, что облегчает его дальнейшую обработку и способствует повышению точности измерений. Учитывая, что для решения данной задачи не требуется обнаружение состояния короткого замыкания (возможно при втором варианте включения шунта), оптимальной будет являться схема измерения в общей шине.

Выбор операционного усилителя для данной измерительной задачи определяется многими факторами. Общими требованиями являются малые на-

пряжение смещения и дрейф нуля, высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), высокая точность установки и линейность коэффициента усиления (Кус). Импульсный характер тока потребления цифровых систем [7] диктует необходимость высокой скорости нарастания выходного сигнала и малое время установления Кус. Отдельно следует выделить возможность регулировки Кус, необходимой при широком динамическом диапазоне входного сигнала. В современных измерительных усилителях используются несколько принципов регулировки Кус: по цифровому последовательному интерфейсу (SPI, I2C и т.д.), цифровым кодом и внешним резистором.

Регулирование по последовательному интерфейсу обеспечивает необходимую гибкость в управлении и не требует дополнительных внешних элементов. Однако скорость записи по последовательным интерфейсам (для операционных усилителей), как правило, низка и вносит существенную дополнительную задержку (десятки и сотни микросекунд) в установление нового значения Кус, что неприемлемо при решении данной задачи. Регулирование цифровым кодом не имеет указанного недостатка, но вместе с тем выбор Кус ограничен всего несколькими (чаще 4-6) значениями, что лишает измерительную систему необходимой гибкости. Установка Кус с помощью внешнего резистора представляется наиболее предпочтительной, так как появляется возможность устанавливать достаточное количество необходимых значений Кус с точностью, определяемой только внешними резистивными элементами (с учетом того, что собственная погрешность Кус инструментальных усилителей не превышает десятых долей процента).

3. Разработка структурной схемы датчика тока для систем мониторинга и анализа энергопотребления

Несмотря на разнообразие современной элементной базы, существует ограниченное количество операционных усилителей, обладающих требуемыми параметрами. Среди них следует выделить микросхемы двух крупнейших производителей: AD8221BR (Analog Devices) и INA129 (Burr-Brown Products for Texas Instruments), отвечающих перечисленным выше требованиям. Они обладают следующими практически идентичными параметрами (по

спецификации на АБ8221ВЯ):

Напряжение смещения по входу.......................25 мкВ.

Дрейф нуля.........................................0,3 мкВ/°С.

КОСС (по постоянному току, Кус = 1)................90 дБ.

КОСС (на частоте 10 кГц, Кус = 1)..................80 дБ.

Шум, приведенный ко входу (Кус > 100)..............0,25 мкВ.

Фликкер-шум (0,1...10 Гц)..........................8 нВ/^Гц.

Диапазон регулировки Кус...........................1.1000.

Погрешность установки Кус (Кус > 10)...............0,15 %.

Нелинейность Кус (Кус = 100).......................15 • 10_б.

Время установления Кус (0,01 %, Кус < 100).........10 мкс.

Скорость нарастания выходного сигнала..............2,5 В/мкс.

Полоса пропускания (Кус = 100).....................100 кГц.

Различия этих интегральных схем минимальны: ША129 обладает большей полосой пропускания входного сигнала, однако у нее хуже шумовые

параметры, ниже точность установки Кус и меньше значение КОСС. Таким образом, окончательный выбор сделан в пользу микросхемы AD8221BR. Обобщенная структурная схема датчика тока (для автономного варианта исполнения) приведена на рис. 1. В случае применения оборудования National Instruments функции управляющего микроконтроллера и АЦП совмещает в себе плата ввода-вывода.

-К АЦП

Рис. 1. Обобщенная структурная схема датчика тока: МК - микроконтроллер, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ОУ - операционный усилитель АЭ8221ВК, Rs - измерительный шунт, RG - резистор, определяющий

коэффициент усиления К

ус

Управление резистором RG , определяющим коэффициент усиления ОУ, может быть осуществлено несколькими методами. Один из них - это использование цифровых потенциометров, позволяющих устанавливать произвольный коэффициент усиления в диапазоне 1.1000 (например, AD5293 от Analog Devices). Возможно также решение с применением набора прецизионных резисторов, переключение между которыми осуществляется с помощью быстродействующих ключей с малым сопротивлением в замкнутом состоянии.

Использование программно управляемого коэффициента усиления является необходимым шагом при создании измерительных систем подобного типа. Тем не менее диапазон Кус = 1...1000 является недостаточным при динамическом диапазоне входного сигнала порядка 120 дБ и накладывает высокие требования к разрешающей способности последующего аналогоцифрового преобразователя. Для решения данной проблемы было предложено использовать переменный токоизмерительный шунт Rs . Как известно, для минимизации влияния токоизмерительного шунта его сопротивление должно быть как можно меньше, однако для большинства практических применений в сфере решаемой задачи достаточно выбрать значение Rs < 0,0 ^хемы, где ^хемы - значение сопротивления исследуемой цифровой схемы в момент измерения. Все сказанное выше относительно способов реализации управ-

ляемого переменного сопротивления Rg относится и к шунту Rs . Однако требуемое малое значение Rs делает невозможным применение цифровых потенциометров, минимальное сопротивление которых составляет десятки Ом. Таким образом, наиболее приемлемым представляется вариант с использованием набора прецизионных резисторов, переключаемых с помощью быстродействующих ключей с низким сопротивлением в замкнутом состоянии.

Минимальные значения сопротивления шунта Rs , как будет указано ниже, составляют доли Ома. Следовательно, для сохранения необходимой точности дальнейших преобразований сопротивление ключа в замкнутом состоянии не должно превышать единиц миллиом. В связи с отсутствием готовых ключей в интегральном исполнении с требуемыми характеристиками было предложено использовать ключевые схемы на мощных полевых транзисторах, обладающих низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии. Например, для транзистора IRLU3717

сопротивление ^ток-исток = 4,6...5,5 мОм , при напряжении на затворе

^затвор _ 4,5 В .

На рис. 2 показаны возможные варианты реализации управляемого токоизмерительного шунта.

(j) +U ПИТ ______+ЦпИТ

Исследуемая Управляемый Исследуемая

схема токоизмерительный шунт схема

Rs

а) б)

Рис. 2. Варианты реализации управляемого токоизмерительного шунта: а - последовательное соединение шунтов; б - параллельное соединение шунтов

Параллельное соединение шунтов снижает погрешность, вносимую транзисторными ключами. В этом случае к сопротивлению прецизионного

резистора из набора Rs\...RsN добавляется сопротивление Rcт0к-иcт0к только одного транзистора. В случае последовательного соединения шунтов дополнительное сопротивление, создаваемое ключами, равно ^ - \) • Rcт0к-иcт0к. Однако малое значение и стабильность параметра Rcт0к-иcт0к позволяет нивелировать этот недостаток. Кроме того, схема последовательного соединения шунтов обладает существенным преимуществом - при динамическом управлении ключами всегда существует связь исследуемой схемы с общей шиной по постоянному току. Такое решение позволяет снизить влияние измерительной системы на исследуемую схему и представляется наиболее приемлемым для решения данной задачи.

Сравнительный анализ динамических характеристик и точностных параметров предложенных вариантов управления Rs и RG будет рассмотрен в дальнейших работах.

4. Моделирование датчика тока в системе ОгСЛБ

Очевидно, что для снижения погрешности при динамическом управлении токоизмерительными шунтами их количество следует выбирать как можно меньше, сохранив при этом необходимую линейность Кус измерительного усилителя. С целью минимизации количества измерительных шунтов и оптимизации выбора Кус было проведено схемотехническое моделирование статических режимов работы датчика тока в системе ОгСЛБ [8, 9]. Диапазон измеряемого тока \ А - \ мкА разбивается на декады. Напряжение питания схемы принимается равным Uпит = 3,6 В как типовое для многих автономных микромощ-ных систем. С учетом допустимого соотношения Rs < 0,0\RcXeMЬI получены входные данные для моделирования (табл. \). С учетом неизменности соотношения Rs и RG, ниже представлены результаты моделирования только на одной декаде изменения тока (например, \0 - \ мА). Для остальных диапазонов измеряемого тока полученные параметры измерительного усилителя будут аналогичны.

Таблица \

Входные данные для моделирования статического режима работы датчика тока

Значение тока, мА Эквивалентное сопротивление исследуемой схемы Лсхемы , Ом Сопротивление измерительного шунта Rs, Ом

\000-\00 3,6-36 0,03

\00-\0 36-360 0,3

\0-\ 360-3600 3

\-0,\ 3600-36000 30

0,\-0,0\ 36000-360000 300

0,0\-0,00\ 360000-3600000 3000

На первом этапе моделирования определены уровни насыщения выходного напряжения операционного усилителя. Для этого выбран расширенный диапазон входных токов (в две декады: \00 мА - \ мА) и небольшой коэффициент усиления

Т. Л 49,4 кОм

КуС = 1 + ^------------------------------------= 50,4

RG

при Rq = 1 кОм .

Переменное энергопотребление моделируется изменяющимся сопротивлением исследуемой схемы. Макромодель ОУ AD8221 взята с официального сайта производителя www.analog.com. Входной файл для моделирования в системе OrCAD:

V2 5 0 5vdc **Напряжение питания ОУ

V1 6 0 3.6vdc **Напряжение питания исследуемой схемы

R1 2 3 {Rg} ** Сопротивление резистора Rq .

R2 4 0 1k ** Сопротивление нагрузки по выходу ОУ.

R3 1 0 3 ** Сопротивление измерительного шунта Rs .

R4 6 1 {Rnet} ** Сопротивление исследуемой схемы Хсхемы.

.LIB ad8221.cir

X1 1 0 5 0 4 0 2 3 AD8221

Задание на моделирование:

.PARAM Rg=1000

.PARAM Rnet=36

.dc LIN PARAM Rnet 36 3600 1

Полученная в результате моделирования передаточная характеристика ОУ (рис. 3) позволяет определить границы линейной зоны коэффициента усиления ОУ. Допустимая погрешность Кус устанавливается равной 1 %:

Кус = 50,4 ± 1% = 49,9...50,9 .

При определении границ линейной зоны Кус ОУ (рис. 4) использованы маркерные измерения системы ОгСЛБ. Результаты моделирования:

- верхний порог насыщения ОУ (при Кус = 49,9 ): итах = 3,389 В ;

- нижняя граница линейной области (при Кус = 50,9): итп = 0,967 В .

Рис. 4. Границы линейной зоны передаточной характеристики ОУ:

Цпах - верхний порог насыщения ОУ, ит[п - нижняя граница линейной области

При использовании резисторов с отклонением сопротивления от номинала, не превышающим 1 %, и сохранении необходимого запаса по динамическому диапазону, учитывая

и

шах _

3,389

Цшт 0,967

= 3,5

для перекрытия декады потребуется не более трех поддиапазонов (трех различных значений коэффициента усиления ОУ).

Проведено моделирование на одной декаде изменения тока (/шах = 10 мА, /шш = 1 мА). Из табл. 1: = 3 Ом для декады 10.. .1 мА. Ко-

эффициент усиления Кус, при котором не будет превышен порог насыщения ОУ, равен

и 3 389

^шах _ ^ _ 112 97

Кус = ус /шах • % 0,01 • 3

Соответствующее значение сопротивления резистора ^ из (1) равно 49,4 49400

% =

Кус -1 112,97-1

441,2 Ом.

При использовании набора дискретных прецизионных резисторов выбирается по ряду Е96 ближайшее допустимое значение (большее 441,2 Ом), с учетом некоторого запаса для выходного напряжения ОУ, не превышающего порог насыщения:

49 4

Rg 1 = 464 Ом , Кус = 1 + —— = 107,465,

% _1

где Rq 1 и Кус 1 - параметры первого поддиапазона.

Максимальный ток Imax 2 Для второго поддиапазона:

Imax 2 = ^mm = 0,967 = 2,999 мА.

_2 Кус 1 • Rs 107,465 • 3

Данному значению тока соответствует внутреннее сопротивление схемы:

Rсхемы = =-------3^т3 = 1200 Ом .

-^max_2 2,999 •Ю

Оставляя некоторый запас и принимая R^g^ = 1100 Ом , получаем: Imax 2 = UПИТ = 3,273 мА .

_2 ^хемы 1100 •

С учетом (2) и (3) определяются параметры второго поддиапазона:

49, 4

Rq 2 = 154Ом, Кус 2 = 1 + = 321,779.

RG _2

Аналогично рассчитывается Imax 3 = 1,440 мА (при Лсхемы = 2500 Ом) и определяются параметры третьего поддиапазона:

Rg 3 = 100 Ом , Кус 3 = 1 + = 495.

% _3

На основе приведенных выше расчетов было проведено моделирование полученных параметров поддиапазонов в системе OrCAD.

Входной файл для моделирования в системе OrCAD:

V_V2 5 0 5vdc **Напряжение питания ОУ.

V_V1 6 0 3.6vdc **Напряжение питания исследуемой схемы.

R_R1 6 1 {Rvar} ** Сопротивление исследуемой схемы Лсхемы.

R_R2 1 0 3 ** Сопротивление измерительного шунта Rs .

R_R3 2 3 {Rg} ** Сопротивление резистора Rg .

R_R4 4 0 1000 ** Сопротивление нагрузки по выходу ОУ.

.LIB ad8221.cir

X_X1 1 0 5 0 4 0 2 3 AD8221

Задание на моделирование параметров первого поддиапазона:

.PARAM Rvar=360

.PARAM Rg=464

.dc LIN PARAM Rvar 360 1100 1

В результате моделирования были определены следующие значения параметров датчика для первого диапазона (рис. 5): среднее значение Кус 1 = 107,441, относительная погрешность ДКус 1 = 0,02 %.

107.42 V(4)/V(l) коэффициент усиления ОУ.

V(4), В

0,35 0.40 0.50 0.60 * 0.70 0.80 0.90 ' 1.0 1.10

V(l) - напряжение на входе ОУ. Rvar. кОм

Рис. 5. Результаты моделирования параметров датчика тока

Полученное значение Кус 1 удовлетворяет расчетным значениям (3), а относительная погрешность ДКус 1 много меньше погрешности, вносимой установочным резистором Rq , что подтверждает линейность участка передаточной характеристики ОУ в первом поддиапазоне декады.

Аналогично проведено моделирование характеристик датчика тока в границах второго и третьего поддиапазонов: параметр Rvar изменялся в пределах 1100.2500 Ом и 2500.3600 Ом соответственно. По результатам моделирования получаем:

- для второго поддиапазона: Кус 2 ~ 321,526 , ДКус 2 = 0,16 %;

- для третьего поддиапазона: Кус 3 = 494,316 , ДКус 3 = 0,05 %.

Малые относительные погрешности (< 1 %) ДКус 1, ДКус 2 и ДКус 3

подтверждают тезис о достаточности использования трех поддиапазонов для перекрытия интервала изменения входного тока на одну декаду.

Заключение

Сформулированы ключевые особенности энергопотребления современных цифровых автономных устройств, заключающиеся в широком динамическом диапазоне изменения тока потребления и малой длительности нахождения устройства в различных энергетических режимах работы.

Проведенный анализ основных параметров и предложенная структура датчика тока позволяют использовать его в качестве основы построения современных средств мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем.

Данные, полученные в результате моделирования статических режимов датчика тока в системе OrCAD, соответствуют теоретическим расчетным результатам и показывают высокую линейность коэффициента усиления, что позволяет использовать макромодель ОУ для дальнейшего анализа динамических режимов работы измерительной системы.

Список литературы

1. Валенцуэла, A. Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах / А. Валенцуэла // Электронные компоненты. - 2009. - № 12. -С. 32-35.

2. Киреев, А. О. Эффективное управление энергопотреблением беспроводных сенсорных сетей информационно-измерительных систем / А. О. Киреев // Надежность и качество : труды международ. симпоз. : в 2-х т. - Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ. - 2009. - Т. 2. - С. 131-136.

3. Kats, D. Embedded Media Processing / D. Kats, R. Gentile. - Burlington, MA, USA : Newnes Publishers, 2005. - 390 p.

4. Пушкарев, М. Микросхемы измерения тока / М. Пушкарев // Компоненты и технологии. - 2006. - № 10. - С. 12-14.

5. Киреев, А. О. Аппаратные средства измерения энергопотребления беспроводных сенсорных систем / А. О. Киреев // Надежность и качество : труды международ. симпоз. : в 2-х т. - Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ. -2010. - Т. 2. - С. 500, 501.

6. Lorente, C. Characterize Batteries and Power Consumption Using the NI PXI-4071 7 ^-digit Digital Multimeter [Электронный ресурс] / C. Lorente, K. Reindel. - 2006. -URL: http://zone.ni.eom/devzone/cda/tut/p/id/2721.

7. Паттерсон, Д. Оптимизация потребления при разработке систем на цифровых сигнальных процессорах / Д. Паттерсон, Д. Диксон // Новости электроники. -2007. - № 3. - С. 27-31.

8. Кеоун, Д. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей / Д. Кеоун - М. : ДМК-Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 640 с.

9. Болотовский, Ю. И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная книга» / Ю. И. Болотовский, Г. И. Таназлы. - М. : СОЛОН-Пресс, 2005. - 200 с.

Киреев Александр Олегович аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: skao@pochta.ru

Светлов Анатолий Вильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: rtech@pnzgu.ru

Kireev Alexander Olegovich Postgraduate student,

Penza State University

Svetlov Anatoly Vilyevich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of radio engineering and radio electronic systems,

Penza State University

УДК 621.37 Киреев, А. О.

Средства мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем / А. О. Киреев, А. В. Светлов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2010. - № 3 (15). - С. 92-102.