Решения компании Keysight для тестирования IoT-устройств.
Часть 1

Опубликовано в номере:
PDF версия
Для разработчиков и компаний, занятых внедрением устройств IoT, проблемы возрастают по мере перехода с уровня компонентов на уровень схем и затем систем. Какие инструменты и решения им доступны? Какие соображения по тестированию могут помочь сократить время на разработку и развертывание и сэкономить общие затраты? В материале, опубликованном в приложении IIoT, были описаны возможные проблемы и причины их возникновения [1]. В этой статье рассмотрены их решения.

Как уже было сказано в статье [1], темпы развития и внедрения «Интернета вещей» уже похожи на шторм, но скоро эта тенденция просто перейдет в ураган, и разработчикам нужно хорошо подготовиться к этому моменту и быть во всеоружии. Чтобы не потерять рынок и в полной мере использовать эти достижения, проектировщикам IoT-устройств, производителям и компаниям, занятым внедрением IoT на уровне систем, нужны инструменты в виде аппаратных и программных средств. То есть те решения, которые помогут им выстоять и преодолеть сложные проблемы проектирования и интеграции. Только так можно идти в ногу со временем и только это позволит им быстро и, главное, успешно разрабатывать и развертывать IoT-устройства.

У компании Keysight Technologies есть широкий спектр интегрированных решений для проектирования, валидации, проверки на соответствие и проведения различных производственных испытаний. В этой публикации некоторые из них предлагаются для решения задач, описанных в [1]. Они могут быть полезны разработчикам и организациям, занимающимся внедрением IoT, и предназначены как для тестирования устройств «Интернета вещей» на уровне компонентов и схем, так и для конечных систем на основе этой перспективной и набирающей силу технологии.

 

Конструкция и моделирование

Инструменты для проектирования и моделирования предоставляют проектировщикам понимание основной физики таких сложных систем, как IoT. Комплексные, высоко­чувствительные и высокопроизводительные схемы со смешанными сигналами могут быть смоделированы и интегрированы без существенного снижения производительности. Программное обеспечение (ПО) Electronic Design Automation (EDA) от Keysight EEsof решает проблемы, возникающие при проектировании систем, схем и устройств физических уровней, предлагая варианты для полного процесса проектирования, как это показано на рис. 1. Используя процессы проектирования, построенные на этих системах, компонентах и инструментах для физического уровня, инженеры-разработчики могут не только быстрее создавать продукты, но и находить для них наилучшие решения. Кроме того, ПО EDA от компании Keysight полностью совместимо с ее контрольно-измерительным оборудованием и предлагает разработчикам комплексное решение на всем пути создания конечного продукта — от проектирования и до тестирования на подтверждение его соответствия (валидации) требованиям стандартов.

ПО компании Keysight для проектирования предоставляет проектировщикам полный цикл разработки проекта от начала проектирования до тестирования на подтверждение соответствия (валидации)

Рис. 1. ПО компании Keysight для проектирования предоставляет проектировщикам полный цикл разработки проекта от начала проектирования до тестирования на подтверждение соответствия (валидации)

В начале процесса разработки новый продукт может быть смоделирован с помощью ПО для проектирования на системном уровне SystemVue, специализированной среды EDA для проектирования на уровне ESL (electronic system level, ESL — проектирование беспроводных электронных устройств на системном уровне). Как видно из рис. 2, ПО SystemVue позволяет системным архитекторам и разработчикам алгоритмов оптимизировать физический уровень (PHY) беспроводных систем следующего поколения, что имеет уникальную ценность для разработчиков радиочастотных устройств, цифровых сигнальных процессоров (DSP) и вентильных программируемых матриц (Field Programmable Gate Array, FPGA — программируемая пользователем вентильная матрица) или заказных специализированных интегральных схем (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC). ПО SystemVue также содержит виртуальные инструменты для измерения, которые в ходе симуляции можно подключать к различным узлам системы для прогнозирования ее производительности.

ПО SystemVue — ядро для междоменной среды разработки

Рис. 2. ПО SystemVue — ядро для междоменной среды разработки

Advanced Design System (ADS) — современный и эффективный инструмент для радиочастотных, микроволновых и высокоскоростных цифровых приложений, который применяется для проектирования. Он содержит среду моделирования, что позволяет совместно проектировать интегральную схему, ее корпусирование и печатную плату. Это дает возможность сэкономить время и сократить количество ошибок, возникающих при использовании нескольких разных инструментов. Компромиссы могут быть найдены в интерактивном режиме на микросхеме, ее корпусе и плате, поскольку они разрабатываются совместно. Схемы, созданные по нескольким технологиям, можно комбинировать и моделировать как на уровне непосредственно самой схемы, так и на уровне ее полного трехмерного электромагнитного моделирования.

ADS включает полную среду захвата и компоновки схем, симулятор схем и систем, имеет собственный доступ к трехмерным планарным и полностью трехмерным вычислителям электромагнитных полей, проводит точный и эффективный электротермический анализ и содержит множество комплектов для проектирования процессов, так называемых Process Design Kit (PDK). Он также содержит EDA и предлагает интеграцию потока проектирования с продуктами таких компаний, как Cadence, Mentor и Zuken. Кроме того, в меню оптимизации предусмотрена обратная связь и управление в режиме реального времени, а современные беспроводные библиотеки позволяют специалистам работать с новейшими стандартами беспроводной связи. Для нелинейного высокочастотного проектирования также возможна и генерация модели на основе X-parameters.

При проектировании схем с низким энергопотреблением может быть весьма полезен и важен расчет шумов, особенно в том случае, когда сигналы приближаются к своему граничному уровню. ADS обеспечивает симуляцию линейного шума с помощью симуляторов напряжения переменного тока и вычисления S-параметров. При моделировании шума вычисляет его значение, создаваемое каждым элементом, а уже затем определяет, как этот элемент влияет на шумовые свойства всей сети. В большинстве случаев шумы и помехи, создаваемые элементами схемы, рассчитываются автоматически. Например, пассивные элементы с потерями вносят шум в соответствии с их способностью передавать мощность теплового шума. Вклады шума от нелинейных устройств рассчитываются с помощью моделей, которые включают зависимость от температуры и напряжения смещения аналогично тем, которые используются в SPICE.

В рамках решения проблем целостности сигналов и целостности питания ADS также предлагает анализ, который проводится с помощью инструментов SIPro и PIPro [2]. SIPro обеспечивает высокую скорость и точность моделирования электромагнитной характеристики высокоскоростных, но плотно маршрутизированных каналов передачи на очень сложных печатных платах. По сравнению с золотым стандартом моделирования — методом конечных элементов (Finite-Element-Method, FEM), SIPro демонстрирует очень хорошее соответствие при небольших затратах времени на вычисления и малой загрузке памяти. PIPro предоставляет PDN-анализ целостности питания и включает анализ падения напряжения постоянного тока, анализ полного сопротивления для напряжения переменного тока и анализ резонанса в плоскости питания. Имитатор падения напряжения постоянного тока в PDN предоставляет таблицу токов и напряжений постоянного тока для каждого модуля PCB через выводы, потребители тока и стабилизаторы напряжения, что позволяет инженерам прогнозировать уровни напряжения постоянного тока на подающих питание выводах микросхем. С помощью визуализации напряжений, плотности тока и рассеивания мощности в цепях электропитания и заземления можно легко определить их проблемные места.

В одной общей среде для анализа целостности сигналов и энергопитания можно просто скопировать настройку из одного типа анализа и без особых проблем перенести ее в другой. В результате мы получаем модели электромагнитного поля, которые при дальнейшем моделировании легко переходят обратно к схеме. Интегрированная среда захвата схем, компоновки печатной платы и анализа данных с несколькими симуляторами, включая канал создания модели IBIS-AMI, моделирование переходных процессов, S-параметров и электромагнитного поля на физическом уровне, обеспечивает соответствие проектов требованиям самых последних стандартов. Для поддержки моделирования каналов в среде ADS разработчики могут использовать ПО EMPro, предназначенное для полного 3D-моделирования электромагнитных полей сложных моделей компонентов канала и модели IBIS-AMI для быстрого моделирования канала на основе пользовательских моделей передатчика (Tx) и приемника (Rx). Такой подход избавляет от необходимости переключаться между различными инструментами, позволяя (благодаря совместной работе) упростить и улучшить модулирование, а также, что немаловажно, сэкономить время.

Кроме того, в Keysight EDA предлагается широкий выбор технологий электромагнитного моделирования, охватывающих метод моментов (Method of Moments, MoM), метод конечных элементов и метод конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain, FDTD). Метод MoM использует имитатор Momentum для моделирования и анализа пассивных цепей. Он хорошо подходит для точного моделирования сопряженных и паразитных эффектов в сложных многослойных конструкциях. Симулятор FEM точно моделирует трехмерные структуры, такие как корпусирование, соединительные провода, разъемы и другие компоненты. EMPro с вычислителем FDTD является эффективным инструментом для моделирования антенн, электромагнитных помех, решения проблем электромагнитной совместимости, эффективной поверхности рассеяния и для биомедицинских приложений.

Сервис GoldenGate — современное решение для моделирования, анализа и верификации интегрированных радиочастотных интегральных схем со смешанным сигналом. Он полностью интегрирован в Cadence ADE и включает Momentum для трехмерного плоского электромагнитного моделирования, испытательные стенды беспроводных устройств, ПО SystemVue и Ptolemy для их проверки на уровне системы, а также ADS Data Display для расширенного анализа данных. GoldenGate связывает систему, подсистему и разработку с анализом на уровне компонентов как часть комплексного процесса проектирования для завершенного цикла разработки IoT.

Поскольку рано или поздно, но проект переходит от моделирования к реализации, в моделировании модели могут быть заменены на фактические модули конечного устройства. В этом случае виртуальные инструменты заменяют реальные измерения или встроенное аппаратное обеспечение, что позволяет разработчикам сравнивать моделируемую и фактически измеренную, как сейчас принято говорить, производительность. Для большей наглядности симуляция может использоваться для интерполяции и экстраполяции сигналов в местах, не доступных для измерительных зондов. Для обеспечения непрерывности от проектирования до валидации прототипа компания Keysight предлагает различное лабораторное испытательное оборудование — от настольного до модульного и портативного.

 

Анализ разряда батареи

Двухквадрантные измерительные источники питания (англ. Source Measure Unit, SMU — вид измерительных приборов, использующих одновременно прецизионные источники тока и напряжения) N6781A и N6786A были специально разработаны компанией Keysight для анализа разряда батареи беспроводных устройств [3, 4, 5]. Устройство N6781A обеспечивает высокую точность измерений при низком токе с напряжением до 20 В с током до 3 А при выходной мощности 20 Вт. А решение N6786A подходит для устройств с более высокой мощностью, таких как новейшие смартфоны/фаблеты (гаджет, сочетающий функции смартфона и планшетного компьютера), планшеты и ноутбуки, с напряжением до 20 В с током до 8 А при выходной мощности 80 Вт.

Наиболее важной особенностью измерительных источников питания является их плавный диапазон измерений, который охватывает более семи декад, что весьма полезно, так как позволяет проводить точные измерения динамического потребления тока (рис. 3). Они имеют настраиваемые характеристики для эмуляции батареи, что дает возможность обеспечить результаты моделирования поведения устройств, сравнимые с их функционированием от реальной батареи. Кроме того, в них предусмотрен режим работы амперметра с нулевой нагрузкой и регистрация данных вольтметра для выполнения проверки при разряде с реальной батареей, когда это необходимо. Быстрый отклик с незначительным переходным процессом сводит к минимуму падение напряжения при импульсном токе, потребляемом беспроводными устройствами, а частота дискретизации, равная 200 кГц, обеспечивает детальное понимание поведения источника питания при измерениях.

Плавный переход между диапазонами измерения при использовании измерительных источников питания компании Keysight позволяет отслеживать уровни динамического изменения тока в режиме реального времени и использовать наиболее оптимальный диапазон измерения для данного уровня тока и напряжения

Рис. 3. Плавный переход между диапазонами измерения при использовании измерительных источников питания компании Keysight позволяет отслеживать уровни динамического изменения тока в режиме реального времени и использовать наиболее оптимальный диапазон измерения для данного уровня тока и напряжения

Оба измерительных источника питания N6781A и N6786A могут использоваться в качестве модулей на шасси анализатора цепей питания напряжения постоянного тока N6705B. Анализатор N6705B обеспечивает платформу для формирования шины питания, захвата формы напряжения и тока, регистрации и отображения данных о длительном потреблении тока, а также анализа результатов. ПО 14585A дополняет решение, добавляя расширенные функциональные возможности для оценки разряда батареи, такие как статистический анализ и измерения энергии.

Пример для понимания того, как устройства с обеспечиваемым большим временным разрешением используются при оптимизации времени работы от батареи такого устройства GPRS (англ. General Packet Radio Service — «пакетная радиосвязь общего пользования», надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных), показан на рис. 4. Слева мы видим захваченную прибором значительную часть тока, который потребляется для режима ожидания в режиме прерывистого приема DRX (по сути, периода прослушивания радиоканала в режиме сбережения энергии). Изображение в разобранном виде справа показывает подробности каждого всплеска тока в режиме приема (Rx), что дает представление о работе приемника в течение этого периода.

Лучшее понимание для оптимизации времени работы от батареи достигается с развернутым по времени и уровням представлением потребления тока

Рис. 4. Лучшее понимание для оптимизации времени работы от батареи достигается с развернутым по времени и уровням представлением потребления тока

Часто бывает весьма полезно оценить устройство при его работе от источника питания в режиме эмулятора батареи. Это также может обеспечить измерительный источник напряжения постоянного тока. В других случаях нужно использовать фактическую батарею устройства, например при проведении теста на разряд реальной батареи. Эта тестовая настройка показывает дополнительное понимание того, как ведет себя то или иное устройство, когда работает от батареи. Анализатор N6705B в сочетании с комплектом для тестирования средств беспроводной связи E7515A UXM (предусматривает возможности взаимодействия с пользователем) с гибкой эмуляцией и настраиваемым режимом ожидания в беспроводном тестовом комплекте оборудования позволяет оценить время автономной работы устройства и потребление тока в реальных условиях эксплуатации (рис. 5). Помимо оценки влияния на потребление энергии батареи различных режимов работы в зависимости от тех или иных настроек, приложений пользовательского оборудования и условий сети, пользователи могут анализировать влияние изменений в конструкции, обновлений встроенного ПО и добавления более сложных возможностей передачи и приема, таких как агрегация несущих и технология использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн (MIMO — Multiple Input, Multiple Output).

Разработчики, используя анализатор цепей питания напряжения постоянного тока в сочетании с UXM-комплектом для тестирования средств беспроводной связи, могут в полной мере оценить разряд батареи и потребление тока

Рис. 5. Разработчики, используя анализатор цепей питания напряжения постоянного тока в сочетании с UXM-комплектом для тестирования средств беспроводной связи, могут в полной мере оценить разряд батареи и потребление тока

Еще целый ряд дополнительных возможностей, которые доступны разработчикам с анализатором цепей питания напряжения постоянного тока N6705B, и советы по оптимизации срока службы батареи устройства можно найти по ссылкам [3, 4]. Для измерений еще более низкого тока и более широкой пропускной способности можно использовать анализатор формы сигнала тока CX3300A, который позволяет с высокой точностью отображать такие сигналы тока, которые раньше было невозможно измерить или вообще обнаружить. Так, CX3300A измеряет ток до 150 пА и имеет полосу пропускания до 200 МГц.

Литература
  1. Рентюк В. С большими возможностями IoT приходят большие проблемы // IIoT. 2019.
  2. W2360EP/ET SIPro, W2359EP/ET PIPro (5992-1291EN)
  3. Enhance the Battery Life of your Mobile or Wireless Device (5991-0519EN).
  4. 10 Tips to Optimize a Mobile Device’s Battery Life (5991-0160EN).
  5. Battery Life Challenges in IoT Wireless Sensors and the Implications for Test (5991-2698EN).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *