低功耗時(shí)代如何正確測(cè)量無線通訊模塊功耗？

      低功耗，是萬物互聯(lián)中極為重要的一個(gè)概念，絕大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都需要使用電池供電，而只有正確測(cè)量無線模塊的功耗，才能準(zhǔn)確估算到底5年續(xù)航需要使用多大的電池，本文將為您講解詳細(xì)的測(cè)量方法。

      在物聯(lián)網(wǎng)的很多應(yīng)用中，終端設(shè)備通常是電池供電，可用的電量有限。由于電池存在自放電，最差情況下實(shí)際使用電量只有標(biāo)稱電量的70%左右，如常用的CR2032紐扣電池，一節(jié)電池標(biāo)稱容量為200mAh,實(shí)際可能只有140mAh可以使用。

      既然電池的電量如此有限，那么降低產(chǎn)品功耗就顯得很重要了！下面就先了解下常用的測(cè)量功耗的手段，只有清楚了這些測(cè)量功耗的方法，才能進(jìn)行產(chǎn)品功耗優(yōu)化。

      一、功耗測(cè)量

      無線模塊的功耗測(cè)試主要在測(cè)量電流，這里又分為靜態(tài)電流與動(dòng)態(tài)電流兩種不同的測(cè)試。在模塊處于休眠或者待機(jī)狀態(tài)時(shí)，由于電流不變化，保持一個(gè)靜止的數(shù)值，我們稱之為靜態(tài)電流。這時(shí)候我們可以采用傳統(tǒng)的萬用表來進(jìn)行測(cè)量，只需要在電源引腳串聯(lián)一個(gè)萬用表就可以得到所需要測(cè)量的數(shù)值，如圖 1所示。

圖 1 萬用表測(cè)試

      在測(cè)量模塊正常工作模式的發(fā)射電流時(shí)，由于信號(hào)發(fā)射所需要的時(shí)間很短，整個(gè)電流是處于變化狀態(tài)，我們稱之為動(dòng)態(tài)電流。萬用表響應(yīng)時(shí)間比較慢，很難捕捉到變化的電流，所以不能使用萬用表測(cè)量，對(duì)于變化電流，需要使用示波器和電流探頭進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下圖 2。

圖 2 電流探頭測(cè)量結(jié)果圖

二、電池使用時(shí)長計(jì)算

      無線模塊常有兩種工作模式，工作模式和休眠模式，如下圖 3所示。

圖 3 平均電流

上文數(shù)據(jù)來源于我司LM400TU產(chǎn)品，按照上圖所示，兩個(gè)發(fā)送包之間的發(fā)送間隔為1000ms，計(jì)算平均電流：

也就是說，1秒內(nèi)平均電流大約為2.4mA，如果使用一節(jié)CR2032供電，理想情況下可以大約使用83個(gè)小時(shí)，約3.5天。如果我們將工作時(shí)長延長為1個(gè)小時(shí)呢？類似的，可以通過上面的公式算出，1小時(shí)的平均電流僅為1.67uA。同樣一節(jié)CR2032電池可以支持設(shè)備工作119760小時(shí)，約13年！從上述這兩個(gè)例子比較看出，增加發(fā)送包之間的時(shí)間間隔，延長休眠時(shí)間，可以降低整機(jī)的功耗，使得設(shè)備能夠更長久的工作。這也是為什么無線抄表行業(yè)的產(chǎn)品普遍使用年限很長，因?yàn)樗鼈兠刻熘话l(fā)送一次數(shù)據(jù)。

      三、常見功耗問題與原因

      為了保證產(chǎn)品的低功耗，除了增加包間隔時(shí)間，還有就是降低產(chǎn)品本身的電流消耗，也就是上面提及到的I_work和I_sleep。正常情況下，這兩個(gè)數(shù)值應(yīng)該跟芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)一致，但如果用戶使用不當(dāng)，有可能出現(xiàn)問題。我們?cè)跍y(cè)試模塊的發(fā)射電流時(shí)，發(fā)現(xiàn)是否安裝天線對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響。在帶天線測(cè)量的時(shí)候，某產(chǎn)品電流為120mA，但是如果擰掉天線，測(cè)試電流飆升到近150mA。這種情況下的功耗異常主要是由模塊射頻端失配，引起內(nèi)部PA工作異常導(dǎo)致的。因此，我們建議客戶在評(píng)估無線模塊的時(shí)候，務(wù)必帶載測(cè)試。

      在前面的計(jì)算中，當(dāng)發(fā)送間隔越來越長，工作電流占空比降越來越小，這時(shí)影響整機(jī)功耗的最大的因素就是I_work和I_sleep越小，產(chǎn)品續(xù)航時(shí)間也就越長了。這個(gè)數(shù)值一般都是與芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)接近，但是我們經(jīng)常遇到客戶反饋測(cè)試的休眠電流偏大，那是為什么呢？

      這個(gè)問題往往是由MCU的配置引起的，一般的MCU單個(gè)IO口功耗就能達(dá)到mA級(jí)別。換句話說，如果不小心漏掉或者錯(cuò)配一個(gè)IO口的狀態(tài)，很有可能就將破壞前期的低功耗設(shè)計(jì)。下面以某產(chǎn)品為例進(jìn)行一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，看看這個(gè)問題影響有多大。

圖 4 產(chǎn)品A的低功耗IO配置測(cè)試結(jié)果

圖 5 產(chǎn)品A的IO配置不當(dāng)測(cè)試結(jié)果

      在圖 4和圖 5的測(cè)試過程中，測(cè)試對(duì)象是同一個(gè)產(chǎn)品，同樣配置為模塊休眠模式，可以很明顯看到測(cè)試結(jié)果的不同。在圖 4中，所有IO都配置為輸入下拉或者上拉，測(cè)試出來的電流僅為4.9uA，而圖 5中，僅僅把其中兩個(gè)IO配置為浮空輸入，測(cè)試結(jié)果為86.1uA。

      如果保持圖 3的工作電流和時(shí)長不變，發(fā)送間隔為1個(gè)小時(shí)，帶入不同的休眠電流計(jì)算。按照?qǐng)D 4的結(jié)果計(jì)算，一個(gè)小時(shí)的平均電流為5.57uA，而按照?qǐng)D 5則為86.77uA，相差約16倍。同樣使用一節(jié)200mAh的CR2032電池供電，產(chǎn)品按照?qǐng)D 4的配置，可以正常工作時(shí)間約為4年，而按照?qǐng)D 5配置，這個(gè)結(jié)果僅為3個(gè)月左右！

      從上文實(shí)例可以看出，要盡可能延長無線模塊的使用時(shí)長需遵循以下設(shè)計(jì)原則：

      1、 在滿足客戶應(yīng)用需求的條件下，盡可能的延長發(fā)送包間隔，降低工作周期內(nèi)的工作電流；

      2、 一定要正確的配置MCU的IO狀態(tài)，不同廠家的MCU可能有不同配置，詳細(xì)參考官方的資料。

      LM400TU是ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)設(shè)計(jì)的一款低功耗LoRa核心模塊，模塊采用源自軍用通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合獨(dú)有的頻譜擴(kuò)寬處理技術(shù)，完美解決了小數(shù)據(jù)量在復(fù)雜環(huán)境中的超遠(yuǎn)距離通信問題。LoRa組網(wǎng)透傳模塊內(nèi)嵌自組網(wǎng)透明傳輸協(xié)議，支持用戶一鍵自組網(wǎng)，并且提供專用抄表協(xié)議、CLAA協(xié)議以及LoRaWAN協(xié)議，用戶無需在協(xié)議上花費(fèi)大量時(shí)間，即可直接開發(fā)應(yīng)用。

圖 6  LoRa核心模塊