Если вы инженер-разработчик встраиваемого оборудования, занимающийся проектированием продуктов, то вам наверняка известно о важности понимания энергопотребления каждой части вашей схемы для ее проверки и оптимизации. Комплект Nordic Power Profiler Kit II  — это устройство, необходимое для проверки и оптимизации производительности вашей встроенной системы. Кроме того, он помогает вам выбрать батарею или систему хранения энергии. Это устройство может точно измерять энергопотребление ваших прототипов встраиваемого оборудования, даже тех, которые потребляют ничтожно малое количество тока.

В этой статье мы рассмотрим технические характеристики, особенности и функциональные возможности этой платы, а также продемонстрируем, как подключить и использовать её для измерения энергопотребления вашей встраиваемой системы. Мы также кратко сравним её с другими аналогичными продуктами на рынке.

Комплект для измерения энергопотребления Nordic Semiconductor Power Profiler Kit II (PPK2) — это доступный и универсальный инструмент, позволяющий инженерам измерять ток от 200 наноампер до 1 А с разрешением до 100 нА для низких значений. Особенностью этого устройства является наличие как режима источника тока, так и режима амперметра. В режиме источника тока PPK2 работает как источник, способный подавать напряжение в диапазоне от 0,8 В до 5 В с максимальным током 1 А, то есть он может выступать в качестве источника питания мощностью 5 Вт. Эта функция позволяет использовать его как автономную систему для анализа энергопотребления вашей системы.

Помимо измерения мгновенного тока, он способен измерять средний ток за определенный период времени.

Компания также предлагает приложение под названием nRF Connect, позволяющее подключить устройство к ПК и анализировать данные, а также экспортировать их для последующей обработки.

• Регулируемое напряжение питания от 0,8 В до 5,0 В.
• Измерение тока до 1 А.
• Режим источника сигнала и режим амперметра.
• Высокое разрешение, до 0,2 мкА.
• Автоматическое переключение на 5 различных диапазонов измерения для повышения эффективности и улучшения разрешения.
• 100 тыс. выборок/сек.
• 8-контактный цифровой порт для цифровой трассировки.
• Отображение результатов измерения тока в реальном времени.
• Многофункциональное настольное приложение с простым пользовательским интерфейсом.
• USB-связь, обеспечивающая простой перенос на другие приложения.
• Настольное приложение для анализа измерений
• Экспорт данных измерений для последующей обработки и анализа.

Что внутри коробки?

Устройство поставляется в простой картонной коробке с минимальным количеством графических элементов. Первое, что вы найдёте в коробке, — это PPK2, помещённый в антистатический пакет. Кроме того, в комплекте идут 10-контактный кабель для логического порта и 4-контактный кабель для измерения тока.

• плата Power Profiler Kit II.
• 10-контактный кабель логического порта.
• 4-контактный кабель для измерения тока.

Компоненты PPK II

На верхней стороне платы расположены 2 гнезда USB: одно для передачи питания и данных, а другое — только для питания. USB-подключение предназначено для подачи дополнительного питания на PPK2. Требуется только в режиме источника питания (> 400 мА).

В центре платы расположен выключатель.

В нижней части платы расположен 10-контактный разъем Dupont, а в другом углу — 4-контактный разъем Dupont.

Четырехконтактный штекер используется для питания платы и для подачи на нее выходного питания. Таким образом, при использовании платы в режиме источника питания необходимо подавать на нее внешнее питание, при этом первые два контакта будут работать как вход для вашего PPK2, а следующие два — как выход, обеспечивая питание вашей встроенной системы.

На другой стороне платы находится еще один набор из 10 контактов, обозначенных как «Логический порт». Он содержит 8 цифровых контактов, а также контакты Vcc и заземления. PPK2 способен одновременно измерять цифровые входы с 8 различных каналов. Он обеспечивает функциональность недорогого логического анализатора.

Описание разъема:

GND — заземление тестируемого устройства .

VOUT - положительное выходное напряжение на тестируемое устройство .

VIN — внешний вход питания. Используется только в режиме амперметра.

GND — заземление тестируемого устройства .

USB DATA/POWER — USB-разъем для питания и связи с PPK2.

Питание только от USB — USB-подключение для подачи дополнительного питания на PPK2. Требуется только в режиме источника питания (> 400 мА).

Логический порт

VCC - VCC тестируемого устройства

GND - заземление тестируемого устройства

D0–D7 — цифровые входные контакты

Как пользоваться логическим портом?

Вы можете использовать свой PPK2 в качестве недорогого логического анализатора. Предположим, вы разработали простую систему, которая может измерять температуру, влажность и атмосферное давление. Тогда вы можете подключить один цифровой вывод логического анализатора к микроконтроллеру и установить высокий или низкий уровень на выводах GPIO (в зависимости от вашего кода), чтобы управлять каждым датчиком отдельно и измерять потребление тока в каждом случае. Этот метод поможет вам оптимизировать вашу систему, а также упростит расчеты для вашей системы хранения энергии.

Как PPK2 измеряет ток?

Комплект для профилирования мощности PPKII оснащен аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для измерения падения напряжения на ряде фиксированных измерительных резисторов; падение напряжения рассчитывается по закону Ома. В основе системы лежит система на кристалле (SoC) nRF52840 от Nordic. Она использует протокол USB Communication Device Class (CDC) и Abstract Control Model (ACM), поддерживаемые всеми основными операционными системами, что позволяет использовать её без установки дополнительных драйверов. В ней реализована схема автоматического переключения, которая может автоматически переключаться между 5 различными диапазонами измерения для обеспечения очень точного результата. Блок-схема PPKII показана ниже.

Установка приложения Power Profiler

Для начала использования устройства вам необходимо установить на свой компьютер приложение Power Profiler. Для этого выполните следующие действия.

Установите приложение nRF Connect для настольных компьютеров, загрузив его с веб-сайта компании.

Откройте приложение и найдите приложение Power Profiler в списке, или же вы можете нажать на строку поиска, ввести Power Profiler и нажать «Установить».

Теперь вы можете открыть приложение и подключить PPK2, чтобы начать анализ энергопотребления.

Как только становится доступно новое обновление, рядом с кнопкой обновления появляется кнопка «Обновить», и ваше приложение будет обновлено до новой версии.

Как подключить программное обеспечение nRF Connect к компьютеру?

Для питания платы, а также для подключения её к ПК для регистрации и отображения данных потребуется USB-кабель. Необходимо установить программное обеспечение nRF Connect, которое можно скачать с веб-сайта Nordic. Это программное обеспечение совместимо с Windows, MacOS и Linux.

Режимы измерения PPK II

Прибор PPK II имеет 2 режима измерения: режим источника тока и режим измерения силы тока. Для выбора режима необходимо использовать приложение. Более подробная информация об обоих режимах приведена ниже.

На рисунке ниже, взятом из официальной технической документации, показано, как можно подключить устройство к нашему PPK II. На рисунке PPK II используется с комплектом разработчика nRF9160 в режиме источника-измерителя.

Режим измерителя источника питания:

При использовании устройства в режиме источника питания PPK II работает как блок питания, обеспечивая питание тестируемого устройства (DUT). Выходное напряжение может изменяться в диапазоне от 0,8 В до 5 В, а максимальный ток составляет 1 А. В этом режиме источник питания USB должен обеспечивать ток 50 мА для PPK2 в дополнение к максимальному потребляемому току тестируемого устройства.

Примечание: Если вам необходимо подать на тестируемое устройство (DUT) ток более 600 мА, то следует использовать оба USB-порта одновременно.

Режим амперметра:

Когда PPK II работает в режиме амперметра, он функционирует как обычный амперметр и измеряет ток; в этом случае профилировщик мощности Nordic не подает энергию, и тестируемый модуль должен питаться от внешнего источника.

Максимальный ток тестируемого устройства в обоих режимах указан в следующей таблице.

Разрешение и точность измерений:

Разрешение показывает наименьшую единицу тока, которую способно измерить данное устройство. Разрешение PPK2 приведено в таблице ниже.

Точность играет важную роль в любом измерительном оборудовании. Она показывает пользователю, насколько близки отображаемые значения к фактическому значению. Точность PPK2 в различных диапазонах приведена в таблице ниже.

Режимы просмотра:

Приложение Power Profiler имеет 2 режима просмотра: режим регистрации данных и режим реального времени. Оба режима предоставляют подробную информацию о потреблении энергии подключенным устройством.

Просмотр в реальном времени:

В этом режиме модуль работает как осциллограф, отображая значения потребляемой мощности в реальном времени.

Режим регистратора данных:

Этот режим в основном используется для мониторинга и анализа энергопотребления в течение определенного периода времени.

Расширенные элементы управления

Программа позволяет включить несколько дополнительных функций, таких как регулировка усиления для отдельных диапазонов или включение фильтра импульсов. Доступ к этим функциям осуществляется путем открытия расширенной панели управления нажатием Ctrl+ALT+Shift+A.

Тестирование PPK II

Для тестирования модуля я использовал два NodeMCU: один совершенно новый, а другой немного поврежден, что приводит к выделению тепла и, следовательно, к потере энергии. Мы подключим оба устройства, чтобы посмотреть, сколько энергии потребляет неисправное устройство.

При подключении к совершенно новому NodeMCU потребление тока составляло в среднем 237 мА, как показано на изображении ниже.

Когда мы подключили поврежденный NodeMCU, среднее потребление тока составило около 360 мА.

Как и ожидалось, поврежденный NodeMCU терял около 120 мА энергии в виде тепла, что составляет 35% потерь мощности в виде тепла.

Рабочие параметры:

Согласно официальной технической документации Nordic, плата предназначена для использования в помещении. Рабочие параметры платы указаны ниже в таблице:

Элемент	Описание
Использование в помещении или на открытом воздухе	В помещении
Высота	До 2000 м
Температура	5–40 °C
Относительная влажность	80% максимум

Теперь же рассмотрим что можно приобрести вместо PPK2.

Альтернативные инструменты

На рынке представлено множество альтернативных инструментов для профилирования мощности постоянного тока. Большинство инструментов для этой задачи стоят более 500 долларов. Некоторые из наиболее распространенных инструментов для профилирования мощности сравниваются в таблице ниже.

Название устройства	Расходы	Диапазон напряжения	Диапазон тока
Power Profiler Kit II	$89	0,8 – 5 В	0-1А
Joulescope	$799	-1 – 15 В	-1 – 3 А
Otii	$699	0,55 – 4,55 В	0 – 3 А
BattLab	$99	1,2 – 4,5 В	0 – 450 мА
uCurrent Gold	89 австралийских долларов (без учета налогов)	2,7 – 5,5 В	0 -1,25А

Как видим, при умеренной стоимости Power Profiler Kit II выглядит достаточно уверенно по сравнению с конкурентами.

Заключение

PPK2 — отличный инструмент для измерения и анализа энергопотребления вашей встроенной системы. Он обладает широким диапазоном измерений, хорошим разрешением и достаточной точностью. Устройство имеет 2 режима работы и может использоваться в качестве источника питания для маломощных приложений. За свою цену в 89 долларов это хорошая покупка для любого разработчика устройств с батарейным питанием.

13 просмотров