כתבה מקצועית: כיצד להתמודד עם בדיקת אבזרי IoT

1 דצמבר, 2016

בדיקה מהירה, מדויקת וחסכונית תהייה מכרעת לצמיחת האינטרנט של דברים Internet of Things - IoT. מנהל פיתוח שוק ב-Keithley, רובורט גרין, מסביר לקוראי Techtime כיצד לגשת אל האתגר

בדיקה מהירה, מדויקת וחסכונית של מכשירים בעלי צריכת חשמל נמוכה תהייה מכרעת לצמיחת האינטרנט של דברים Internet of Things – IoT. מנהל פיתוח שוק ב-Keithley, רובורט גרין, מסביר לקוראי Techtime כיצד לגשת אל האתגר

tektronix-iot

מאת: רוברט גרין, Keithley Instruments, a Tektronix Company

בתעשייה מעריכים שבתוך עשור יצמח האינטרנט של הדברים (IoT ) להיקף של טריליוני התקנים אלחוטיים וחיישנים. עם זאת, הצמיחה הזו תהיה תלויה במידה מסוימת ביכולת של היצרנים להוזיל את העלות של  המוצרים האלה.

במקביל, ההתקנים חייבים להיות מאופיינים היטב במהלך התכנון והפיתוח שלהם, ולאחר מכן להיבדק במהירות, בדיוק ובצורה חסכונית במהלך הייצור. כדי לפעול באופן אמין באמצעות הסוללה ולכן המכשירים הסלולריים הזעירים האלה חייבים לצרוך הספק נמוך. הדבר דורש איפיון מדוייק של צריכת החשמל בכל מצבי ההפעלה.

איפיון צריכת החשמל דורש מכשור המסוגל לבצע את המדידות ברגישות גבוהה ובמהירות גבוהה. לדוגמא, כאשר מאפיינים את זרמי העומס, מערכת הבדיקה צריכה להיות מסוגלת למדוד זרמים נמוכים, לפעמים עד עשרות מיקרו-אמפרים או פחות, כשההתקן במצבי המתנה.

כדי ליישם מדידות יציבות ומדויקות של זרמים אלה ברמה הנמוכה, מערכות הבדיקה אמורות, בדרך כלל, לבצע מדידות רבות על-פני מרווח מדידה ארוך, בכדי לבודד מתוך הרעש החשמלי שמייצר ההתקן את רעש הסביבה החיצונית.

סינון יכול לשמש גם כדי להבטיח מדידות איכותיות. עם זאת, זמן המדידה המשתרעת על פני מספר מחזורי קו המתח AC, יחד עם סינון, יכולה לגרום לזמן מדידה של שניות ולעתים קרובות עשרות שניות. זה מרחיב את תקופת המדידה בניגוד לצורך במהירות גבוהה המגדילה את התפוקה ומצמצמת את עלות הבדיקה של כל התקן.

כיצד מתמודדים עם דרישות סותרות

בנוסף לביצוע מדידות רגישות ואיטיות של זרמי ההמתנה והרוגע של התקני IoT, המכשור חייב לבצע מדידות זרם מהירות מאוד כאשר התקן ה-IoT פעיל, למשל כאשר הוא משדר נתונים. האתגר הוא ללכוד ולמדוד פרצים של זרם עומס שעשוי להימשך רק כמה מאות מיקרו-שניות. המכשור חייב להגיב במהירות ולבצע מדידה במרווח זמן קצר מאוד. במצב זה, מתכנן מערכת הבדיקה חייב להתפשר לגבי דיוק ורזולוציית המדידה בכדי להשיג מהירות.

איור 1. מדגים פרופיל זרם עומס אופייני עבור התקן IoT אלחוטי. במצב רוגע, הזרם הוא נמוך מאוד, אבל כאשר המכשיר משדר, זרם העומס עולה באופן דרמטי לזמן קצר. כדי למדוד זרם זה, מכשור הבדיקה חייב להגיב לאותות הבקרה אשר מסמנים שההתקן עובר למצב הפעיל, כך שהמכשור יכול ליזום את המדידה במהירות גבוהה. המכשיר צריך גם לאפשר גמישות בבחירת זמן המדידה, כך שתתקבל המדידה הטובה ביותר שניתן לבצע.

איור 1. פרופיל עומס הזרם עבור התקן אלחוטי טיפוסי, כולל תקופות ארוכות של צריכת זרם נמוכה עם צרורות קצרים של צריכה גבוהה
איור 1. פרופיל עומס הזרם עבור התקן אלחוטי טיפוסי, כולל תקופות ארוכות של צריכת זרם נמוכה עם צרורות קצרים של צריכה גבוהה

מכיוון שהצורך במדידות מדויקות מאוד של זרם נמוך בזמן רוגע ומצבי המתנה, והצורך בביצוע מדידות זרם גבוה מאוד ובמהירות במהלך מצבי ההפעלה הם כה שונים, ניתן להניח שיידרשו מספר רב של מכשירים לביצוע המדידות האלה.

לדוגמא, אפשר יהיה לחבר נגד בטור לקו, אשר מחבר את אספקת החשמל. על-ידי מדידת מפל המתח על-פני הנגד עם מודד דיגיטלי (DMM) ניתן לחשב את הזרם. עם זאת, זה יהיה מאוד מאתגר לבחור את הערך המתאים עבור הנגד הטורי. ערך נגד קטן מוסיף שגיאה קטנה במדידת זרם העומס, אבל אם הערך הוא קטן מדי – מכשיר DMM  ללא רגישות למדידת הזרם הנמוך במצב רוגע, או אפילו זרם במצב המתנה – יציג מדידה לא מדויקת.

למרות שגם אוסילוסקופ עשוי להתאים למשימת לכידת עוצמת הפולסים עבור זמנים  קצרים, ה-DMM  מציע דיוק רב יותר בעת ביצוע מדידות מתח. ייתכן כי יהיה צורך להשתמש במקור מתח, DMM ואוסילוסקופ לביצוע כל המדידות הדרושות.

יחידת המדידה/מקור (SMU) הינו מכשיר המציע אופציה אפשרית עבור יישום זה. המכשיר יכול למדוד זרמים מאוד נמוכים (עד פיקו-אמפרים או פחות) במדויק. למרבה הצער, ה-SMU אינו מיועד בדרך כלל ללכידת פולסים צרים. כמו-כן, בדרך כלל, ה-SMU הינו מכשירי המיועד לאספקה וצריכת חשמל נמוכים. לכן הוא עשוי שלא להיות בעל הספק כללי המתאים לספק את הזרם הדרוש בשעות של שיא הצריכה. בנוסף, בגלל הרגישות יוצאת הדופן שלהם, מכשירי ה-SMU יכולים להיות פתרונות יקרים יחסית לצורך בדיקת התקנים זולים.

מכשיר יחיד לאתגרי מדידה מרובים

רוב מהנדסי התכנון והבדיקות מעדיפים פתרון פחות מסובך מאשר ליישם מערכת בדיקה עם ספק כוח DC, כדי לספק את מתח המקור, נגד טורי, DMM, אוסילוסקופ, מכשיר SMU, ומערכת מיתוג לקשור את כולם ביחד. אם הם יכולים לבצע את המדידות באמצעות מכשיר אחד בלבד, הבדיקות יכולות להתחיל מוקדם יותר (איור 2).

איור 2. אפיון Benchtop של התקנים אלחוטיים בעלי צריכת חשמל נמוכה דורש מכשור המשלב את הרגישות הדרושה לצורך מדידת זרמי רוגע עם המהירות הדרושה ללכידת פולסי זרם צרים,ותחום רחב של מקור אספקת הזרם
איור 2. אפיון Benchtop של ההתקנים דורש מכשור המשלב את הרגישות הדרושה לצורך מדידת זרמי רוגע עם המהירות הדרושה ללכידת פולסי זרם צרים, ותחום רחב של מקור אספקת הזרם

האוטומציה של המדידה היא פשוטה, כמו גם מכשיר אחד בלבד לתכנת. זה גם מבטל את הצורך לסנכרן מספר רב של מכשירים ומאפשר למהנדס להתמקד בביצוע המדידה. עם זאת, מתכנני המכשור מתחילים רק עתה לקחת על עצמם את האתגר של יצירת מכשירים המסוגלים לספק את רמת ההספק הדרושה, כדי לתפעל התקן אלחוטי – מבלי להקריב את היכולת למדוד הן זרמי עומס נמוכים מאוד והן זרמי עומס פעיל גבוהים במדויק ועם רזולוציה גבוהה. מכשירים אלה נכנסים רק כעת לשוק, בתצורה של ספקי כוח עם יכולות משולבת של מדידות מאוד מדויקות (איור 3).

איור 3. ספק הכוח 2280S של Keithley מספק זרמי עומס מזערים עם רזולוציה של 10nA, ומדידת זרמים של עד 6A
איור 3. ספק הכוח 2280S של Keithley מספק זרמי עומס מזערים עם רזולוציה של 10nA, ומדידת זרמים עד 6A

כדי למדוד במדויק זרמי המתנה או רוגע, הספק/מודד חייב להיות בעל איכות של DMM וברזולוציה של ½6 ספרות. בעת ביצוע מדידות זרם גבוה, חייב המכשיר ללכוד פולסי זרם קצרים של עד כמה מאות מיקרו-שניות. כמו כן, כיוון שמכשירים מסוימים, כגון חיישנים רפואיים מושתלים או מכשירים ניידים, המופעלים מסוללות, הם בעלי רצף עומסי זרם בהפעלה, בדומה לזה שמוצג באיור 4, המכשיר הנבחר חייב להיות בעל יכולות ביצוע מדידות מרובות ומסונכרן בכל המצבים של הפעלה או כיבוי.

איור 4. כדי לאפיין את רצף ההפעלה, ציוד הבדיקה חייב לבצע מדידות מהירות ומסונכרנות
איור 4. כדי לאפיין את רצף ההפעלה, ציוד הבדיקה חייב לבצע מדידות מהירות ומסונכרנות

מכשירים המיועדים לשימוש במערכת בדיקה אוטומטית, בנוסף לעבודת התכנון, חיוני שיהיו בעלי ממשקים LAN, USB, או ממשקי GPIB וכניסות/יציאות דיגיטליות הנחוצות לצורך שילוב עם ציוד בדיקה אחר במערך.

כדי לפשט אפיון על ה-benchtop, יש לשקול שימוש בספק כוח עם יכולות תצוגה מתקדמות, הכוללות תצוגה גרפית מובנית, המפשטת ניטור היציבות של זרם העומס, לכידה והצגה של זרם עומס דינמי, או תצוגה נוחה של הפעלה או כיבוי של זרם עומס.

  • רוברט גרין הוא מנהל פיתוח שוק בכיר ב- Instruments  Keithley, Cleveland, OHIO, המהווה חלק מחטיבת ציוד המדידה ובדיקה של חברת Tektronix. גרין היה מעורב בהגדרה והשיווק של מגוון רחב של מכשור. הוא בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת קורנל ותואר MS בהנדסת חשמל מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, מיזורי.
Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: IOT , Test & Measurments , חדשות , צב"ד