מדידת הספק נמוך במיוחד ביישומים של צומת חיישן אלחוטי, באמצעות רב-מודד סיפרתי דוגם גרפי

העתיד של האינטרנט או האינטרנט של הדברים (IoT) הוא חיבור של התקנים מוכללים, המזוהים בצורה ייחודית – המכונים לעתים קרובות “התקנים חכמים וחיישני IoT”.

רשת חיישן אלחוטית – המותקנת באתר המטרה – מכילה מספר רב של צמתי חיישן, המסוגלים להזדהות ולתקשר אלחוטית. מיליארדי חיישנים חכמים דוחפים נתונים ל-IoT – באמצעות יישומים מגוונים, הכוללים: מערכות אבטחה לבית; בקרת תאורה ו-HVAC; ניטור שירותים לציבור; פיקוח תעשייתי ומיכון; בקרת גשרים, רכבות ורמזורים; ומגוון רחב נוסף של שימושים בבקרת תשתיות וסביבה.

למרות השוני המשמעותי ביישומים, צמתים חיישנים אלה פועלים בארכיטקטורה דומה להתקנים אלחוטיים חכמים IoT, כגון אלה המשמשים בתחומי הרפואה, הבריאות ומכוני הכושר.

אחד האתגרים הנפוצים ביותר בכל הצומת חיישן הינו התכנון והניהול של צריכת החשמל. צמתים אלחוטיים מוצבים לעתים קרובות במקומות שהגישה אליהם קשה, שם אספקת הרשת לא נוחה או בלתי אפשרית. מתכננים מחויבים לבחון מקרוב את צריכת החשמל של המיקרובקר (MCU) ושל המקמ”ש של צומת החיישן האלחוטי במצבי עבודה שונים. ביישום של חיישן אופייני, הצומת עשוי להימצא במצב סרק במשך תקופות זמן ארוכות, שבין תקופות שיא של פעילות עבור רכישת נתוני חיישן ושידור אלחוטי. במילים אחרות, פרופיל צריכת ההספק מורכב משיאיי פעילות (אשר בהם צריכת הזרם הינה עשרות מיליאמפרים – בפעילות מרבית של קליטה או שידור) ותקופות סרק ארוכות (המאופיינות על ידי זרם רוגע, שערכו נמוך עד כדי עשרות נאנואמפרים)

הספק = זרם x מתח

אנרגיה = זרם מתח זמן

עד לאחרונה, אף מכשיר בדיקה לא הציע את השילוב של תחום נמוך של מדידת זרם, הבחנה ומהירות הנדרשים עבור יישומים אלה. דגם DMM7510 7½ Digit, רב-מודד סיפרתי דוגם גרפי ממלא את כל הדרישות הנ”ל.

הדגם כולל ממיר A-D בדגימה של 18 סיביות, ייעודי לדגימת מתח וזרם של 1Megasamples/sec.

פונקציות הדגימה מכסות את אותם תחומי המדידה של מתח וזרם DC כמו רב-מודד מסורתי. במילים אחרות, המכשיר מציע יכולת יוצאת מן הכלל של מדידת זרם מ-100pA ועד 10A עם רוחב פס אנלוגי של 100kHz, אשר מתאימה הן למצב סרק של צריכת זרם מאוד נמוכה, כמו גם מדידות זרם במצבי פעילות גבוה. למרות שבדרך כלל ביישומים אלה המתח מיוצב, דגם זה גם מסוגל לספרת מתח מ-1µV ועד 1000V עם רוחב פס אנלוגי אף גבוה יותר, של 600kHz. באמצעות שילוב מתקדם של מנגנון פטר לצורת גל (כגון פטר קצה, פטר דופק ופטר חלון) ניתן ללכוד בקלות, להציג ולבחון השפעות הדדיות של אותות דינמיים אלה, על מסך התצוגה הרב-מגעי של דגם זה.

מאמר זה מגיש סקירה כללית, כיצד ניתן לאפיין את צריכת החשמל הנמוכה במיוחד של יישום טיפוסי של צומת חיישן אלחוטי, ע”י שימוש בבקרות הידניות של דגם זה.

הערכת פרופיל דופק זרם יחיד

לכידה מדויקת של צורת גל הזרם הינה מכריעה עבור חישוב צריכת ההספק וניתן לביצוע בקלות עם דגם זה. הצעד הראשון הינו לזהות את הגורם היחיד, המקושר לצורת הגל של דופק הזרם בו אנו מעוניינים. לאחר מכן, נוכל להשתמש במנגנון פטר הקצה האנלוגי, המובנה בתוך ממשק המשתמש הגרפי, כדי להגדיר את טווח הפטר, את שיפועו, רמתו, מיקומו וקצב הדגימה. באמצעות מספר הקשות מועט, לקביעת קריטריונים אלה,

ניתן להציג במהירות את צורת הגל הרצויה על התצוגה גרפית של הרב-המודד.

איור 2 מציג דופק זרם פעיל מרובה רמות אופייני, שנדגם ידי דגם זה. המצב הפעיל מכיל בדרך כלל רמות זרם בערכים של כמה עשרות מיליאמפרים.

רמות זרם מרובות אלה מייצגות אירועים כגון רצפי הפעלה וכיבוי, אופנים של שידור וקליטה, המרת נתונים ע”י החיישן וכו’.

טבלה 1. מסכמת את הקריטריונים הכרוכים בלכידת צורת הגל שבאיור 2. למעט תצורת מנגנון הפטר, אשר זמין רק כאשר פונקציה המדידה מוגדרת לספרות הזרם, המפעיל אינו נדרש לעקוב אחר הרצף המדויק של הפעולות המפורטות בטבלה.

לאחר השלמת התצורה, לחץ על מקשTRIGGER בלוח הקדמי של המכשיר, להתחלת רכישה אחת. הטרום-פטר של רכישת הנתונים מתחיל מיד ומוצג בתרשים.

כאשר רב-המודד הספרתי מזהה רמת זרם התואם את תנאי הפטר, הרכישה מתחילה ונמשכת עד להשלמת הקריאות של הפטר האחורי.

ניתן להפעיל את הסמנים האופקיים והאנכיים לקריאת ערכי הזרם על פני מרווחי זמן שונים. איור 3 ממחיש את ביצועי הסמן של דגם זה. לחץ על מקש MENU ובחר Graph. העבר על החלק התחתון של הגרף עד שמוצג לחצן Cursor. לחץ על לחצן Cursor לחיצות חוזרות עד ש-Both מוצג. לחץ וגרור את הסמנים האופקיים או האנכיים על פני צורת הגל כדי למדוד את הזרם (ΔY) ואת המרווח המתאים .(ΔX) כמו ברוב טכנולוגיות מסכי המגע, ניתן בקלות להגדיל ולהתמקד בכל אזור של התצוגה, בכדי למקם את הסמנים בצורה מדויקת יותר על צורת הגל.

סך צריכת זרם השיא במצב פעיל באיור 3 מורכב משמונה קטעים. ניתן לחשבו כך:

כאשר n = 8

איורים 2 ו -3 מציגים את מחוון מיקום הפטר (▼)  וקו בקרת רמת הפטר. ניתן להזיז את הקו המקווקו מעלה או מטה כדי לכוון את רמת הפטר ולהתחיל רכישה נוספת.

ההתפתחויות החדשות בניהול צריכת חשמל נמוכה במיוחד הביאו לשוק מגוון רחב של משפחות ,MCU המיישמות אסטרטגיות מתוחכמות יותר להגבלת צריכת ההספק, עם מספר רמות של אופני צריכת הספק נמוכה. זֶה הביא למספר רמות של צריכת ההספק, מעבר לאופנים הפשוטים של סרק או פעולה רגילה. לדוגמה, קיימים מצבים כגון מצב המתנה,

מצב נמנום, מצב שינה, מצב שינה עמוקה, וכו’, עם רמות זרם שלעיתים קרובות נעות בין עשרות מיקרואמפרים ועד זרמים נמוכים כמו עשרות ננואמפרים.

איור 4. הוא דוגמה לפרופיל צורת גל של דופק זרם מרובה-רמות במצב סרק, שנלכד בתחום של  100μA. דגם זה  מסוגל למדוד זרמים של מיקרואמפרים בודדים.

כל קריאות וחותמות הזמן נגישות בקלות דרך טבלת הקריאות תחת התפריט MENU. ראה איור 5. בכדי לשמור קריאות אלה על כונן נייד, הכנס את כונן ה-USB אל שקע ה-USB של המכשיר בפנל הקדמי. לחץ על מקש MENU. בחר Reading Buffers, בחר את המאגר המתאים ואז לחץ  .Save to USB הנתונים יישמרו בתבנית .csv כך שניתן יהיה מאוחר יותר להורידם ולייבא אותם לגיליון אלקטרוני. עצה: לחץ על מקשי HOME  ו-ENTER, בו-זמנית, על הפנל הקדמי בכדי לשמור

תמונת המסך על כונן ה-USB.

עקיבה אחר פרופיל הספק על פני משך זמן

דגם זה מצויד במאגר קריאה גדול, המסוגל לאחסן עד 27.5 מיליון קריאות עם חותמת זמן. זֶה שווה ערך ל-27.5 שניות של רכישת נתונים בקצב דגימה של 1 מיליון דגימות לשנייה. המאגר הגדול מאפשר להציג את ניתוח פעילות הצומת של החיישן על פני תקופת זמן ארוכה, בה מתרחשים אירועים רבים, הן של פעילות והן של סרק. כפי שמוצג באיור 6, ניתן לשנות בפשטות את טווח רכישה או קיבולת המאגר ב-Reading Buffers, תחת MENU.

איור 7 מציג דוגמה של שידור פעיל, המיוצג על ידי ארבעה דופקים של זרם בני 3ms, 10mA שיא כל אחד, המופרדים ע”י מחזור סרק של 100ms. בנוסף למנגנון פטר הקצה האנלוגי שנדון קודם, ניתן להשתמש במנגנון פטר הדופק האנלוגי המובנה במכשיר, לייזום רכישה כאשר מתרחש פרופיל

מסוים של דופק הזרם. טבלה 2 מפרטת את תצורת פטר הדופק עבור צורת הגל שנלכדה באיור

7.

ניתן להגדיל כל קטע של דופק זרם, בכדי להבחין בשינויים קטנים המיוחסים לפעילויות שונות של צומת החיישן, בהבחנה טובה ביותר, כפי שנראה באיור 8. לדוגמה,

בתחום של 100mA, המספרת בעל 18- סיביות ייצר קריאות בדרגות של 1µA. ברם, ההבחנה האפקטיבית תהייה עשרות מיקרואמפרים.

דגם זה הוא מכשיר חובה לניתוח צריכת חשמל נמוכה במיוחד בצמתים אלחוטיים ויישומים של התקני IoT חכמים. הוא מציע יכולות מדידה, ללא תחרות בשוק, של זרם ומתח ברמות מאוד נמוכות.

ע”י שילוב טכנולוגיית מסך המגע, באפשרות המשתמש להציג, לנתח ולבצע אינטראקציה עם צורת הגל על מסך הפנל הקדמי. המכשיר קומפקטי, פשוט לתכנות ומצויד עם תכונות רבות עוצמה, אשר ימלאו את הצרכים של מדידות ההספק הנמוכות ביותר.

הכתבה נערכה והוגשה ע”י חברת Keithley וחברת דן-אל טכנולוגיות, בע”מ הנציגה הבלעדית של החברה בישראל.