根據(jù)Omdia估計(jì)，到2023年底，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安裝量接近380億臺(tái)，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到820億臺(tái)?？纱┐髟O(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)同樣勢(shì)頭強(qiáng)勁。低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為這些行業(yè)硬件開發(fā)者的核心競(jìng)爭(zhēng)力，且往往決定了產(chǎn)品的成敗。

無線傳感器作為典型代表，憑借其卓越的環(huán)境監(jiān)測(cè)能力與便捷的安裝優(yōu)勢(shì)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛的部署。然而，依賴電池供電的設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求——必須確保設(shè)備在非激活狀態(tài)時(shí)保持低功耗，以延長(zhǎng)續(xù)航、提升用戶體驗(yàn)并提高部署可行性。

傳統(tǒng)的低功耗測(cè)試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)直接影響設(shè)備的續(xù)航、用戶體驗(yàn)以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

低功耗設(shè)計(jì)面臨的行業(yè)挑戰(zhàn)

精準(zhǔn)捕捉動(dòng)態(tài)功耗

工作模式頻繁切換

物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備需要在多種工作模式間快速切換，例如休眠模式、激活模式、數(shù)據(jù)傳輸模式等。例如，某些智能手表每5分鐘自動(dòng)檢測(cè)心率、血氧、血壓、體溫等指標(biāo)，并根據(jù)特殊算法將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)值發(fā)送到后臺(tái)軟件。在這個(gè)過程中，電流可能從微安級(jí)瞬間飆升至毫安級(jí)，再迅速回落至待機(jī)狀態(tài)。

實(shí)際案例

某美國品牌的電暖氣未能在無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)后正確進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備在待機(jī)期間電流異常增加，最終迅速耗盡電池電量。由于該問題未能在圣誕節(jié)期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多家庭在寒冷的冬季面臨電暖氣失效的問題。如果在研發(fā)階段能精準(zhǔn)捕捉到這一間歇性異常，完全可以避免此類品牌危機(jī)。

復(fù)雜電源管理策略的覆蓋測(cè)試

現(xiàn)代低功耗設(shè)備通常采用多層次的電源管理技術(shù)，這要求測(cè)試涵蓋所有可能的狀態(tài)組合。然而，由于狀態(tài)組合數(shù)量龐大，僅依靠人工測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。而且，不同模式之間的切換可能會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電流峰值，影響整體能耗和電池壽命。

多重環(huán)境條件的真實(shí)模擬

設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中往往面臨多變的環(huán)境（如溫度、濕度等氣候因素），這些環(huán)境因素對(duì)功耗有顯著影響。例如，低溫環(huán)境下鋰電池的容量可能降低，導(dǎo)致設(shè)備因電壓不足而意外關(guān)機(jī)；而高溫環(huán)境下，漏電流增加會(huì)加速電池能量消耗。此外，電池在老化過程中表現(xiàn)不一，因此在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行多因素聯(lián)合模擬至關(guān)重要。

更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參見溫度如何影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池壽命。

調(diào)試器干擾問題

在實(shí)際調(diào)試過程中，連接調(diào)試器常常會(huì)對(duì)功耗測(cè)量產(chǎn)生干擾。每次進(jìn)行功耗測(cè)試時(shí)，工程師需要手動(dòng)斷開調(diào)試器，這不僅影響測(cè)量準(zhǔn)確性，還增加了操作工作量和時(shí)間成本。

長(zhǎng)周期測(cè)試與效率矛盾

可穿戴設(shè)備的續(xù)航評(píng)估可能需要模擬數(shù)月甚至數(shù)年的使用情況，而某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如農(nóng)業(yè)傳感器）雖然每天僅工作幾分鐘，但要求設(shè)備在數(shù)年內(nèi)無需更換電池。在有限的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期能耗表現(xiàn)，成為亟待解決的難題。

設(shè)備多組件交互與系統(tǒng)整體優(yōu)化

現(xiàn)代設(shè)備通常由MCU、傳感器、無線模塊等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。單一模塊的功耗優(yōu)化未必能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)整體能耗的改善。只有綜合考慮各模塊之間的協(xié)同工作和交互效應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)真正的低功耗優(yōu)化。

量產(chǎn)一致性與成本控制

傳統(tǒng)的抽樣測(cè)試無法覆蓋量產(chǎn)過程中所有潛在問題。例如，電容漏電流超標(biāo)可能導(dǎo)致設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下出現(xiàn)異常電流，最終引發(fā)客戶退換貨。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，建議采用自動(dòng)化產(chǎn)線測(cè)試、單臺(tái)設(shè)備全模式測(cè)試及多設(shè)備并行測(cè)試等手段，確保量產(chǎn)產(chǎn)品的性能和能耗一致性。

傳統(tǒng)測(cè)量工具的局限性

采樣率不足

傳統(tǒng)萬用表或常規(guī)分析儀的采樣率較低，容易錯(cuò)失無線模塊啟動(dòng)時(shí)的電流浪涌等瞬態(tài)峰值。盡管現(xiàn)代數(shù)字萬用表在精度上有所提升，但它們的設(shè)計(jì)主要針對(duì)固定范圍和靜態(tài)信號(hào)，自動(dòng)量程切換較慢，難以捕捉瞬時(shí)電流波動(dòng)，導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失。

自動(dòng)化模擬能力不足

傳統(tǒng)工具通常難以通過編程接口實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，而Otii支持通過Python API進(jìn)行自動(dòng)批量測(cè)試，可以高效評(píng)估不同電源模式下的功耗表現(xiàn)。

電池老化場(chǎng)景模擬受限

傳統(tǒng)方法往往依賴昂貴且難以精確控制參數(shù)的物理環(huán)境箱，無法同時(shí)模擬多重因素（如溫度、濕度和循環(huán)次數(shù)）。例如，在零下20℃環(huán)境下進(jìn)行200次電池循環(huán)測(cè)試，傳統(tǒng)方法不僅成本高昂，還難以復(fù)現(xiàn)真實(shí)的使用場(chǎng)景。

長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)測(cè)試效率低

為確保真實(shí)場(chǎng)景下的功耗細(xì)節(jié)，傳統(tǒng)測(cè)試方法往往要求設(shè)備連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，但這種方式效率低下。開發(fā)人員常采用加速測(cè)試策略，但時(shí)間壓縮可能遺漏關(guān)鍵功耗信息，且在模擬過程中需要確保設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確延續(xù)。

軟硬件協(xié)同測(cè)試?yán)щy

低功耗優(yōu)化通常需要硬件與軟件的協(xié)同調(diào)試，而傳統(tǒng)工具難以實(shí)現(xiàn)軟件日志與功耗曲線的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。這使得硬件和軟件工程師在問題定位時(shí)各自為政，從而延長(zhǎng)了整體測(cè)試周期。

創(chuàng)新型Otii解決方案

圖1：使用Otii做低功耗測(cè)試

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備低功耗測(cè)試的嚴(yán)苛需求，必須突破傳統(tǒng)測(cè)量工具的局限。Otii方案實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

動(dòng)態(tài)高精度測(cè)量：捕捉瞬態(tài)電流變化。

真實(shí)環(huán)境下的電池模擬：通過軟件定義方式模擬電池曲線，精確重現(xiàn)不同溫濕度和老化條件下的表現(xiàn)。

軟硬件數(shù)據(jù)深度融合分析：自動(dòng)對(duì)齊軟件日志與功耗曲線，進(jìn)行系統(tǒng)整體精準(zhǔn)調(diào)試。

自動(dòng)化與批量測(cè)試能力：支持多通道并行測(cè)試，大幅提升測(cè)試效率。

Qoitech推出的Otii解決方案包括：

硬件產(chǎn)品：Otii Arc Pro 和 Otii Ace Pro。

專用應(yīng)用程序：易于使用的Otii軟件，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析。

擴(kuò)展工具箱：包括Otii電池工具箱和Otii自動(dòng)化工具箱，進(jìn)一步提高測(cè)試的靈活性和精度。

Otii的核心優(yōu)勢(shì)

1. 高精度高采樣率

Otii Ace Pro可監(jiān)測(cè)從25nA到5A的負(fù)載電流，精度高達(dá)0.05%，電流和電壓測(cè)量的采樣率可達(dá)50ksps。Otii Arc Pro可監(jiān)測(cè)從50nA到5A的負(fù)載電流，精度高達(dá)0.1%，電流和電壓的采樣率分別為4ksps和1ksps。

2. 自動(dòng)化調(diào)試

Otii設(shè)備配備配電盤，可以在自動(dòng)化設(shè)置中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉/打開調(diào)試器與被測(cè)設(shè)備的USB連接。GPO功能可以自動(dòng)連接和斷開此鏈接，用戶通過腳本控制計(jì)算機(jī)與設(shè)備的連接和斷開。更多細(xì)節(jié)請(qǐng)查看這里。

3. Otii電池工具箱

電池仿真模擬：模擬電池在不同溫濕度和老化條件下的行為，確保測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠。

電池驗(yàn)證：支持批次驗(yàn)證，靈活調(diào)整測(cè)量設(shè)備數(shù)量，構(gòu)建放電、睡眠、充電模式組合進(jìn)行測(cè)試。

電池分析：通過Otii工具進(jìn)行多設(shè)備并行電池測(cè)試，創(chuàng)建符合應(yīng)用場(chǎng)景的電池放電配置文件。

4. 使用UART調(diào)試日志調(diào)試功率測(cè)量

用戶能夠?qū)⒉恍枰碾娏鞣逯岛蜕叩哪芎闹苯优cUART輸出日志關(guān)聯(lián)，從而精確定位功耗優(yōu)化的具體區(qū)域。

案例分享

2020年，Elektor公司工程師Clements使用Otii進(jìn)行低功耗測(cè)試。他在BBC micro:bit板上集成了BME280氣象傳感器，測(cè)試過程中每秒讀取一次數(shù)據(jù)并傳輸，其他時(shí)間處于低功耗狀態(tài)。

Clements表示，““在本次測(cè)試中，我沒有采用示波器，因?yàn)樵O(shè)置低噪聲、高精度的差分放大器非常繁瑣，尤其是當(dāng)需要連續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，極為不便。而即使是帶鎖定功能的高精度萬用表，在這種場(chǎng)景下也難以勝任。Otii 在捕捉不同負(fù)載下的瞬時(shí)電流變化時(shí)，表現(xiàn)出了極高的分辨率，能夠精準(zhǔn)監(jiān)控設(shè)備在軟件運(yùn)行期間的功耗，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池壽命?！薄?。

Otii能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的瞬時(shí)電流變化，幫助他將設(shè)備的紐扣電池續(xù)航從12小時(shí)延長(zhǎng)至30天。詳細(xì)視頻請(qǐng)參見這里。

圖2：Clements 使用Otii測(cè)試 圖3：經(jīng)過多番優(yōu)化，電流消耗顯著降低

結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備對(duì)低功耗設(shè)計(jì)的需求不斷增加，傳統(tǒng)測(cè)試工具已無法滿足對(duì)精細(xì)動(dòng)態(tài)采樣和電池模擬的需求。Otii憑借其高精度采樣、自動(dòng)化測(cè)試及軟硬件數(shù)據(jù)同步的優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品功耗優(yōu)化提供了全新的解決方案。通過這一方案，工程師可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)并解決問題，顯著延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航，推動(dòng)行業(yè)朝著更高能效標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。

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審核編輯 黃宇