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解决物联网测试的五大挑战
从电源管理到无线相容及其性能

【作者: 益萊儲】2019年12月12日 星期四

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在未来几年,AI、5G、IoT和工业自动化(IIoT)的进步将加快行业变革和创新的步伐。跨行业的各种物联网感测器将用於自动资料传输和远端设备控制。在万物互联的时代,连接将变得司空见惯,到2020年,Gartner预计将有超过200亿台物联网设备投入使用。


2019年是5G商用新起点,结合物联网设备,5G增加的频宽、更快的速度和更低的延迟将带来以前被认为不可能的应用,物联网将持续向多个产业深入渗透,如制造业、运输业、医疗行业、消费领域等。



图一 : 2019年是5G商用新起点,结合物联网设备,5G增加的频宽、更快的速度和更低的延迟将带来以前被认为不可能的应用,物联网将持续向多个产业深入渗透。
图一 : 2019年是5G商用新起点,结合物联网设备,5G增加的频宽、更快的速度和更低的延迟将带来以前被认为不可能的应用,物联网将持续向多个产业深入渗透。

随着创新步伐的加快,工程师、设计师、供应商和制造商将面临更快的上市压力。对於物联网设备,每代产品都需要更小、更强大、更易於配置,并且比以前的设计使用更少的功率。由於许多物联网设备都是由电池供电的,节能至关重要,必须使用低功率元件,并且不使用时要确保这些元件断电。为了优化电池寿命,元件必须在现实的场景和条件下进行测试,以确保选择正确的元件以最大限度地延长物联网设备的寿命。


物联网挑战#1━电源管理

由於物联网设备通常是远端部署或在移动环境中部署,因此大多数设备都会使用电池作为主要电源。了解设备的功耗曲线,是确保设备使用寿命期间最大可靠性和性能的关键。



图二 : 了解物联网设备的功耗曲线,是确保设备使用寿命期间最大可靠性和性能的关键。
图二 : 了解物联网设备的功耗曲线,是确保设备使用寿命期间最大可靠性和性能的关键。

为了完全表徵物联网设备的功耗,必须在通常遇到的所有操作条件下进行测量。由於物联网设备旨在最大限度地降低功耗,因此它们可能仅在短时间内处於活动状态,其大部分使用寿命都处於「睡眠」模式。


在所有工作模式下精确测量器件的功耗曲线,可能会遇到如何使用常用电流测量技术(如分流器、数位万用表DMM或电流探头)的挑战。在睡眠模式下,电流可能处於'nA'或'uA'范围内;在启动模式下,例如在传输资料时,电流可能会突然变为“mA”到“A”范围。此外,当前需求中的这些较大的峰值通常在微秒内发生,功耗转换对於某些测试仪器来说可能具有较大挑战性。


虽然它们在正确的环境中使用时能够非常精确,但是由於涉及到较大的动态范围(可能需要多个分流器),将当前分流器用於此类测量可能存在问题。即使使用多个分流器,也可能需要分别测试启动模式和睡眠模式,这就很难获得电流流失的真实情况。此外,由於固有的电压下降,如果选择过大的值来最大限度地测量动态范围,分流器本身就有冲击测试设备的风险。


物联网挑战#2━信号和电源完整性


图三 : 关於电源完整性,最近开发的电源轨探头有助於在电源轨上进行超低噪音测量,它连同示波器一起使用。
图三 : 关於电源完整性,最近开发的电源轨探头有助於在电源轨上进行超低噪音测量,它连同示波器一起使用。

物联网设备设计中经常使用混合信号积体电路,其中包括感测器/ MEMS,同一积体电路上以较低功耗工作的类比和数位信号,它们对串音非常敏感。低功率分配网路通常具有非常小的工作容差,这增加了电源轨上的纹波和杂讯干扰,可能会对时钟和数位资料产生不利影响的机会。 许多物联网设备都要求在很小的物理结构中高速信号通道密集,这就增加了串扰和耦合的风险。


使用良好的信号完整性设计原理(如可能的话,采用点对点信号路由拓扑),控制整个PDN和互连中的走线阻抗,保持返回路径长度短以及在相邻走线之间保持足够的空间以减少耦合,都有助於缓解信号诚信问题。尽管遵守诸如此类的良好设计原则对於实现可靠的设计至关重要,但具有全面表徵在整个设备中承载信号的结构的电气性能的能力也至关重要。


向量网路分析仪(VNA)是表徵任何互连线或传输线电性能的最常用工具之一。影响信号完整性的重要特性,如??入损耗、衰减、反射、串扰、延迟以及差分到共模转换,都可以通过为应用程式正确配置的VNA进行评估。此外,一些VNA有能力(通常通过软体选项)对s叁数测量执行时域转换,该转换将显示通道的脉冲回应。


关於电源完整性,最近开发的电源轨探头有助於在电源轨上进行超低噪音测量,它连同示波器一起使用。根据制造商的不同,这些探头的特点一般包括:


凱 高达60V的偏移,以确保电源轨完全移位到示波器显示幕上。


凱 动态范围高达1V。


凱 Gigahertz运行频宽以确保高频杂讯不会被检测到。


凱 1:1衰减比,可降低测量系统噪音。


凱 50kΩ阻抗,以减少负载。


选择合适的工具来检测信号和电源完整性问题,对於充分识别和解决性能不隹的原因以及验证设计的真实性能非常重要。 VNA、电源轨探头和示波器只是?明实现这一目标的一些工具。


物联网挑战#3━无线标准相容性


图四 : 通过遵循无线标准的规范来确保互通性是实现最大市场影响力的关键。
图四 : 通过遵循无线标准的规范来确保互通性是实现最大市场影响力的关键。

无论您正在开发通过Zigbee或Wi-Fi进行近距离连接的设备,还是通过LoRa或LTE-M进行长距离连接设备,您所选择的无线协定将决定您的设备连接的方式,以及与世界共用资料的方式。


通过遵循无线标准的规范来确保互通性是实现最大市场影响力的关键。与EMI/EMC一样,在设计周期的早期进行测试可以帮助您识别可能导致延迟的问题,并在资格验证阶段之前增加开发设计的成本。


能够产生符合标准的信号的向量信号发生器和能够解调这些信号的频谱/信号分析仪,是根据所选择的无线标准评估设备性能的理想工具。


物联网挑战#4━EMI/EMC和共存测试


图五 : 由於无线设备的关键功能,共存测试已经成为物联网医疗设备设计过程中的一个重要部分。
图五 : 由於无线设备的关键功能,共存测试已经成为物联网医疗设备设计过程中的一个重要部分。

我们可以将EMC定义为衡量产品是否按预期执行的指标,同时也不会妨碍其他产品在共用操作环境中按预期执行的能力。EMI还可以被定义为阻止设备按预期执行的任何电磁能量。随着无线通讯设备的数量持续呈指数增长,操作环境中的电磁杂讯也相应增加,其性能因干扰而降低的风险也随之增加。


虽然使用预先认证的RF模组有助於降低已完成设备未通过法规EMC一致性测试的可能性,但它并不能保证最终产品符合相关要求。


从设计开始就使用良好的EMI工程对策,以及在一致性测试阶段之前(预一致性测试)评估设备的实际电磁相容性能,有助於避免代价高昂的重新设计和延迟,从而影响产品上市时间。


在物联网设备市场中,医疗设备市场近年来增长迅猛。能够传输即时生命体征的设备,无论是固定的、可穿戴的还是可植入的,在医院和家庭护理环境中越来越普遍。与其他物联网设备一样,医疗设备也有可能成为操作环境干扰的来源和接收者。然而,考虑到它们在提供医疗服务方面的用途,如果它们不能按预期操作,就可能造成危及生命的後果。


由於这些无线设备的关键功能,共存测试已经成为物联网医疗设备设计过程中的一个重要部分。IEEE/ANSI C63.27是其中一个标准,它概述了测试程式和方法,以验证无线设备与运行在相同RF频段的其他无线服务共存的能力。AAMI TIR69是另一个标准,它提供了针对医疗设备的指导,以及如何根据操作环境中的潜在危险(包括制造商可能无法控制的外部危险)评估无线技术。


与EMC测试一样,完成的产品可能会被发送到一致性测试机构进行最终测试。然而,在设计过程期间的初步共存测试可用於确定设备对其他无线电信号的容限并确保可以实现可接受的操作水准。如果在早期发现性能问题,就可以采用缓解技术,并在最终设计建立之前重新评估性能。


频谱/信号分析仪是EMC预一致性测试和共存测试的关键测试设备。尽管完整的EMC测试需要完全相容的EMI接收器,但许多现代分析仪可配备套装软体,以帮助促进辐射和传导发射的预相容性测试,包括符合CISPR和MIL-STD标准的频宽、探测器和频段预设,以及国际公认的EMC标准限制的限制线,以及创建使用者可选限制的选项。


共存测试利用即时频谱分析仪,并利用高速模数转换器(ADC)连续采样频谱,然後使用即时快速傅里叶变换(FFT)显示测试设备所处射频环境的频谱视图。向量信号发生器还用於生成在预期的模拟操作环境中会遇到的信号类型,如WiFi和蓝牙。


物联网挑战赛#5━无线连接的射频性能

虽然一些物联网设备将使用有线通讯,但大多数将依赖某种形式的无线技术来获得对网路的浏览。在确定如何最好地实现无线通讯时,物联网设备的设计者面临着许多决策。其中最重要的是确定使用哪种无线通讯技术和协定(WiMax、Wi-Fi,Zigbee、BLE、LoRa、Z-Wave和NB-IoT等) - 以及是否使用预制RF无线模组或内部设计。



图六 : 在确定如何最好地实现无线通讯时,物联网设备的设计者面临着许多决策。
图六 : 在确定如何最好地实现无线通讯时,物联网设备的设计者面临着许多决策。

无论如何解决这些设计问题,RF通信的性能必须在真实条件下使用适合该任务的设备进行测试。一些常见的测试包括:



图七 :  RF通信的性能必须在真实条件下使用适合该任务的设备进行测试。图表为常见的测试。
图七 : RF通信的性能必须在真实条件下使用适合该任务的设备进行测试。图表为常见的测试。

频谱分析仪/信号分析仪通常是发射机测量的首选工具,而信号发生器通常用於产生接收机测量的信号,网路分析仪通常用於天线测量。


许多现代信号发生器和信号分析仪为在物联网设备中实现的大多数常见无线通讯标准提供软体应用支援。它可以生成基於标准的波形,并且可以使用在测试设备本身或具有远端控制的PC上运行的测量应用来分析测试信号。如果您的无线连接使用自订设计,还有一些应用程式可能会对您有所帮助。


结论

随着新技术的发展和测试标准的演进,物联网、云机器人和自动化方面的创新不断发展,对测试和验证的需求也将会增加,特别是为了支援电源管理而需要面对的现有的和未来的挑战。所有这些新技术都需要电源和验证。管理物联网设备的电源是一项具有挑战性的任务,因为即使在最具挑战性的环境中,这些设备也必须始终处於通电状态并满负荷运行。


益莱储/Electro Rent始终专注於提供创新服务,并持续改进,以优化客户在测试设备上的投资。凭藉在各行业中有效地为全球公司机构降低测试费用和资产成本,益莱储/Electro Rent通过处理未充分利用、技术陈旧或不需要的设备,?明众多组织从其测试设备中创造更多的价值;通过租用或租赁来管理设备的高峰需求;减少重复的资产购买需求,并从不需要的资产中获得最大价值。


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