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解決物聯網測試的五大挑戰
從電源管理到無線相容及其性能

【作者: 益萊儲】   2019年12月12日 星期四

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在未來幾年,AI、5G、IoT和工業自動化(IIoT)的進步將加快行業變革和創新的步伐。跨行業的各種物聯網感測器將用於自動資料傳輸和遠端設備控制。在萬物互聯的時代,連接將變得司空見慣,到2020年,Gartner預計將有超過200億台物聯網設備投入使用。


2019年是5G商用新起點,結合物聯網設備,5G增加的頻寬、更快的速度和更低的延遲將帶來以前被認為不可能的應用,物聯網將持續向多個產業深入滲透,如製造業、運輸業、醫療行業、消費領域等。



圖一 : 2019年是5G商用新起點,結合物聯網設備,5G增加的頻寬、更快的速度和更低的延遲將帶來以前被認為不可能的應用,物聯網將持續向多個產業深入滲透。
圖一 : 2019年是5G商用新起點,結合物聯網設備,5G增加的頻寬、更快的速度和更低的延遲將帶來以前被認為不可能的應用,物聯網將持續向多個產業深入滲透。

隨著創新步伐的加快,工程師、設計師、供應商和製造商將面臨更快的上市壓力。對於物聯網設備,每代產品都需要更小、更強大、更易於配置,並且比以前的設計使用更少的功率。由於許多物聯網設備都是由電池供電的,節能至關重要,必須使用低功率元件,並且不使用時要確保這些元件斷電。為了優化電池壽命,元件必須在現實的場景和條件下進行測試,以確保選擇正確的元件以最大限度地延長物聯網設備的壽命。


物聯網挑戰#1-電源管理

由於物聯網設備通常是遠端部署或在移動環境中部署,因此大多數設備都會使用電池作為主要電源。瞭解設備的功耗曲線,是確保設備使用壽命期間最大可靠性和性能的關鍵。



圖二 : 瞭解物聯網設備的功耗曲線,是確保設備使用壽命期間最大可靠性和性能的關鍵。
圖二 : 瞭解物聯網設備的功耗曲線,是確保設備使用壽命期間最大可靠性和性能的關鍵。

為了完全表徵物聯網設備的功耗,必須在通常遇到的所有操作條件下進行測量。由於物聯網設備旨在最大限度地降低功耗,因此它們可能僅在短時間內處於活動狀態,其大部分使用壽命都處於「睡眠」模式。


在所有工作模式下精確測量器件的功耗曲線,可能會遇到如何使用常用電流測量技術(如分流器、數位萬用表DMM或電流探頭)的挑戰。在睡眠模式下,電流可能處於'nA'或'uA'範圍內;在啟動模式下,例如在傳輸資料時,電流可能會突然變為“mA”到“A”範圍。此外,當前需求中的這些較大的峰值通常在微秒內發生,功耗轉換對於某些測試儀器來說可能具有較大挑戰性。


雖然它們在正確的環境中使用時能夠非常精確,但是由於涉及到較大的動態範圍(可能需要多個分流器),將當前分流器用於此類測量可能存在問題。即使使用多個分流器,也可能需要分別測試啟動模式和睡眠模式,這就很難獲得電流流失的真實情況。此外,由於固有的電壓下降,如果選擇過大的值來最大限度地測量動態範圍,分流器本身就有衝擊測試設備的風險。


物聯網挑戰#2-信號和電源完整性


圖三 : 關於電源完整性,最近開發的電源軌探頭有助於在電源軌上進行超低噪音測量,它連同示波器一起使用。
圖三 : 關於電源完整性,最近開發的電源軌探頭有助於在電源軌上進行超低噪音測量,它連同示波器一起使用。

物聯網設備設計中經常使用混合信號積體電路,其中包括感測器/ MEMS,同一積體電路上以較低功耗工作的類比和數位信號,它們對串音非常敏感。低功率分配網路通常具有非常小的工作容差,這增加了電源軌上的紋波和雜訊干擾,可能會對時鐘和數位資料產生不利影響的機會。 許多物聯網設備都要求在很小的物理結構中高速信號通道密集,這就增加了串擾和耦合的風險。


使用良好的信號完整性設計原理(如可能的話,採用點對點信號路由拓撲),控制整個PDN和互連中的走線阻抗,保持返回路徑長度短以及在相鄰走線之間保持足夠的空間以減少耦合,都有助於緩解信號誠信問題。儘管遵守諸如此類的良好設計原則對於實現可靠的設計至關重要,但具有全面表徵在整個設備中承載信號的結構的電氣性能的能力也至關重要。


向量網路分析儀(VNA)是表徵任何互連線或傳輸線電性能的最常用工具之一。影響信號完整性的重要特性,如插入損耗、衰減、反射、串擾、延遲以及差分到共模轉換,都可以通過為應用程式正確配置的VNA進行評估。此外,一些VNA有能力(通常通過軟體選項)對s參數測量執行時域轉換,該轉換將顯示通道的脈衝回應。


關於電源完整性,最近開發的電源軌探頭有助於在電源軌上進行超低噪音測量,它連同示波器一起使用。根據製造商的不同,這些探頭的特點一般包括:


 高達60V的偏移,以確保電源軌完全移位到示波器顯示幕上。


 動態範圍高達1V。


 Gigahertz運行頻寬以確保高頻雜訊不會被檢測到。


 1:1衰減比,可降低測量系統噪音。


 50kΩ阻抗,以減少負載。


選擇合適的工具來檢測信號和電源完整性問題,對於充分識別和解決性能不佳的原因以及驗證設計的真實性能非常重要。 VNA、電源軌探頭和示波器只是?明實現這一目標的一些工具。


物聯網挑戰#3-無線標準相容性


圖四 : 通過遵循無線標準的規範來確保互通性是實現最大市場影響力的關鍵。
圖四 : 通過遵循無線標準的規範來確保互通性是實現最大市場影響力的關鍵。

無論您正在開發通過Zigbee或Wi-Fi進行近距離連接的設備,還是通過LoRa或LTE-M進行長距離連接設備,您所選擇的無線協定將決定您的設備連接的方式,以及與世界共用資料的方式。


通過遵循無線標準的規範來確保互通性是實現最大市場影響力的關鍵。與EMI/EMC一樣,在設計週期的早期進行測試可以幫助您識別可能導致延遲的問題,並在資格驗證階段之前增加開發設計的成本。


能夠產生符合標準的信號的向量信號發生器和能夠解調這些信號的頻譜/信號分析儀,是根據所選擇的無線標準評估設備性能的理想工具。


物聯網挑戰#4-EMI/EMC和共存測試


圖五 : 由於無線設備的關鍵功能,共存測試已經成為物聯網醫療設備設計過程中的一個重要部分。
圖五 : 由於無線設備的關鍵功能,共存測試已經成為物聯網醫療設備設計過程中的一個重要部分。

我們可以將EMC定義為衡量產品是否按預期執行的指標,同時也不會妨礙其他產品在共用操作環境中按預期執行的能力。EMI還可以被定義為阻止設備按預期執行的任何電磁能量。隨著無線通訊設備的數量持續呈指數增長,操作環境中的電磁雜訊也相應增加,其性能因干擾而降低的風險也隨之增加。


雖然使用預先認證的RF模組有助於降低已完成設備未通過法規EMC一致性測試的可能性,但它並不能保證最終產品符合相關要求。


從設計開始就使用良好的EMI工程對策,以及在一致性測試階段之前(預一致性測試)評估設備的實際電磁相容性能,有助於避免代價高昂的重新設計和延遲,從而影響產品上市時間。


在物聯網設備市場中,醫療設備市場近年來增長迅猛。能夠傳輸即時生命體征的設備,無論是固定的、可穿戴的還是可植入的,在醫院和家庭護理環境中越來越普遍。與其他物聯網設備一樣,醫療設備也有可能成為操作環境干擾的來源和接收者。然而,考慮到它們在提供醫療服務方面的用途,如果它們不能按預期操作,就可能造成危及生命的後果。


由於這些無線設備的關鍵功能,共存測試已經成為物聯網醫療設備設計過程中的一個重要部分。IEEE/ANSI C63.27是其中一個標準,它概述了測試程式和方法,以驗證無線設備與運行在相同RF頻段的其他無線服務共存的能力。AAMI TIR69是另一個標準,它提供了針對醫療設備的指導,以及如何根據操作環境中的潛在危險(包括製造商可能無法控制的外部危險)評估無線技術。


與EMC測試一樣,完成的產品可能會被發送到一致性測試機構進行最終測試。然而,在設計過程期間的初步共存測試可用於確定設備對其他無線電信號的容限並確保可以實現可接受的操作水準。如果在早期發現性能問題,就可以採用緩解技術,並在最終設計建立之前重新評估性能。


頻譜/信號分析儀是EMC預一致性測試和共存測試的關鍵測試設備。儘管完整的EMC測試需要完全相容的EMI接收器,但許多現代分析儀可配備套裝軟體,以幫助促進輻射和傳導發射的預相容性測試,包括符合CISPR和MIL-STD標準的頻寬、探測器和頻段預設,以及國際公認的EMC標準限制的限制線,以及創建使用者可選限制的選項。


共存測試利用即時頻譜分析儀,並利用高速模數轉換器(ADC)連續採樣頻譜,然後使用即時快速傅裡葉變換(FFT)顯示測試設備所處射頻環境的頻譜視圖。向量信號發生器還用於生成在預期的模擬操作環境中會遇到的信號類型,如WiFi和藍牙。


物聯網挑戰賽#5-無線連接的射頻性能

雖然一些物聯網設備將使用有線通訊,但大多數將依賴某種形式的無線技術來獲得對網路的瀏覽。在確定如何最好地實現無線通訊時,物聯網設備的設計者面臨著許多決策。其中最重要的是確定使用哪種無線通訊技術和協定(WiMax、Wi-Fi,Zigbee、BLE、LoRa、Z-Wave和NB-IoT等) - 以及是否使用預製RF無線模組或內部設計。



圖六 : 在確定如何最好地實現無線通訊時,物聯網設備的設計者面臨著許多決策。
圖六 : 在確定如何最好地實現無線通訊時,物聯網設備的設計者面臨著許多決策。

無論如何解決這些設計問題,RF通信的性能必須在真實條件下使用適合該任務的設備進行測試。一些常見的測試包括:



圖七 :  RF通信的性能必須在真實條件下使用適合該任務的設備進行測試。圖表為常見的測試。
圖七 : RF通信的性能必須在真實條件下使用適合該任務的設備進行測試。圖表為常見的測試。

頻譜分析儀/信號分析儀通常是發射機測量的首選工具,而信號發生器通常用於產生接收機測量的信號,網路分析儀通常用於天線測量。


許多現代信號發生器和信號分析儀為在物聯網設備中實現的大多數常見無線通訊標準提供軟體應用支援。它可以生成基於標準的波形,並且可以使用在測試設備本身或具有遠端控制的PC上運行的測量應用來分析測試信號。如果您的無線連接使用自訂設計,還有一些應用程式可能會對您有所幫助。


結論

隨著新技術的發展和測試標準的演進,物聯網、雲機器人和自動化方面的創新不斷發展,對測試和驗證的需求也將會增加,特別是為了支援電源管理而需要面對的現有的和未來的挑戰。所有這些新技術都需要電源和驗證。管理物聯網設備的電源是一項具有挑戰性的任務,因為即使在最具挑戰性的環境中,這些設備也必須始終處於通電狀態並滿負荷運行。


益萊儲/Electro Rent始終專注於提供創新服務,並持續改進,以優化客戶在測試設備上的投資。憑藉在各行業中有效地為全球公司機構降低測試費用和資產成本,益萊儲/Electro Rent通過處理未充分利用、技術陳舊或不需要的設備,?明眾多組織從其測試設備中創造更多的價值;通過租用或租賃來管理設備的高峰需求;減少重複的資產購買需求,並從不需要的資產中獲得最大價值。


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