Misure accurate del consumo energetico con gli strumenti di National Instruments

La gestione del consumo energetico rappresenta un parametro da non trascurare con l'ingresso di sistemi embedded sempre più compatti e veloci. Un’attenta progettazione dei sistemi embedded è il requisito fondamentale per il raggiungimento di consumi energetici contenuti, prolungando così la durata delle batterie e migliorando l’affidabilità del sistema. L’articolo prende in analisi l’importanza, i metodi e l’hardware necessario per ottenere misure di potenza affidabili.

Introduzione

Con la rapida crescita di sistemi embedded a basso consumo e alimentati a batteria sia nel mercato industriale che di consumo, l’energia impiegata da sistemi che utilizzano processori embedded è diventata una questione prioritaria – alla stregua della velocità di clock e prestazioni del sistema. I sistemi devono essere compatti, ad elevate prestazione e devono incorporare funzioni avanzate per la gestione dell’alimentazione per una maggiore durata della batteria assieme ad una gestione termica ottimizzata anche in assenza di dissipatori. Oltre ad essere una prerogativa dei dispositivi portatili, l’ottimizzazione del consumo energetico riguarda i dispositivi cablati, sulla scia della nuova tendenza dell’efficienza energetica. Nonostante l’importanza del giusto compromesso tra prestazioni e consumi in un sistema embedded, stranamente pochi processori sono in grado di misurare tali parametri. In cambio, desta maggiore sorpresa, la relativa facilità con la quale è possibile implementare le funzionalità per la misura del consumo energetico.

Consumo massimo versus consumo tradizionale

In fase di progettazione, è importante garantire l’operatività di un sistema embedded in conformità con le specifiche dei propri componenti. Di conseguenza, è necessario determinare il livello massimo di consumo energetico impiegato dal sistema, in presenza di determinate condizioni. Tuttavia, una volta consegnato all’utente, tale parametro può essere trascurato. Il criterio più rilevante nella rappresentazione del consumo quotidiano di un sistema embedded è rappresentato dal consumo tradizionale, il quale impatta con maggiore intensità sull’efficienza energetica. Inoltre, è possibile convertire il consumo energetico tradizionale in un fattore energetico legato alla durata della batteria, al costo del funzionamento e alla dispersione del calore.

Metodi per la misura di corrente

Una buona percentuale del consumo energetico di un sistema embedded è attribuibile alla dispersione di corrente del microprocessore. Pertanto, è possibile effettuare misure accurate della quantità di corrente dispersa dal microprocessore sotto diverse condizioni di funzionamento, al fine di determinare l’efficienza energetica. In genere, la misura di corrente viene effettuata con uno shunt collegato in serie al flusso di corrente nel circuito. Il resistore deve avere alta precisione e bassa impedenza in modo da non interferire notevolmente con il circuito monitorato. Dato il valore del resistore, misurando l'abbassamento di tensione sullo shunt, è possibile calcolare accuratamente la tensione mediante la legge di Ohm. Un altro metodo per la misura della corrente, sebbene meno diffuso, prevede l’uso di sonde di corrente che non richiedono la presenza di uno shunt.

Misure di corrente high-sides

Esistono due diverse configurazioni da impiegare nella misura di corrente con uno shunt in serie. Il primo, noto come misura di corrente high-side, prevede il posizionamento di uno shunt in serie all’alimentazione del carico come mostrato in Figura 1.

Figura 1. Misura di corrente high-side

Il vantaggio principale di tale metodo consiste nella possibilità di isolare la dispersione di corrente di uno specifico componente del sistema, con una perdita minima. Nello specifico, non si rischia alcuna perdita di corrente in altri componenti del sistema. Lo svantaggio principale si verifica in alcune applicazioni dove si può presentare un’elevata tensione di modo comune ai capi dello shunt. Questa tensione di modo comune è in grado di danneggiare il dispositivo impiegato per la misura della tensione differenziale sullo shunt.

National Instruments offre diversi multimetri digitali (DMM) dotati di protezione da tensioni di ingresso elevate. Ad esempio, il multimetro digitale NI PCI-4070 offre protezione da input fino a 300 VDC con precisione da 6½ digit. È possibile impiegare il PCI-4070 per l’acquisizione della corrente da specifici punti di interesse in un circuito o su un sistema embedded. In fase di acquisizione dati è possibile impiegare l’ambiente di progettazione grafica NI LabVIEW per l’elaborazione e l’analisi delle misure di corrente. Impiegando il software e l'hardware di National Instruments nella progettazione custom delle proprie applicazioni, è possibile effettuare benchmark dei requisiti di potenza di sistemi embedded.

Misure di corrente low-side

La misura di corrente low-side costituisce un altro metodo di misura. In tale configurazione, è possibile inserire un resistore shunt in serie con il cammino di ritorno del carico come mostrato in Figura 2.

Figura 2. Misura di corrente low-side

Sebbene la misura di corrente low-side elimini la possibilità di influire sui livelli di tensione di modo comune, questo metodo porta con sé degli svantaggi; infatti, viene misurata soltanto la corrente che torna direttamente all’alimentazione. Questo crea degli errori di misura per i carichi che disperdono corrente verso altre masse, come la terra di uno chassis o quelle dei circuiti di controllo.

Per la misura di corrente in configurazione low-side, con un perfetto rapporto tra costi e funzionalità, prendiamo in considerazione la scheda di acquisizione dati NI PCI-6251, la quale fornisce frequenze di campionamento da 1 MS/s (multicanale), risoluzione di misura a 16-bit e funzionalità flessibili di input e output. È possibile impiegare la scheda PCI-6251 con la terminaliera NI BNC-2110 per interfacciare il segnale con la scheda.
La PCI-6251 è compatibile con diverse piattaforme di programmazione, dall'ambiente pronto all’uso LabVIEW SignalExpress ai più versatili NI LabVIEW o NI LabWindows™/CVI. L’hardware NI garantisce il supporto software per personalizzare ulteriormente le applicazioni.

Un’alternativa low-cost è rappresentata dai dispositivi di acquisizione dati NI USB-6008, che offrono funzionalità base di misura ma sono dotati anche di molte altre funzionalità e terminali per una maggiore versatilità e facilità d’uso. È possibile misurare i segnali direttamente dal dispositivo DAQ USB-6008, compatto e poco costoso.

Accoppiando LabVIEW o LabVIEW SignalExpress con il dispositivo USB-6008, si ottengono semplici funzionalità di acquisizione a costi contenuti, rendendo tale configurazione la combinazione perfetta per applicazioni di base.

Misure basate su trasduttori

Un terzo metodo per la misura di corrente implica l’uso di trasduttori di corrente a effetto Hall. Generando un campo magnetico in presenza del flusso di corrente, si crea una differenza di potenziale che corrisponde direttamente all’intensità del flusso di corrente. È possibile misurare e analizzare questo potenziale con uno strumento di acquisizione dati, analogamente agli altri metodi di misura. I trasduttori di corrente a effetto Hall non sono invasivi come gli altri metodi di misura della corrente, ma sono proibitivi in termini di costo.

Prodotti di National Instruments per la misura di potenza

National Instruments offre diverse opzioni per misurare la corrente tramite shunt in maniera semplice, accurata e affidabile.

Buono: L’opzione di base e poco costosa è rappresentata dalla scheda USB-6008. Questa fornisce una soluzione compatta con semplice connettività alle sorgenti di segnale.

Inoltre, la scheda USB-6008 è compatibile con LabVIEW e LabVIEW SignalExpress per consentire un’acquisizione dati rapida ed affidabile.

                    

                      

Figura 3. NI USB-6008

 

Configurazione consigliata

• NI USB-6008 data acquisition device (Part #: 779051-01) 
• SCXI Resistor Kit (Part #: 776582-01) 

Migliore: La scheda DAQ multifunzione a elevata velocità PCI-6251 della serie M rappresenta il gusto compromesso tra funzionalità e prestazioni. Essa offre risoluzione a 16 bit, frequenze di acquisizione elevate pari a 1MS/s (multicanale) e la tecnologia di calibrazione NI-MCal per una maggiore accuratezza delle misure.

La scheda PCI-6251 è supportata da LabVIEW, LabVIEW SignalExpress, LabWindows/CVI ed NI Measurement Studio per un’acquisizione dati rapida e affidabile.

Figura 4. NI PCI-6251

 

Configurazione consigliata

• NI PCI-6251 data acquisition board  (Part #: 779070-01)
• NI SHC68-68-EPM shielded cable (Part #: 192061-01)
• NI BNC-2110 shielded connector block (Part #: 777643-01)
• SCXI Resistor Kit (Part #: 776582-01)

Ottimo: Se lo scopo finale è ottenere una misura di corrente il più possibile precisa, il multimetro digitale PCI-4070 ad alta precisione fornisce una risoluzione fino a 6½ digit e funzionalità di autocalibrazione per mantenere le misure accurate in automatico. 

Grazie alla tecnologia proprietaria FlexDMM di National Instruments, i multimetri digitali forniscono inoltre digitalizzatori completamente isolati, ad alta tensione, in grado di acquisire forme d'onda a frequenze di campionamento pari a 1,8 MS/s su tutte le tensioni e correnti.

Figura 5. NI PCI-4070

 

Configurazione consigliata

• NI PCI-4070 high-precision DMM (Part #: 778275-01)
• P-1 Probe Set (Part #: 761000-01)
• SCXI Resistor Kit (Part #: 776582-01)

National Instruments Software

• LabVIEW 8.5 Full Development System (Part #: 776670-09)
• LabWindows/CVI (Part #: 776800-09)
• LabVIEW SignalExpress (Part #: 779037-09)

Circuito integrato per il monitoraggio della corrente nello shunt

Una migliore alternativa all’uso del solo shunt nelle configurazioni high-side oppure low-side per la misura di corrente prevede l’impiego di un circuito integrato per il monitoraggio della corrente nello shunt. I circuiti integrati sono progettati per convertire il livello di corrente in un segnale di tensione sicuro e misurabile da un sistema esterno di acquisizione dati. L’utilizzo di un circuito integrato per misure del flusso di corrente, comporta una serie di vantaggi. In una configurazione high-side, è possibile impostare il circuito integrato per resistere agli elevati livelli di tensione di modo comune che potrebbero danneggiare un dispositivo di acquisizione. In applicazioni come quelle riguardanti la misura del consumo energetico di un microprocessore, i livelli di corrente possono essere molto bassi, con relativi livelli di tensione ridotti (comunemente nell’ordine del millivolt). I dispositivi di acquisizione dati a basso costo potrebbero non essere in grado di digitalizzare accuratamente questi livelli di tensione. Questo è dovuto alle specifiche del dispositivo di misura e ai rumori esterni che possono influenzare pesantemente l’acquisizione delle misure. Senza compromettere il comportamento del sistema sotto test, i circuiti integrati per il monitoraggio della corrente nello shunt amplificano leggermente il segnale di tensione portandolo a un livello tale da poter essere misurato accuratamente con il dispositivo di acquisizione dati.

Un esempio di applicazione che utilizza questo metodo per la misura del consumo energetico di un microcontrollore embedded è la scheda DSP a virgola fissa Texas Instruments 5509 Series. Il dispositivo di shunt utilizzato su questa scheda - Texas Instruments INA139 - converte le deboli correnti provenienti dal core del microprocessore, dalla circuiteria input/output e dal sistema in generale, in segnali misurabili da uno strumento di acquisizione dati NI USB integrato nella scheda. Sebbene non sia necessario per un’applicazione che comprende misure di corrente per un microprocessore, questo IC fornisce un ampio range di tensioni di modo comune. L’output del circuito integrato viene inviato a un amplificatore operazionale che consente di ottenere un maggiore guadagno di segnale prima della sua digitalizzazione. Oltre ai dispositivi di acquisizione dati, National Instruments fornisce un’applicazione robusta per la registrazione e la visualizzazione dei dati realizzata in ambiente LabVIEW. Grazie a questa applicazione e allo strumento integrato di acquisizione dati sulla scheda di valutazione, è possibile determinare rapidamente l’efficienza energetica di un processore sotto svariate condizioni operative.

Figura 6. Diagramma funzionale della schdeda Texas Instruments INA139

 

EEMBC e benckmark di efficienza energetica con hardware NI di acquisizione dati

Conoscere i metodi di misura dell’efficienza energetica di un microprocessore è il primo passo per la realizzazione di un dispositivo che risponda a concreti bisogni applicativi. Esiste una varietà di opzioni nella scelta di un processore, pertanto un progettista deve sapere con quali produttori e modelli è possibile “fare un affare” in termine di efficienza energetica. Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC), con il supporto di National Instruments, offre una soluzione per standardizzare le misure di efficienza energetica per diversi produttori di microprocessori.

La suite di misura dell'EEMBC, nota come EnergyBench, fornisce i dati relativi alla quantità di energia consumata da un processore che esegue un benchmark delle prestazioni EEMBC. Le misure del consumo energetico effettuate sul processore da EnergyBench sono possibili con l'impiego degli strumenti di acquisizione dati di NI, nello specifico le schede DAQ multifunzione NI PCIe-6251 e PCI-6251 e l’ambiente di sviluppo LabVIEW. Il manuale di EnergyBench offre una lista dettagliata di tutto l'hardware consigliato per una soluzione essenziale pronta all'uso per misure di efficienza energetica.

Figura 7. EEMBC EnergyBench Analysis Software User Interface

Riferimenti 

Shunt (Electrical) Definition 

Hall Effect Definition

EnergyBench Benchmark Software

 

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