Fig. 2: Corrente minima in modalità sleep. Fonte: Rohde & Schwarz Sensori e strumentazione

Debugging approfondito di moduli per Internet of Things


L’Internet of Things (IoT) sta diventando un importante motore di spinta per l’industria elettronica. I moduli intelligenti per l’IoT permettono la comunicazione tra siti industriali, macchine, dispositivi Hi-Fi così come tra applicazioni domestiche e telefonini. Convogliano molteplici tecnologie nello spazio più ridotto possibile e tipicamente includono un modulo radio. La complessità del sistema può trasformarsi in un’ardua sfida per gli sviluppatori di elettronica integrata. Nelle fasi di ottimizzazione e commissioning di questi componenti, un oscilloscopio ad alta sensibilità con analisi multi-dominio risulta estremamente utile.

Di Guido Schulze, product manager per gli oscilloscopi per la Rohde & Schwarz a Monaco

Nella fase di debugging di moduli per l’IoT, tutti i moduli devono essere testati, e altresì devono essere analizzate tutte le interazioni tra i singoli blocchi funzionali ed i componenti. Un oscilloscopio multi-dominio diventa necessario per effettuare un’analisi approfondita utilizzando un solo strumento di test.
Un esempio è il nuovo oscilloscopio da laboratorio R&S RTO2000 di Rohde & Schwarz. Può essere utilizzato per testare tutti i segnali di controllo ed i sensori relativi ad un modulo, il corretto processing integrato dei dati, le alimentazioni ed il modulo radio integrato. L’oscilloscopio multi-dominio effettua analisi nel tempo, nella frequenza, su protocolli e su logiche, e fissa tutti i riferimenti temporali. Attraverso i canali di ingresso analogici dell’oscilloscopio, l’utente può osservare il segnale simultaneamente nel dominio del tempo e della frequenza e visualizzare, se necessita, lo spettrogramma. Questo permette il debugging a livello di sistema funzionale.
Il trigger a zone conferisce all’utente del R&S RTO2000 la possibilità di separare visivamente eventi distinti nel tempo e nella frequenza, qualcosa che nessun altro oscilloscopio della categoria può effettuare. E’ il primo della sua classe a fornire una capacità a livello di memoria fino a 2 Gsample. Ciò è utile per la funzione “storia”, la quale dà accesso alle forme d’onda precedentemente acquisite in qualsiasi momento. Con la modalità “alta definizione”, l’utente può incrementare la risoluzione verticale della forma d’onda a 16 bit, potendo così vedere dettagli altrimenti impercettibili. Tutti questi sono strumenti fondamentali per le fasi di comissioning e caratterizzazione di blocchi funzionali relative ad applicazioni per l’IoT.

Misurazioni su un modulo GSM per l’IoT

L’esempio del modulo GSM “Cinterion BGS2″ di Gemalto mostra come l’utente può testare le funzioni chiave di un modulo per l’IoT utlizzando il R&S RTO2000. Il modulo Gemalto è dedicato ad applicazioni machine-to-machine (M2M). Il produttore fornisce moduli per diversi settori industriali, spaziando dal medicale e dalla vendita al dettaglio all’energetico e ai trasporti, fino al logistico e all’automotive. In questo caso,il “Cinterion BGS2” connette un modulo radio GSM ad un processore baseband, alla gestione dell’alimentazione, a varie interfacce seriali per modem, circuiti inter-integrati (I2C) e multifunzione (GPIO), oltre a connetterlo al clock, alla memoria flash, ad un convertitore e ad una interfaccia audio. Questo modulo risulta quindi un buon esempio di progettazione integrata wireless.

Fig. 1: Misurazioni del modulo GSM “Cinterion BGS2” di Gemalto. Fonte: Rohde & Schwarz

Fig. 1: Misurazioni del modulo GSM “Cinterion BGS2” di Gemalto. Fonte: Rohde & Schwarz

Massimizzare la durata della batteria – modalità sleep

Come molti moduli per l’IoT, quello di Gemalto è progettato per operazioni da remoto e può quindi includere una batteria a lunga durata per la sua alimentazione. Con il minimo consumo di corrente, il modulo deve trasmettere dati tramite l’interfaccia radio per anni. La caratterizzazione del modulo in termini di consumo di potenza risulta quindi una tappa fondamentale nelle fasi di commissioning ed ottimizzazione. E’ importante analizzare la risposta dinamica dell’alimentazione durante la trasmissione di dati e durante i cambi di stato.
Il modulo Gemalto offre diverse configurazioni per la modalità sleep. Questo garantisce un assorbimento di corrente minimo durante lo stato inattivo, in assenza di traffico radio. In una modalità sleep in cui il consumo minimo di corrente è ridotto ad appena 2 mA, la sequenza di sleep è regolarmente interrotta da sequenze di paging da parte della base station. Questo incrementa l’assorbimento di corrente in modo rapido fino a oltre 100 mA. Questa modalità viene analizzata nel dettaglio in termini di misurazioni nel dominio del tempo, della frequenza, di analisi logiche e di protocollo.
La corrente del modulo per l’IoT viene misurata utilizzando una tra le sonde di corrente più sensibili offerte da Rohde & Schwarz, la R&S RT-ZC30. E’ in grado di discriminare correnti minori di 1 mA ad una banda di 120 MHz e sopporta correnti massime fino a 5 A. Queste accurate misure di corrente sono possibili in combinazione con gli straordinari stadi di ingresso a basso rumore del R&S RTO2000. Per assicurarsi che le misure effettuate non vengano falsificate, l’utente deve smagnetizzare la sonda di corrente prima della misura e fare anche
l’“auto-zero” della sonda e del canale che utilizza per la misura. Questo è l’unico modo per esser certi che le più piccole correnti vengano catturate con l’accuratezza necessaria.
I segnali dell’antenna radio vengono catturati attraverso una sonda di campo vicino connessa ad un canale analogico dell’oscilloscopio. Si ottiene quindi che i segnali radio provenienti dal modulo vengono visualizzati come un segnale analogico in entrambi i domini di tempo e frequenza attravero una fast Fourier transform (FFT). Un canale addizionale dell’oscilloscopio viene collegato all’alimentazione tramite una sonda attiva. I canali digitali (MSO) catturano quindi le comunicazioni all’interfaccia del modem. I singoli segnali dei bus seriali utilizzano il protocollo “universal asynchronous receiver transmitter” (UART) e vengono decodificati grazie all’opzione R&S RTO-K1.
La Figura 2 mostra un esempio di misurazione. La corrente (canale 3 – arancione) durante la sequenza di sleep viene determinata all’interno di un gate (area grigia), ed è di 1.8 mA. Durante la sequenza di paging, viene catturata una corrente sensibilmente più alta di circa 100 mA, perché il modulo si attiva rapidamente ed invia un impulso alla linea “clear to send” (CTS) attraverso l’interfaccia di comunicazione. Il canale 1 (giallo) mostra come il modulo radio rimanga inattivo durante la sequenza di sleep e non trasmette nessun segnale.

Fig. 2: Corrente minima in modalità sleep. Fonte: Rohde & Schwarz

Fig. 2: Corrente minima in modalità sleep. Fonte: Rohde & Schwarz

 

Fig. 3: Assorbimento minimo di corrente quando non è in modalità sleep. Fonte: Rohde & Schwarz

Fig. 3: Assorbimento minimo di corrente quando non è in modalità sleep. Fonte: Rohde & Schwarz

La Figura 3 mostra l’attivazione da modalità sleep. L’assorbimento minimo di corrente aumenta a 8 mA. Questo ha un notevole impatto sulla durata della batteria. Per acquisire la durata esatta per cui il programma effettua il passaggio di stato, un trigger di protocollo viene applicato al segnale da trasmettere (Tx) all’interfaccia di comunicazione. Il data item 0Dh corrisponde all’istante in cui il modulo termina la modalità sleep. Nella figura, il segnale Tx ed il segnale logico MSO (D0: Tx) sono visibili, insieme al segnale UART decodificato (anche ingrandito per una migliore visibilità).
Le transizioni dinamiche come quelle qui illustrate, dalla modalità sleep con correnti molto basse di 1-2 mA ad una operativa con correnti maggiori di 1 A, sono punti di misura critici. In questo caso, ha senso osservare nel dettaglio l’assorbimento di corrente con un appropriato grado di risoluzione. Con il R&S RTO2000, l’utente può passare in queste situazioni alla modalità “alta definizione” a 16 bit. Filtri passa-basso configurabili che vengono applicati al segnale dopo il convertitore A\D rendono possibile questa risoluzione estremamente alta. Con questa modalità si ottiene che anche dettagli all’interno del segnale delle dimensioni del mA possono essere analizzati all’interno di un vasto intervallo di misura verticale. L’oscilloscopio è persino capace di attivare un trigger in questa situazione se necessario.

Tensioni e correnti in modalità trasmissione

Le forme d’onda di tensione e corrente possono essere analizzate durante le attività radio per scovare ulteriori sorgenti di interfenza e modi di ridurre il consumo di potenza. Per esempio, quanto alto è l’assorbimento di corrente durante l’inizializzazione di chiamate o durante la trasmissione di dati SMS? Il calo di tensione durante il passaggio di alta corrente nelle sequenze di trasmissione è oltremodo critico. Per fare un esempio, la caduta al di sotto del limite inferiore di tensione può far sì che il modulo per l’IoT si spenga automaticamente.
La progettazione del sistema di alimentazione è un compito probante che inficia svariate funzionalità. Alimentatori DC-DC a switch o regolatori di tensione “low-drop-out” (LDOs) generano la tensione adeguata per i vari blocchi funzionali a partire dalla tensione di alimentazione centrale. Il modulo per l’IoT di Gemalto ha un gestore di potenza integrato, in combinazione con LDOs e DC-DC downconverter, per garantire una tensione di alimentazione stabile per il modulo GSM e la SIM card. Il gestore di potenza gestisce anche le operazioni di accensione\spegnimento all’interno del modulo.
Tra i parametri che sono critici per un funzionamento ottimale del modulo per l’IoT vi sono il massimo assorbimento di corrente durante la trasmissione di impulsi e la capacità di mantenere una tensione minima nonostante cali, oscillazioni e picchi di tensione (Fig. 4). La qualità del segnale radio è anche fortemente influenzata dalle caratteristiche del rumore e dalle interferenze spettrali all’interno dell’alimentazione.
Il modulo di Gemalto monitora la tensione attraverso un convertitore A/D integrato. L’architettura può discriminare valori di tensione fino ad un intervallo minimo di 0.5 s. Ciò è sufficiente per l’operatività ma non per il debugging e l’ottimizzazione dell’alimentazione durante il commissioning dell’applicazione per l’IoT.
La tensione viene quindi misurata utilizzando l’oscilloscopio ed una sonda attiva single-ended, come la R&S RT-ZS10 da 1 GHz di Rohde & Schwarz. Questa ha un settaggio per l’offset dedicato che può essere settato a potenziale spento durante la misura. L’utente può quindi utlizzare una fine scala verticale per focalizzare l’attenzione sui dettagli dell’alimentazione, in particolare sulle caratteristiche del rumore. Le interferenze spettrali sono facili da individuare con l’intuitiva funzione per l’FFT del R&S RTO2000. Lo spettrogramma permette persino l’analisi sulle componenti in frequenza all’interno di un lungo intervallo di tempo. Le anomalie vengono identificate rapidamente nel riquadro grafico dello spettrogramma.

Fig. 4: Caratterizzazione di tensione e corrente durante un impulso di trasmissione GSM. Fonte: Rohde & Schwarz

Fig. 4: Caratterizzazione di tensione e corrente durante un impulso di trasmissione GSM. Fonte: Rohde & Schwarz

L’esempio di misura di Figura 4 mostra una funzione dell’oscilloscopio che è tanto utile quanto unica: il trigger di zona. All’interno dello spettro del segnale radio, viene definita una maschera nell’intervallo tra 890 MHz e 910 MHz per l’attivazione del trigger. Nell’esempio riportato, il trigger si attiva solo se un impulso trasmesso viene catturato all’interno della maschera. Le forme d’onda di tensione e corrente possono in seguito essere correlate all’impulso trasmesso utilizzando la funzione “storia”.

Debugging a livello di sistema – dal segnale radio al segnale del modem

La progettazione integrata viene tipicamente utilizzata per minimizzare i costi di un modulo per l’IoT. Tutte le funzioni, compresa l’unità radio, vengono integrate su una superfice estremamente piccola. Di conseguenza, fenomeni di interferenza possono facilmente avvenire tra i vari blocchi funzionali. Per testare quanto è robusto un progetto, o per effettuare il debugging, è necessario uno strumento di test che acquisisca i dati dalle varie interfacce con una certa correlazione temporale ed effettui quindi l’analisi. In questa fase l’utente può trarre beneficio dalla funzione multi-dominio dell’oscilloscopio R&S RTO2000 di Rohde & Schwarz. La Figura 5 mostra come il modulo per l’IoT venga perturbato tramite una connessione GSM. Il segnale RF così come la tensione e la corrente di alimentazione vengono misurate tramite i canali analogici. I canali digitali registrano i messaggi di comunicazione successivi tra il modulo per l’IoT e le interfacce UART. La decodifica del protocollo permette quindi di leggere ” ‘R’ ‘I’ ‘N’ ‘G’ ” in codice ASCII sulla ring line. Grazie alla correlazione a tempo fissato tra i segnali,la sequenza temporale per l’acquisizione del dato, il suo processing e la sua comunicazione, può essere analizzata. Le anomalie che perturbano il sistema possono essere identificate facilmente grazie all’oscilloscopio R&S RTO2000. Infine, la fase di ottimizzazione della batteria viene facilitata grazie alla correlazione di tutte le attività con i rispettivi assorbimenti di corrente.

Fig. 5: Test funzionale dell’intero sistema durante una chiamata. Fonte: Rohde & Schwarz

Fig. 5: Test funzionale dell’intero sistema durante una chiamata. Fonte: Rohde & Schwarz

Sommario

I moduli per l’IoT sono progetti integrati tipicamente complessi con moduli radio integrati. Il nuovo oscilloscopio R&S RTO2000 offre una varietà di funzioni multi-dominio che supportano il debugging a livello di sistema per tutte le interfacce. I suoi ingressi a basso rumore combinati con la sonda di corrente ad alta sensitività R&S RT-ZC30 permette la misura di correnti di riposo della dimensione di 1 mA. Le forme d’onda delle correnti dinamiche possono essere correlate con le funzioni dei blocchi individuali del modulo per l’IoT. L’esclusiva funzionalità di analisi spettrale del R&S RTO permette anche di testare i moduli radio quando il modulo per l’IoT è usato per tali applicazioni. Rohde & Schwarz offre inoltre una vasta gamma di prodotti per l’analisi di segnali e l’analisi spettrale, così come mobile radio testers per gestire misure speciali su segnali RF.

Note sull’Autore
Guido Schulze, product manager per gli oscilloscopi per la Rohde & Schwarz a Monaco.


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