為了將現(xiàn)有的產(chǎn)品重新塑造成內(nèi)建微處理器、I/O總線、傳感器和發(fā)射機(jī)的智能連網(wǎng)裝置，不僅帶來(lái)大量的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，也伴隨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。但是，如何把幾十年來(lái)功能及形式固定的工具和設(shè)備，變成用戶接口友善且經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的連網(wǎng)電子裝置？此外，如何確保在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)好的裝置到了現(xiàn)場(chǎng)能正常運(yùn)作？
對(duì)于開發(fā)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)，自始至終一直圍繞著各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了有效地完成這一流程，需要有良好的測(cè)試與量測(cè)策略以及合適的儀器，才能確保及時(shí)制訂正確的設(shè)計(jì)決策以及克服潛在的障礙。不僅如此，您還需要按時(shí)、按預(yù)算提交設(shè)計(jì)項(xiàng)目。測(cè)試與量測(cè)策略有時(shí)直接涉及項(xiàng)目的成敗，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨六項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
無(wú)線模塊選擇：市場(chǎng)上有各種無(wú)線模塊可供選擇，而且數(shù)量越來(lái)越多，模塊的選擇可能會(huì)非常糾結(jié)。初次做對(duì)選擇非常關(guān)鍵，透過(guò)精確的測(cè)試與量測(cè)掌握規(guī)格表以外的信息，有助于深入了解這個(gè)模塊是否能滿足設(shè)計(jì)需求。
數(shù)字設(shè)計(jì)和除錯(cuò)：針對(duì)系統(tǒng)級(jí)除錯(cuò)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常苦于無(wú)法搞清楚問(wèn)題出在模塊還是子系統(tǒng)。透過(guò)混合域除錯(cuò)對(duì)于迅速追蹤問(wèn)題的根源至關(guān)重要。
讓電池續(xù)航力最大化：當(dāng)電池續(xù)航時(shí)間的每一分鐘都得斤斤計(jì)較時(shí)，能夠準(zhǔn)確地建模裝置的功耗至關(guān)重要。強(qiáng)勁的建模和功率分析功能可以幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)掘降低能耗、優(yōu)化電池續(xù)航力的機(jī)會(huì)。
通過(guò)EMI和EMC認(rèn)證：物聯(lián)網(wǎng)制造商必須了解如何為自家產(chǎn)品適當(dāng)?shù)卦黾訜o(wú)線功能，并跟上當(dāng)前以及新興放射測(cè)試和一致性測(cè)試的步伐。
無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證：不管是使用Wi-Fi、藍(lán)牙或ZigBee，都必需根據(jù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。如果無(wú)法通過(guò)認(rèn)證，就必須重新設(shè)計(jì)，這不僅會(huì)耽誤最終產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間，還會(huì)增加開發(fā)成本，以及錯(cuò)失產(chǎn)品上市良機(jī)。
處理訊號(hào)干擾問(wèn)題：2.4GHz頻譜是低成本、免授權(quán)應(yīng)用最普遍的運(yùn)作區(qū)域，數(shù)百萬(wàn)臺(tái)無(wú)線電裝置都位于這個(gè)頻段。使用免授權(quán)頻譜極具吸引力，因?yàn)樗芄?jié)省成本，但它仍無(wú)法避免其他裝置使用相同頻段和頻道所帶來(lái)的干擾。
盡管每一步驟都各有其障礙和要求，但I(xiàn)oT設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最經(jīng)常遇到的障礙主要位于除錯(cuò)、電池續(xù)航力優(yōu)化和先期一致性測(cè)試等領(lǐng)域。如果未能充份著重于這三個(gè)領(lǐng)域，很可能遇到意想不到的障礙，或更糟糕的是無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠性或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)等。以下討論能讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高枕無(wú)憂的一些小技巧與策略。
除錯(cuò)物聯(lián)網(wǎng)裝置
傳統(tǒng)上，大多數(shù)應(yīng)用的無(wú)線裝置主要由資深的RF工程師設(shè)計(jì)。但是，現(xiàn)在有數(shù)不清的無(wú)線模塊設(shè)計(jì)到硬件中，而不要求設(shè)計(jì)人員具備強(qiáng)大的RF設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。這些模塊擁有多種功能，單價(jià)成本卻越來(lái)越低，無(wú)疑地將有助于促進(jìn)IoT裝置的爆發(fā)成長(zhǎng)。
圖1：測(cè)試支持Wi-Fi的IoT裝置時(shí)，可能面臨天線調(diào)校到軟件驗(yàn)證等問(wèn)題
根據(jù)所設(shè)計(jì)的裝置功能需求，通常仍必須包含部份數(shù)字和模擬電路，并確保無(wú)線模塊如預(yù)期地運(yùn)作。圖1顯示典型IoT裝置中內(nèi)建Wi-Fi模塊、DC電源模塊以及特定IoT裝置所使用的部份硬件。我們發(fā)現(xiàn)它有幾個(gè)潛在的問(wèn)題，并試著輕松進(jìn)行測(cè)試和除錯(cuò)這些問(wèn)題。
在裝置上電時(shí)，最重要的是要知道它是否在傳送訊號(hào)。如果有訊號(hào)，可能還要檢查訊號(hào)頻率是否和預(yù)期的一致，以及訊號(hào)功率級(jí)和線性度是否正確。
頻譜分析儀為測(cè)試這些特性提供了最簡(jiǎn)單的方式。它不僅能指示是否存在訊號(hào)，還可測(cè)量其頻率和功率級(jí)。此外，可能還得譯碼訊號(hào)或從訊號(hào)中擷取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在此例中，向量訊號(hào)分析儀(VSA)至關(guān)重要。
當(dāng)然，無(wú)線電只傳輸所需要的訊號(hào)。換句話說(shuō)，圖1中的「客戶應(yīng)用」模塊是裝置的大腦，它將經(jīng)由編程控制所有的模塊，包括無(wú)線電。
例如，如果無(wú)線電未按預(yù)期方式傳輸訊號(hào)，必須找出原因。是因?yàn)榘巡徽_的控制訊號(hào)傳送到無(wú)線電？還是發(fā)送的總線指令不正確？或是為無(wú)線電供電的電源有問(wèn)題？
為了除錯(cuò)設(shè)計(jì)的RF、模擬和數(shù)字部份，必須使用示波器，因?yàn)樗芡瑫r(shí)擷取所有的訊號(hào)，包括時(shí)域(傳統(tǒng)示波器功能)和頻域(傳統(tǒng)頻譜分析儀功能)訊號(hào)。
圖2：混合域示波器能測(cè)量與時(shí)間有關(guān)的RF、模擬和數(shù)字信道，且有助于隔離問(wèn)題的根源
最新的混合域示波器包括一條專用的頻譜分析儀通道，可用于同時(shí)擷取所有訊號(hào)(圖2)。時(shí)間相關(guān)性用于交叉關(guān)聯(lián)所有可能的問(wèn)題。例如，如果無(wú)線電無(wú)法按預(yù)期方式傳輸訊號(hào)，那么既要監(jiān)測(cè)傳送到無(wú)線電的控制總線指令，還要監(jiān)測(cè)RF訊號(hào)，以便能顯示問(wèn)題本身，同時(shí)掌握導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的原因。
接收機(jī)測(cè)試
此外，還必須測(cè)試IoT無(wú)線電模塊的接收機(jī)能否擷取相應(yīng)的RF訊號(hào)，并檢查它是否濾除了不想要的RF訊號(hào)。
接收機(jī)靈敏度測(cè)試是所有無(wú)線接收機(jī)的常見(jiàn)要求，以確保裝置順利接收并譯碼相應(yīng)的訊號(hào)。在大多數(shù)情況下，需要以合理的功率級(jí)產(chǎn)生理想的訊號(hào)，然后逐漸把功率降低到裝置無(wú)法再接收和譯碼訊號(hào)的程度。如果測(cè)得的訊號(hào)強(qiáng)度低于“接收機(jī)靈敏度”要求，那么裝置就能通過(guò)測(cè)試。
圖3：設(shè)置接收機(jī)阻塞測(cè)試需要兩臺(tái)VSG和一臺(tái)RF混頻器
根據(jù)相應(yīng)的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生RF訊號(hào)的最簡(jiǎn)便方式是使用向量訊號(hào)產(chǎn)生器 (VSG)，它能產(chǎn)生經(jīng)調(diào)變的RF訊號(hào)(將數(shù)字信息編碼至訊號(hào)上)，從而創(chuàng)造和傳輸量不同的無(wú)線電訊號(hào)。
此外還必須檢查接收機(jī)是否能阻擋不想要的RF訊號(hào)，同時(shí)接收和譯碼想要的訊號(hào)。這可能包括另一臺(tái)相同裝置所產(chǎn)生的訊號(hào)，但透過(guò)另一信道上傳輸訊號(hào)。接收機(jī)阻塞測(cè)試可實(shí)現(xiàn)這種操作。如圖3所示，這項(xiàng)測(cè)試需要兩臺(tái)向量訊號(hào)產(chǎn)生器和一臺(tái)RF混頻器。
讓電池續(xù)航力最大化
典型的IoT裝置至少包含一個(gè)傳感器、一個(gè)處理器和一個(gè)RF芯片，并能以不同的狀態(tài)運(yùn)行，在幾十微秒內(nèi)消耗的電流從幾百奈安培(nA)到幾百毫安(uA)。表征低功耗裝置并不容易，但它能確保持續(xù)位于特定的功率范圍。如圖4所示，其面臨的挑戰(zhàn)包括：準(zhǔn)確地?cái)X取電流的寬動(dòng)態(tài)范圍、隨時(shí)間擷取復(fù)雜且快速的發(fā)射模式電流波形，以及確保為待測(cè)物(DUT)穩(wěn)定提供準(zhǔn)確的功率等。
圖4：最大限度延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的測(cè)試并不輕松…
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，IoT裝置中的各種電流可能都需要測(cè)量，如圖5所示。此例采用7位半圖形取樣數(shù)字萬(wàn)用電表(DMM)以評(píng)估能量采集裝置。該裝置內(nèi)建溫度傳感器和光傳感器。當(dāng)透過(guò)太陽(yáng)能電池采集能量時(shí)，它能回報(bào)電池電量。在進(jìn)行操作時(shí)，每秒回報(bào)30秒的傳感器信息后進(jìn)入睡眠模式；在主動(dòng)模式下，發(fā)射/接收事件消耗大部份功率，約29mA；而在睡眠模式下僅消耗約70nA。
圖5：使用圖形取樣萬(wàn)用電表(Keithley DMM7510)評(píng)估以太陽(yáng)能電池供電的IoT裝置之功率特性
許多IoT設(shè)計(jì)人員都糾結(jié)著一個(gè)共同的問(wèn)題：應(yīng)該使用什么儀器準(zhǔn)確評(píng)估IoT裝置的功耗特點(diǎn)？是電流表？還是帶有電壓或電流探棒的示波器就夠了？
表1比較當(dāng)今市場(chǎng)上常用的電流測(cè)量?jī)x器及其最重要的功能。正如所想象的，每臺(tái)儀器都有各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。例如，示波器和探棒特別適合測(cè)量高電流和快速瞬態(tài)訊號(hào)。皮安培計(jì)和典型DMM更適合測(cè)量低電流，但速度不一定好。圖形取樣萬(wàn)用電表在市場(chǎng)上相對(duì)較新，較傳統(tǒng)儀器提供更加完善的功能。
表1：讓電池續(xù)航力最大化是IoT設(shè)計(jì)人員面臨最棘手的量測(cè)挑戰(zhàn)之一，他們需要能夠同時(shí)處理低電流和高電流的儀器
先期一致性無(wú)線測(cè)試
在經(jīng)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室為IoT設(shè)計(jì)進(jìn)行完整的一致性測(cè)試通常需要大量的成本，首次通過(guò)的成本即高達(dá)30,000美元，如果必須反復(fù)進(jìn)行測(cè)試，成本還會(huì)增加。即使公司內(nèi)部就有完整的一致性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)執(zhí)行時(shí)也得花費(fèi)大量的時(shí)間。再加上如果測(cè)試失敗，就必項(xiàng)重新設(shè)計(jì)后再進(jìn)行測(cè)試，不僅曠日費(fèi)時(shí)，也導(dǎo)致成本攀升。如圖6所示，最好在設(shè)計(jì)周期結(jié)束之前進(jìn)行先期一致性驗(yàn)證，減少實(shí)際測(cè)試期間發(fā)生失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
圖6：使用頻譜分析儀進(jìn)行先期一致性測(cè)試，大幅降低昂貴的測(cè)試失敗風(fēng)險(xiǎn)
相較于完整的一致性測(cè)試，先期一致性測(cè)試程序并不一定兼容于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)只是在發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，以及降低一致性測(cè)試階段失敗的代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)。使用的設(shè)備也許并不兼容，或者精確度和動(dòng)態(tài)范圍低于標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)，但只要在測(cè)試結(jié)果中增加足夠的余裕就行了。先期一致性測(cè)試一般要求以下設(shè)備：
搭配峰值檢測(cè)器的頻譜分析儀(可選用準(zhǔn)峰值檢測(cè)器)
前置放大器(選用)
搭配非金屬支架的天線，用于輻射放射測(cè)試
用于傳導(dǎo)放射測(cè)試的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)
傳導(dǎo)放射測(cè)試用的功率限制器
用于診斷測(cè)試的近場(chǎng)探棒(選用)
傳導(dǎo)放射測(cè)試
圖7顯示傳導(dǎo)放射測(cè)試的先期一致性測(cè)試設(shè)置時(shí)，先以筆記本電腦使用的通用AC-DC電源配接器作為DUT。針對(duì)傳導(dǎo)放射測(cè)試，必須使用LISN而非天線?；旧纤且粋€(gè)置于AC或DC電源與DUT之間的低通濾波器，用于產(chǎn)生一個(gè)已知的阻抗，并提供RF噪聲測(cè)量端口。它還能隔離不理想的RF訊號(hào)與電源。增加前置放大器也是提升DUT訊號(hào)電平的好辦法之一。
圖7：使用線路阻抗穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)(LISN)進(jìn)行傳導(dǎo)放射測(cè)量
在此例中值得一提的是，在60或50Hz電源上傳導(dǎo)的干擾在某些情況下也會(huì)發(fā)生問(wèn)題。盡管大多數(shù)的傳導(dǎo)EMI測(cè)試規(guī)定測(cè)量的頻率范圍為9kHz~1GHz，但有必要時(shí)最好在更低頻率范圍測(cè)量訊號(hào)。
為了獲得最佳的傳導(dǎo)EMI 測(cè)量結(jié)果，最好使用兩個(gè)LISN：一個(gè)用于為DUT提供規(guī)定的阻抗；另一個(gè)用于連接頻譜分析儀或接收機(jī)。無(wú)論如何至少要有一個(gè)LISN。由于這是一種經(jīng)濟(jì)型電源，因此傳導(dǎo)放射在大約172Hz時(shí)很自然地超過(guò)上限(圖8)。
圖8：傳導(dǎo)放射測(cè)試在經(jīng)濟(jì)型電源頻譜低端發(fā)現(xiàn)的超限情況
輻射放射測(cè)試
在選擇測(cè)試地點(diǎn)進(jìn)行輻射放射測(cè)試時(shí)，最好挑選一個(gè)能最小化外部訊號(hào)源的位置。農(nóng)村地區(qū)、會(huì)議室或地下室都是不錯(cuò)的地點(diǎn)，因?yàn)檫@些場(chǎng)所可能讓試圖測(cè)量的DUT放射訊號(hào)被遮蔽的程度降至最低。圖9是典型的輻射放射測(cè)試設(shè)置。
針對(duì)這方面的測(cè)量，可以使用三個(gè)成本非常低的PCB對(duì)數(shù)周期天線，以及一個(gè)雙錐天線。將這些天線安裝在三腳架上，以便于部署。天線因子(AF)和線纜損耗應(yīng)輸入于頻譜分析儀中，以便校正磁場(chǎng)強(qiáng)度。雙錐天線用于20~200MHz頻率，在此頻率范圍的波長(zhǎng)越長(zhǎng)需要越大的天線；背景噪聲也可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗ㄔS多無(wú)線廣播頻率。
圖9：進(jìn)行輻射放射測(cè)試的測(cè)試設(shè)置，并盡可能選擇一個(gè)能使外部訊號(hào)噪聲減至最低的地點(diǎn)
先期一致性測(cè)試通常分別以距DUT不同的距離進(jìn)行，例如1公尺和幾公分等?？s短DUT與測(cè)試天線之間的距離，增加了DUT訊號(hào)強(qiáng)度與RF背景噪聲之比。遺憾的是，近場(chǎng)結(jié)果并不能直接轉(zhuǎn)換成EMI一致性測(cè)試中所使用的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，因此切莫輕易下結(jié)論。增加前置放大器也可以有效提升相對(duì)的DUT訊號(hào)級(jí)。
在DUT上電之前，應(yīng)該先評(píng)估和表征測(cè)試環(huán)境的特性。極限線路與環(huán)境噪聲層之間有足夠的訊號(hào)空間嗎？是否有可以減少的已知訊號(hào)？需要把測(cè)試設(shè)置移至更安靜的環(huán)境嗎？
一旦接受現(xiàn)有的背景噪聲，就可以為DUT上電了。兩項(xiàng)測(cè)量作業(yè)之差就在于來(lái)自DUT的放射，如圖10所示。在此例中評(píng)估了通過(guò)EMI一致性測(cè)試的Wi-Fi展示板，因此并未偵測(cè)到故障。好消息是如果正確設(shè)置了測(cè)試，而且當(dāng)未接近極限線路，那么就可以準(zhǔn)備進(jìn)行一致性測(cè)試了。
圖10：在VHF頻段清楚地看到廣播訊號(hào)(但此例中的超限情況與DUT無(wú)關(guān))
無(wú)線IoT裝置的另一重要方面是「意圖輻射器」(intentional radiator)測(cè)試。意圖輻射器是指在執(zhí)行功能時(shí)會(huì)廣播無(wú)線電能量(而非紅外線或超音波能量)的任意裝置。意圖輻射器也存在非意圖測(cè)試方面的要求。由于內(nèi)部電路之故，在裝置設(shè)計(jì)使用的頻率之外也可能發(fā)生輻射放射。
在為這一類測(cè)試選擇頻譜分析儀時(shí)，考慮重點(diǎn)在于它至少要能擷取到裝置內(nèi)部輻射訊號(hào)的第三階諧波(或甚至更高)。意圖輻射器的測(cè)試設(shè)置與輻射放射設(shè)置相同。但此例中關(guān)注的頻率限于規(guī)格(如Wi-Fi、藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn))指定的輻射頻率與頻率屏蔽。
結(jié)語(yǔ)
IoT不再只是一種炒作，它帶來(lái)了機(jī)會(huì)，可望透過(guò)智能裝置和分析為客戶創(chuàng)造更多價(jià)值。對(duì)于打造IoT裝置的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，硬件只是一個(gè)開始——它為打造軟件和分析功能奠定基礎(chǔ)。
當(dāng)克服上述的挑戰(zhàn)后，就能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讓IoT設(shè)計(jì)更實(shí)用也更有彈性。這些IoT就緒的測(cè)試套件并不一定很貴或很難，但有助于朝向成功邁出第一步。
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