Die Verschiebung der Rechenleistung zur Anwendungsstelle wird im Allgemeinen Fog-Computing genannt und zeichnet sich durch eine Empowered Edge aus.

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Messtechniksysteme Empowered Edge fordert IoT-Entwickler heraus

13.06.2019

Der Trend zu komplexeren Systemen stellt die Hardware-Entwickler vor veränderte Aufgaben und neue Anforderungen. Wo früher eine Schnittstelle gereicht hat, müssen heutzutage viele verschiedene parallel funktionieren. Moderne Messtechnik hilft, neuen Geräte innerhalb einer angemessenen Entwicklungszeit auf den Markt zu bringen.

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Das Internet of Things (IoT) wächst kontinuierlich. Das Internet ist bereits jetzt mit mehreren Milliarden Geräten verbunden und verschiedene Studien zeigen auf, dass die Anzahl der IoT -Geräte noch weiter exponentiell steigen wird. Es werden bereits ab 2020 rund 20 Milliarden IoT-Geräte erwartet. Diese Entwicklung bringt nicht nur Probleme bei dem Transport der Daten zu den Rechenzentren mit sich, sondern insbesondere auch bei der Verarbeitung.

Die unzähligen Anfragen erzeugen einen gewaltigen Overhead und Energiebedarf, den es zu bewältigen gilt. Der Trend geht daher wieder zur Dezentralisierung. Werden die Rechenaufgaben wieder in dem Gerät selbst durchgeführt und nur die verarbeiteten Daten an die Cloud geschickt, verringert dies die übertragende Datenmenge, die Latenz und erhöht auch die Sicherheit, da kritische Daten häufig nicht mehr verschickt werden müssen. Diese Verschiebung der Rechenleistung zur Anwendungsstelle wird im Allgemeinen Fog-Computing genannt und zeichnet sich durch die Empowered Edge aus.

Steigende Herausforderung

Dies erfordert nicht nur komplexere und teurere Hardware in den Edge-Geräten, sondern stellt dementsprechend auch ganz neue Herausforderungen an die Entwickler dieser Systeme. Wenn man als Beispiel die Hardware in einem typischen Kompakt-PC betrachtet, findet man primär Schnittstellen zu fertigen Komponenten und verschiedene Spannungsversorgungen. Weitere Komponenten wie Speicher, Sensoren oder Anzeigen sind meistens in einem Package mit einer digitalen Schnittstelle integriert.

Der Entwicklungsprozess beschäftigt sich daher sehr umfassend mit verschiedensten Kommunikationssystemen. Dazu zählen interne wie SPI, I2C und PCI sowie externe wie WLAN, Bluetooth und RFID. Die Integration und Validierung dieser nimmt einen großen Anteil der Entwicklungsarbeit ein.

Alle diese Systeme benötigen Strom und daher ist es eine der größten Herausforderungen in der Entwicklung von IoT-Geräten, dem kontinuierlich steigenden Energiebedarf Herr zu werden. Allein die Controller, also CPUs, FPGAs und ASICs, benötigen meist mehrere Spannungsquellen, die über einen sehr großen Leistungsbereich effizient und stabil bleiben müssen. Bezieht man dann die Vielzahl an Komponenten für die verschiedenen Schnittstellen und Applikationen mit ein, wird man feststellen, dass man eine Vielzahl an Spannungsquellen benötigt.

Da solche Systeme immer komplexer werden wird die Anzahl der benötigten Spannungen in Zukunft weiter steigen. Diese Quellen müssen sehr dynamisch und aufgrund der geforderten Lebenszeit solcher Systeme auch in jedem Lastbereich sehr effizient sein.

Versorgung überprüfen

Es gibt Dutzende von Tests, die man durchführen kann, um die Leistung einer Spannungsquelle zu überprüfen. Unabhängig davon, ob eine AC/DC- oder DC/DC-Wandlung durchgeführt wird. Jeder Test erfordert unterschiedliche Instrumente und Testeinstellungen. Typische Geräte, die hier eingesetzt werden, sind elektronische Lasten, Oszilloskope, Multimeter und programmierbare Labornetzteile.

Die Stabilität ist eine der wichtigsten Eigenschaften beim Design von Spannungsversorgungen. Stabilitätsmessungen erfordern traditionell sperrige und teure Frequenzganganalysatoren, die in einem Labor nicht immer zur Verfügung stehen. Alternativ dazu bieten moderne Oszilloskope mit guter Ausstattung eine Bode-Plot-Funktion, mit der man bei geringem Zeit- und Kostenaufwand schnell wertvolle Aussagen über die Stabilität eines Netzteils treffen kann.

Steile Flanken erzeugen mehr Emissionen

Eine weitere Folge der Anforderungen an moderne Netzteile, wie eine kleine Bauform und hohe Effizienz, sind die immer kürzeren Schaltzyklen. Dadurch werden große Mengen an Energie schnell geschaltet. Dies führt zur Emission von Störspannungen.

Die Anforderungen an die Leiterplattenentwicklung sind hier sehr hoch und selbst bei einem vorhandenen Filter kann es schnell zu EMV-Problemen kommen. Wenn diese erst im CE-Prüflabor auffallen, sind schnell viele tausend Euro weg und die geplante Time-to-Market ist dahin. Zum Glück gibt es heutzutage für vergleichsweise wenig Geld Spektrumanalysatoren, die für Pre-Compliance-Tests geeignet sind. Dadurch lassen sich Designs schon in einem sehr frühen Stadium prüfen und potenzielle Fehler vermeiden.

Verbraucher simulieren

Auch die elektronische Last ist ein wichtiges Instrument für mehrere grundlegende Netzteiltests. Sie bietet verschiedene Methoden zum Simulieren der Verbraucher. Dabei gibt es üblicherweise vier Betriebsarten: Konstantstrom (CC), Konstantspannung (CV), Konstantwiderstand (CR) und Konstantleistung (CP). Während man beispielsweise im Konstantwiderstandsbetrieb einen linearen Verbraucher simulieren kann, bietet sich der Konstantleistungsbetrieb an, um einen Weitbereichs-DC/DC-Wandler nachzustellen. Um innerhalb dieser Betriebsarten einen echten Verbraucher darzustellen, ist es wichtig, den Verlauf von Lastkurven definieren zu können. Hier ist eine korrekt eingestellte Anstieg- und Abfallzeit der Last der Faktor, der die Simulation realistisch macht.

Eine der wichtigsten Fragen, die sich Entwickler bei mobilen Systemen stellen müssen, ist die nach der tatsächlichen Ausgangsleistung der Batterie mit dem verwendeten Verbraucher. Eine mögliche Lösung dafür bietet eine Entladungsanalyse. Dies ist notwendig, da sich in der Realität die Lebensdauer von Batterien nicht mit demselben Faktor teilt, wie die Last erhöht wird. Üblicherweise erreicht ein Akku beispielsweise bei fünffacher Last nur 15 bis 18 Prozent der vorherigen Lebenszeit. Besonders schwierig wird es dann bei gepulsten Lasten.

Bei einer nicht linearen Belastung ist eine Entladungsanalyse beinahe unumgänglich. Insbesondere muss hier der Spannungseinbruch beim Zuschalten der Last betrachtet werden. Dieser entsteht vor allem durch den Innenwiderstand, der sich über die Lebenszeit des Akkus erhöht. Unter anderem kann das zur Folge haben, dass das System bei einem Wechsel der Betriebsart abschaltet, obwohl im normalen Betriebszustand noch eine hohe Spannung abgegeben wird.

Um diese Alterung im Labor zu erzeugen, muss der Akku mehrfach Ladezyklen mit maximalen Lade- und Entladestrom durchlaufen. Hierfür empfiehlt es sich, mindestens 50 bis 75 Prozent der spezifizierten Ladezyklen durchzuführen. Daraufhin sollten realistische Lastkurven geprüft werden, um zu erfahren, ob der gewählte Typ den Anforderungen entspricht.

Datenschnittstellen

Neben der Spannungsversorgung ist die Datenübertragung eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Gerätes, das an der Edge betrieben werden soll. Es spielt auch keine Rolle, ob man ein traditioneller Hersteller von elektrischen Geräten ist oder ein Start-up aufbaut. Jeder muss lernen, wie eine kabellose Kommunikation in ein Gerät integriert wird.

Der einfachste Weg ist es derzeit, ein fertiges Modul zu kaufen und dieses in sein System aufzunehmen. Diese werden meist über UART, SPI oder I2C angebunden. Anhand eines Bluetooth-Moduls soll der Entwicklungsprozess hier grob dargestellt werden.

Der erste Gedanke sollte der Positionierung des Bluetooth-Moduls und der Antenne im System gewidmet sein. Idealerweise werden die Übertragungswege zwischen Controller, Modul und Antenne so kurz wie möglich und fern von Störquellen gehalten. Allerdings ist der Fokus primär darauf zu legen, eine Position zu finden, in der die Übertragungseigenschaften der Antenne nicht durch Gehäuseteile oder Masse-Layer verschlechtert wird.

Daher kann es zu komplexen Übertragungswegen kommen und es empfiehlt sich, die Busse nicht nur zu testen, sondern auch die tatsächlichen Signalverläufe zu analysieren. Eine durch Masse-Layer eingeführte Kapazität oder falsch gewählte Pull-up/-down- Widerstände können so schnell durch abgeflachte Flanken oder einbrechende Spannungen identifiziert werden.

Das darauffolgende Dekodieren und Prüfen der Datenpakete ist dann elementar, um eine stabile Datenübertagung zu gewährleisten. Dies ist aber meist auch kein Problem, da hochwertige Oszilloskope die Dekodierung und das Triggern auf die Standartbusse kostenfrei an Board haben.

Nun muss die tatsächliche Antenne entworfen werden. Der logische erste Schritt ist es, dass Referenzdesign vom Chiphersteller als Vorlage zu nehmen. Jedoch kann es ein Fehler sein, sich blind darauf zu verlassen. Eine kurze Prüfung der Antenne mit einem VNA verrät, ob das Leiterplattenmaterial die versprochenen Eigenschaften erfüllt oder ob andere in der Nähe liegende Komponenten die Übertragungseigenschaften der Antenne verfälschen.

Nachdem ein solches System nun in einen ersten funktionsfähigen Zustand gebracht wurde, ist es wichtig, auch hier einen ersten EMV-Test zu starten. Sollte die Antenne Signale von anderen Komponenten einfangen, werden diese genauso abgestrahlt wie das Nutzsignal, und die CE-Konformität ist dahin. Aber genauso sollte geprüft werden, was passiert, wenn Emissionen auf die Antenne einwirken. Diese potenziellen Fehlerursachen werden von der Antenne aufgenommen und direkt in das System injiziert.

Faktor Messautomatisierungen

Der Trend zu komplexeren Systemen stellt die Entwickler vor veränderte Aufgaben. Wo früher eine Schnittstelle reichte, müssen heute viele verschiedene parallel funktionieren. Auch Netzteile müssen weit mehr können, als nur eine Spannung zur Verfügung zu stellen. Sie müssen stabil, dynamisch und effizient sein. Gleichzeitig soll alles immer kompakter werden und die unterschiedlichen Komponenten dürfen sich dennoch nicht gegenseitig stören.

All dies und noch viele weitere Punkte haben vor allem eines zur Folge: Die Entwickler solcher Systeme können sich immer weniger auf Datenblätter und Standartroutinen verlassen und müssen im Stande sein, ihre Geräte ausführlich zu prüfen. Hier ist meist moderne Messtechnik mit flexiblen integrierten Messautomatisierungen der entscheidende Faktor, um Geräte innerhalb einer angemessenen Entwicklungszeit auf den Markt zu bringen.

Bildergalerie

  • Ein Bodeplot von einer Spannungsreferenz bis 100 kHz. Anhand von Verstärkung und Phase lässt sich die Stabilität bestimmen.

    Bild: Siglent

  • Die grafische Darstellung der Konfiguration einer Last im Intervallbetrieb.

    Bild: Siglent

  • Das Dekodieren eines SPI-Busses.

    Bild: Siglent

  • Hier sind zwei Aufnahmen derselben Patch-Antenne. Der Unterschied ist, dass sie im ersten Fall (gelber Trace) an einem Kunststoffgehäuse und im zweiten Fall (lila Trace) an einem Metallgehäuse montiert ist. Es ist erkennbar, dass sich nicht nur die nutzbaren Frequenzen, sondern auch die Effizienz um bis zu 30 dB verändert.

    Bild: Siglent

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