Il Bluetooth Power Meter: uno strumento virtuale per la misurazione del consumo di moduli Bluetooth

Author(s):
D. Macii - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO
M. Corrà - TRETEC

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, GPIB

The Challenge:
La crescente diffusione di dispositivi portatili basati sullo standard Bluetooth comporta l’esigenza di misurare il consumo energetico in condizioni operative reali al fine di dimensionare le batterie necessarie per il loro funzionamento. Purtroppo, la varietà di tali condizioni operative è tale da rendere difficile l’individuazione degli stati di maggiore consumo. Ciò può indurre errori nella progettazione del prodotto finale.

The Solution:
Al fine di misurare la potenza media assorbita dai moduli Bluetooth nei vari stati operativi previsti dallo standard, si è progettato un’applicazione in LabVIEW che permette di sincronizzare il funzionamento di moduli Bluetooth realizzati da produttori diversi con gli strumenti preposti alla misurazione del loro consumo.

Breve riassunto
La flessibilità ed intuitività di LabVIEW hanno consentito di risolvere un problema applicativo estremamente critico nel panorama del test dei dispositivi portatili, ossia quello della stima dei consumi energetici in condizioni operative reali. In questo breve articolo si descrive un’applicazione che mette in luce i vantaggi di LabVIEW per la realizzazione di strumenti virtuali capaci di sincronizzare l’attività di strumenti e dispositivi diversi. Nello specifico, lo strumento virtuale proposto, denominato Bluetooth Power meter, fornisce velocemente una stima accurata della potenza media dissipata da moduli radio Bluetooth nei principali stati operativi previsti dallo standard.

Articolo

Introduzione
Bluetooth si propone già da alcuni anni come una delle più significative soluzioni tecnologiche per la creazione di Personal Area Network (PAN), ovvero di reti ad hoc composte da prodotti eterogenei capaci di riconoscersi e di comunicare autonomamente grazie ad un complesso stack di protocolli di comunicazione. Le periferiche Bluetooth generalmente sono caratterizzate da numerosi stati operativi (alcuni obbligatoriamente previsti dallo standard, altri legati a modalità di funzionamento specifiche) a ciascuno dei quali è associato un diverso consumo energetico. Ne consegue che il consumo complessivo di un dispositivo Bluetooth è strettamente connesso alla sequenza di stati operativi associati all’applicazione in cui il dispositivo in questione viene impiegato. In tale contesto, misurare velocemente e con sufficiente accuratezza la potenza media assorbita dai moduli Bluetooth, è importante per due motivi. Da un lato, in fase di sviluppo di un nuovo prodotto, una valutazione precoce dei consumi consente al progettista di scegliere in modo appropriato le funzionalità da implementare ed i componenti da impiegare. Dall’altro, in fase di test, misurare i consumi permette di garantire che il prodotto finale abbia una operatività adeguata alle aspettative del cliente o del mercato.
Essenzialmente, per misurare i consumi di una periferica Bluetooth in modo tale da riuscire a confrontare prodotti diversi, è necessario:
• individuare gli stati operativi elementari della periferica considerata;
• misurare la potenza media o l’energia associata a tali stati operativi.
I risultati di queste misurazioni possono poi essere utilizzati in un secondo momento, congiuntamente ad un modello che descrive il funzionamento del dispositivo o il protocollo di comunicazione, per effettuare una stima del consumo complessivo quando è nota la sequenza di stati operativi elementari associati all’esecuzione di un’applicazione più complessa. Alla luce di queste considerazioni, si è pensato di sfruttare la flessibilità ed intuività di LabVIEW per sviluppare un’applicazione portabile che consenta di valutare il consumo dei vari stati operativi elementari.

Descrizione dell’applicazione
Il diagramma a blocchi del sistema di misurazione è mostrato in Fig. 1. Tale sistema è composto dai seguenti elementi:
• Un Personal Computer (PC) dotato di un processore Pentium III ad 800 MHz, 512 MB di memoria SDRAM, 2 porte seriali e sul quale è istallato Windows 2000 e NI LabVIEW;
• Due moduli Bluetooth comunicanti con il PC tramite le due porte seriali;
• Due multimetri digitali Agilent 34401 collegati al PC mediante un’interfaccia NI USB-GPIB-B ed impostati rispettivamente per misurare la corrente assorbita e la tensione applicata al modulo 1;
• un oscilloscopio Tektronix 3052B che può essere controllato da remoto sia mediante la stessa interfaccia NI USB-GPIB-B, sia mediante una connessione Ethernet
Si noti che gli strumenti sono collegati solo ai terminali di misura del modulo 1. Il modulo 2, infatti, serve solo per instaurare con il primo modulo modalità di comunicazione aventi caratteristiche ben definite, consentendo in tal modo l’esecuzione di misurazioni di corrente e tensione in ciascuno degli stati operativi del modulo stesso.
Sia i moduli che gli strumenti di misura sono controllati dallo strumento virtuale (VI) realizzato in LabVIEW e denominato Bluetooth power meter. Come si può vedere in Fig. 2, il front panel è suddiviso in 4 sezioni:
• il setup panel consente di:
- avviare ed arrestare lo strumento virtuale;
- impostare la modalità di funzionamento dei moduli Bluetooth;
- predisporre alcuni parametri generali necessari per eseguire correttamente le misurazioni, come la sua durata, il timeout delle porte seriali e quello degli strumenti pilotati mediante interfaccia GPIB.
• L’output message panel permette di visualizzare e di tenere costantemente sotto controllo il comportamento dei moduli. In particolare due indicatori numerici mostrano gli indirizzi Bluetooth dei moduli impiegati, mentre quattro indicatori di stringhe provvisti di barra di scorrimento consentono di monitorare sia i comandi inviati a ciascun modulo attraverso la porta seriale, sia le relative risposte. Un indicatore di avanzamento nella parte inferiore del pannello mostra la percentuale di dati trasmessi da un modulo all’altro, quando questi sono connessi. Infine un error cluster riporta gli eventuali warning e messaggi di errore dovuti a problemi di comunicazione fra gli strumenti di misura o i moduli Bluetooth ed il PC.
• Il waveform panel riporta, in due diversi grafici, l’andamento delle forme d’onda di tensione e di corrente applicate al modulo 1. Un ulteriore indicatore mostra la frequenza di campionamento effettiva con cui vengono visualizzate le forme d’onda.
• Il measurement panel infine mostra i risultati delle misurazioni di corrente e tensione eseguite dai multimetri, come pure i valori stimati di potenza media ed energia assorbita. La misura di ciascuna grandezza è anche corredata da una stima dell’incertezza tipo valutata sulla base dello standard UNI CEI ENV 13005:2000, “Guida all’espressione dell’Incertezza di Misura” .
L’applicazione è stata facilmente remotizzata tramite lo Web Publishing Tool disponibile in LabVIEW, dopo aver configurato il PC come server. Numerosi test hanno confermato non solo il corretto funzionamento dell’applicazione, ma anche la notevole affidabilità del controllo remoto, l’accuratezza dei risultati di misura e la velocità di risposta del sistema.

Struttura strumento virtuale
La realizzazione dello strumento virtuale in LabVIEW è stata resa possibile grazie alla presenza di driver efficienti e flessibili che permettono di interfacciarsi con estrema semplicità con strumenti di misura realizzati da produttori diversi. In particolare, la configurazione e la lettura remota dei multimetri (tramite l’interfaccia NI GPIB-USB-B), e dell’oscilloscopio (tramite la connessione Ethernet) hanno richiesto uno sforzo davvero minimo. La parte più complessa dello strumento virtuale è quella relativa all’implementazione del protocollo di comunicazione tra il PC ed i moduli Bluettooth da testare, in quanto i meccanismi di comunicazione e la sequenza di stati operativi da stimolare dipendono dal firmware dei moduli in esame. Cinonostante, il Bluetootth power meter consente di controllare la pressoché totalità dei moduli disponibili sul mercato in quanto permette di trasmettere e ricevere sia messaggi di tipo testuale ad alto livello di tipo AT, sia messaggi binari a basso livello basati sullo standard Host Controller Interface (HCI) definito proprio nelle specifiche Bluetooth. L’utente, cambiando i parametri di configurazione nel setup panel (Fig. 3), può pertanto stimolare sequenze di stati operativi diverse. Non appena il modulo entra in un nuovo stato operativo, multimetri ed oscilloscopi vengono triggerati via software per eseguire una nuova serie di misurazioni. La flessibilità e capacità di sincronizzazione del Bluetooth Power meter è stato resa possibile solo grazie al grande numero di funzioni disponibile in LabVIEW, tra cui si annoverano in particolare, i VI per la manipolazione di stringhe, i Code Library Function nodes che hanno consentito di accedere agevolmente alle funzioni HCI definite all’interno di una dynamic link library (dll) preesistente, e le primitive per la sincronizzazione di eventi concorrenti.

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