경북대학교 - 전력 측정 및 분석 시스템 (PMES: Power Measurement & Exploration System)

Author(s):
이종열 선임연구원 - 경북대학교 임베디드소프트웨어연구센터

Industry:
Electronics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
기존의 솔루션들은 상대적으로 낮은 전류를 사용하는 휴대단말에 이용할 경우에 오차가 매우 크다는 문제점과 화면캡쳐 수준의 미약한 데이터 로깅 기능으로 장시간 측정데이터의 로깅이 불가능하다는 문제점을 안고 있다.

The Solution:
휴대 단말의 배터리 소모 효율 최적화를 위해서 단말 내에 존재하는 다수의 하드웨어 모듈에서 소비되는 전력을 동시에 동기적으로 측정, 저장 및 분석 기능을 제공한다.

요약 :
개발된 솔루션은 휴대 단말의 배터리 소모 효율 최적화를 위해서 단말 내에 존재하는 다수의 하드웨어 모듈에서 소비되는 전력을 동시에 동기적으로 측정, 저장 및 분석 기능을 제공한다. 확장기능으로 하드웨어 모듈에서 소모되는 전력 측정과 함께 소프트웨어 함수에 의해서 소모되는 전력을 측정하고 분석하는 기능도 함께 제공한다. 본 솔루션은 휴대 단말 설계단계에서 동일기능 하드웨어 부품 중에서 소모전력을 최소화 할 수 있는 부품 선정 뿐 아니라, 커널 및 응용 소프트웨어에 의한 소모전력 상황을 가시적/통계적으로 나타내어 하드웨어 및 소프트웨어 통합 소모전력 측정/분석을 위해 유용하게 이용된다.

개발 배경 :
개발된 솔루션은 휴대 단말 상의 주요 응용 프로그램이 실행될 때 어떤 함수에 의해서 각 하드웨어 모듈에서 얼마만큼의 전력이 소모되는가를 측정, 분석 및 디버깅함으로써 휴대단말의 소모 전력을 최소화하고자 개발되었다.
기존 개발된 유사 솔루션들은 높은 전류를 측정하는 전기공학, 전력전자 분야에서 사용되는 오실로스코프가 주류를 이루고 있다. 특히, 이들은 유도전류 및 홀센서 등을 이용하기 때문에 상대적으로 낮은 전류를 사용하는 휴대단말에 이용할 경우에 오차가 매우 크다는 문제점과 화면캡쳐 수준의 미약한 데이터 로깅 기능으로 장시간 측정데이터의 로깅이 불가능하다는 문제점을 안고 있다.
개발된 솔루션은 NI 4070, 4071 카드를 이용함으로써 휴대단말의 PCB상에 존재하는 장치들의 전류측정에 적합한 측정범위, 해상도, 및 신뢰성을 확보하도록 하였다. 또한, 간편하며 강력한 UI기능을 제공하는 LabVIEW를 이용하여 사용자 UI를 제공함으로써 사용자 편리성뿐 아니라, 높은 이식성을 확보하였다.

본론 :

하드웨어
개발된 솔루션은 휴대 및 소형 단말의 소모전력을 동기화된 멀티(4) 채널을 이용하여 장시간 측정/로깅, 실시간으로 디스플레이, 그리고 채널별(간) 소모전력 패턴을 분석하는 계측 장비이다. 개발된 솔루션의 구조는 그림 1에서와 같이 전력측정시스템(PMES-4HS)과 전력측정대상(Target System)으로 구분된다.

그림 1. 개발 솔루션의 구조

전력측정시스템은 PC 기반 시스템으로 PXI 버스, NI DMM(PXI-4070/4071) 카드 4매, DAQ(PXI-6220) 카드 1매로 구성되어 있으며, 초당 100샘플 이상의 샘플링속도, 5.5 digit 측정해상도, 1nA~3A 측정전류범위, 100Hz 동기 클럭, 4개의 동기화된 전력 측정 채널 등을 제공한다.

소프트웨어
소프트웨어로는 Windows XP 운영체제 상에 LabVIEW 기반의 전력측정을 위한 Power-Meter 모듈과 측정된 전력 분석을 위한 Power-Analyzer 모듈이 탑재된다. 이 소프트웨어 모듈을 통하여 4개의 하드웨어 채널을 통한 동기화된 측정이 가능할 뿐만 아니라, 200GB 저장공간을 통하여 실시간/장시간의 측정된 데이터(전류/전압) 로깅이 가능하다. 또한, 분석 툴을 이용하여 채널별 및 채널간 소모전력 분석(구간별 평균/분산/최대 등) 기능이 현재 제공되고 있으며, 이외의 다양한 분석 함수들 추가가 사용자 요구에 따라서 용이하게 이루어 질 수 있다.

그림 2. Power-Meter 및 Power-Analyzer 화면

확장 기능으로 개발된 솔루션에 전력측정대상 시스템에 수행되는 함수를 정보를 수집하기 위한 모듈(DAR Gather)을 탑재하고 하드웨어 소모전력 측정과의 동기화를 위한 모듈(Clock Speed Controller)를 연결함으로써 보다 강력한 전력 측정 및 분석을 위한 계측장비로 이용할 수 있다. 즉, 특정 시간 구간 동안에 특정 하드웨어 모듈에 의해서 소모되는 전력뿐만 아니라, 그 당시에 수행되는 함수의 정보까지도 수집하고 분석할 수 있는 기능이 제공된다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
그림 3과 같이 개발 솔루션은 컴팩트한 패키징을 통하여 휴대 가능한 형태로 개발 되었으며, 본 솔루션을 이용하여 PMP, MP3 플레이어 등의 다양한 휴대 단말의 소모전력 측정 및 분석을 통하여 그 유용성을 검증해 보았다. 상용화 제품들은 배터리 단에서의 전력측정이 가능한 반면에, 특히 개발 단계의 제품들에 대해서는 본 솔루션을 이용함으로써 소모전력을 감소시키기 위해서 저전력 하드웨어 모듈 선정뿐 아니라, 응용 프로그램을 장시간 실행하면서 각 하드웨어 모듈별로 소모되는 전력을 정확하게 측정/분석함으로써 전력소모 측면에서의 문제가 되는 부분을 용이하게 파악할 수 있는 장비로 매우 유용하게 활용할 수 있다.

그림 3. 최종 개발 솔루션 모습

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이종열 선임연구원
경북대학교 임베디드소프트웨어연구센터

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