Токомер

Прибор для честного ответа на вопрос «сколько на самом деле ест это устройство». Он вырос из нашей собственной разработки: когда делаешь датчики, которые должны прожить на батарейке два года, догадки не работают — нужен инструмент, который одновременно видит и микроамперы сна, и десятки миллиампер в момент передачи.

Что это даёт:

• Видит весь размах — от единиц микроампер до 1,2 ампера, с разрешением 0,5 мкА.
• Успевает за пиком — внутренняя выборка 10 кГц: миллисекундная вспышка передатчика не проскакивает мимо счёта.
• Работает без компьютера — ток, напряжение, минимум и максимум, накопленный заряд и график видно прямо на экране.
• Питает испытуемое устройство — джампером выбирается 3,3 В, 5 В или внешний источник; прибор просто встаёт на место батарейки.

Зачем нужен отдельный прибор

Автономное устройство почти всё время спит, потребляя единицы или десятки микроампер, и лишь на миллисекунды просыпается, чтобы передать данные — там уже десятки миллиампер. Срок жизни батарейки определяется средним током, а он складывается из обоих режимов, и ошибиться можно в разы: разница между 5 и 25 мкА во сне — это разница между двумя годами и полугодом.

Обычным мультиметром такое не измеряется: он либо не различает микроамперы, либо не успевает за импульсом, а усреднение по сотням миллисекунд сминает и сон, и пик в одно бессмысленное число. Токомер сделан именно под эту задачу — под ток, который меняется на пять порядков за миллисекунду.

Что показывает на экране

Компьютер нужен только тогда, когда хочется разобрать запись подробно. Для повседневной работы всё есть на самом приборе:

• Ток прямо сейчас и напряжение на испытуемом устройстве;
• Минимум и максимум за сессию — то есть ток сна и пиковый ток передачи, две главные цифры;
• Накопленный заряд в мА·ч и таймер сессии — из этой пары получается средний ток, а из него уже прикидывается срок жизни батарейки;
• График — переключается между током и напряжением. По току видно саму форму процесса: как устройство просыпается, сколько держит радио включённым и как засыпает обратно. По напряжению видно другое — просадку питания: именно она объясняет, почему устройство иногда срывается в перезагрузку на пусковом токе.

Диапазон, разрешение, выборка

Выборка 10 кГц — это отсчёт каждые 100 микросекунд. Импульс передачи длиной в миллисекунду попадает в него десятками точек, поэтому и пиковый ток, и накопленный за импульс заряд считаются по реальным данным, а не по одному случайно пойманному значению.

Три шунта и четыре набора порогов

Размах от микроампер до ампера одним шунтом не берётся, поэтому в приборе их три, и он переключает их автоматически:

Пороги переключения не зашиты намертво — их четыре набора, и выбор набора и есть настройка чувствительности:

Зачем разные пороги «туда» и «обратно». Гистерезис здесь примерно 10 % и сделан намеренно: на наборе 0 прибор уходит с 5 Ом на 0,5 Ом выше 12 мА, а возвращается только ниже 11 мА. Будь порог один, ток, гуляющий вокруг него, заставлял бы прибор дёргать шунты туда-сюда на каждом отсчёте — вместо измерения получилась бы дребезжащая граница.

Как выбирать набор. Чем меньше номер, тем дольше прибор держится на чувствительном шунте: подробнее видно сон и мелкие токи. Чем больше номер, тем раньше он уходит на грубый — и тем меньше шансов вмешаться в работу устройства. На наборе 3 всё, что потребляет больше 12 мА, меряется уже на 0,05 Ом, и в рабочей области переключений практически не остаётся.

Переключения видно глазом. В момент смены шунта прибор моргает светодиодом — не нужно вычитывать это из графика. Отсюда простой способ подобрать набор: если светодиод частит, ток гуляет вокруг порога, и стоит взять набор, на котором рабочий участок целиком укладывается в один шунт.

Практическое правило: если под токомером устройство перезагружается или не запускается, а от своей батарейки и блока питания работает нормально — берите набор с более низкими порогами. Всё, что запускает мотор или привод, обычно так и меряют: разрешение на микроамперах там всё равно не главное.

Питание испытуемого устройства

Питание выбирается джампером, три варианта:

• 3,3 В — типовое питание Zigbee/BLE-модулей и логики;
• 5 В — для того, что питается от USB-уровня;
• Внешнее, до 12 В — когда устройство должно питаться от своего источника, а токомер стоит в разрыв.

На практике это выглядит так: щупы-крючки цепляются на контакты батарейного отсека, и прибор занимает место батарейки. Устройство при этом работает как обычно — просто теперь известно, сколько именно оно потребляет в каждый момент.

Лог в компьютер: CSV

Передача по USB — включаемый режим: она работает не всегда, а когда её включили. В этом режиме прибор отдаёт CSV: номер выборки и измеренное значение, с шагом 20 мс. Этого достаточно, чтобы построить профиль потребления за минуты и часы, посчитать средний ток и увидеть, как устройство ведёт себя в цикле.

Почему 20 мс, а не 10 кГц. Это ограничение пропускной способности USB low speed: полный поток в компьютер просто не проходит. Поэтому роли разделены честно — быстрая часть работы происходит внутри прибора: минимум, максимум, накопленный заряд и график считаются по полной выборке 10 кГц, и именно им нужно верить в вопросах про пики. Лог по USB — это инструмент для длинных наблюдений, а не осциллограмма одного импульса.

Насколько это «настоящий» прибор

Честный ответ: токомер стоит между мультиметром и лабораторным анализатором потребления — и это осознанное место, а не недоделанность.

Мультиметр для такой задачи не годится в принципе. Он обновляет показания несколько раз в секунду и усредняет, поэтому устройство, которое спит на 5 мкА и просыпается на 30 мА на две миллисекунды, он покажет то как «около нуля», то как «около десяти миллиампер» — смотря куда попал момент опроса. Ни одно из этих чисел ничего не значит.

Профессиональные анализаторы потребления и источники-измерители (тот же Nordic Power Profiler, лабораторные SMU) дают то, чего здесь нет:

• разрешение в наноамперах, а не в долях микроампера;
• выборку в сотни килогерц и выше — можно рассматривать форму одного радиоимпульса;
• полноскоростной поток в компьютер с осциллограммой, а не прореженный до 20 мс CSV;
• нормированную погрешность и поверку — цифру, на которую можно сослаться в документе.

Последняя строка таблицы важнее остальных. Мы называем разрешение — 0,5 мкА, ступеньку, с которой прибор показывает ток. Это не то же самое, что нормированная погрешность с сертификатом: за ней идут к приборам другого класса и другой цены, и мы этого не обещаем.

Почему этого хватает

Потому что задача здесь не метрологическая. Вопрос звучит не «сколько ровно микроампер», а «проживёт устройство год или два» — и в ответе на него прибор давно не самый большой источник ошибки:

• Разница, которую нужно увидеть, огромна. Ток сна 5 мкА против 25 мкА — это разница в пять раз, и разрешение 0,5 мкА показывает её с колоссальным запасом. Различать 5,0 и 5,1 мкА бессмысленно: на срок жизни это не влияет.
• Настоящий разброс живёт вне прибора. Температура, саморазряд батарейки, её партия и производитель, а главное — сеть: одно потерянное соединение с родителем или пачка повторных передач меняют потребление сильнее, чем любая погрешность шунта. Об этом — отдельный разбор в блоге.

Гнаться за наноамперами, оценивая срок жизни батарейки, — это точность не там, где ошибка. Зато у токомера есть то, чего у дорогих приборов обычно нет: он работает сам по себе. Не нужен ни компьютер, ни установленная программа, ни свободный стол — прицепил крючки, посмотрел на экран. В ежедневной разработке это оказалось важнее лишнего разряда точности.

Откуда он взялся

Токомер родился как вспомогательный инструмент для собственной разработки. Нам нужно было мерить потребление своих устройств — и мерить постоянно, а не раз в квартал. Пробовали разное, в том числе Nordic Power Profiler Kit, но в итоге сделали своё: достаточно точное и очень удобное в ежедневной работе — включил, прицепил крючки, увидел цифры, без запуска программы на компьютере.

Прибор оказался полезен настолько, что мы стали продавать его отдельно. Никакого маркетингового замысла здесь нет: это ровно тот инструмент, которым мы сами пользуемся при разработке устройств ПушОк.

Кому пригодится

• Разработчикам автономных устройств — Zigbee, BLE, LoRa, любые датчики на батарейке: замер тока сна, стоимости одного пробуждения, проверка того, что прошивка действительно засыпает.
• Тем, кто разбирается с чужим устройством — почему батарейки хватает на месяц вместо заявленных двух лет. Часто ответ виден сразу: устройство не спит вовсе или просыпается в разы чаще, чем должно.
• Ремонту и диагностике — паразитное потребление, ток покоя, утечки.

О том, что именно съедает батарейку у ZigBee-устройств и как это лечится на уровне сети, есть отдельный разбор в блоге: Оптимизация энергопотребления ZigBee.

Характеристики

Ресурсы

Также рекомендуем

Выносной датчик температуры и влажности · 695 ₽

Оптический считыватель электросчётчика

Автономный ретранслятор · 2 692 ₽