Die Komplexität von IoT-Modulen kann für Entwickler von integrierten Schaltungsaufbauten zur echten Herausforderung werden. Denn für das Debugging müssen alle Funktionen des Moduls sowie die Wechselwirkungen zwischen Funktionen und Komponenten getestet werden. Für umfassende Messungen mit nur einem Messgerät bietet sich ein vielseitiges Multi-Domain-Oszilloskop an.
Ein Beispiel dafür ist das Laboroszilloskop R&S RTO2000 von Rohde & Schwarz. Mit ihm kann der Anwender alle Sensor- und Steuersignale des Moduls, die integrierte Datenverarbeitung, die Stromversorgung sowie das eingebaute Funkmodul überprüfen. Das Multi-Domain-fähige Oszilloskop führt dabei Zeit-, Frequenz-, Protokoll- und Logikanalysen durch und stellt für alles den zeitlichen Bezug her. Über die analogen Eingangskanäle des Oszilloskops sieht der Anwender gleichzeitig den zeitlichen Signalverlauf, die zugehörige Spektraldarstellung und wenn gewünscht ein Spektrogramm. So führt er eine Fehlersuche auf funktionaler Systemebene durch. Über den Zone-Trigger separiert der Anwender Ereignisse im Zeit- und Frequenzbereich grafisch. Von der Speicherkapazität bis zu 2 GSa profitiert unter anderem die History-Funktion, die jederzeit Zugriff auf zurückliegende Messkurven ermöglicht. Mit dem High-Definition-Modus erhöht der Anwender die vertikale Auflösung einer Messkurve auf bis 16 Bit und sieht Details, die sonst nicht angezeigt würden.
GSM-Modul als Beispiel für ein komplexes Embedded Wireless Design
Am Beispiel des GSM-Moduls Cinterion BGS2 von Gemalto lässt sich anschaulich beschreiben, wie der Anwender mit dem RTO2000 die entscheidenden Funktionen eines IoT-Moduls testet. Das Modul ist für M2M-Anwendungen im Gesundheitswesen, Einzelhandel, Energie, Verkehr, Logistik bis zur Automobilindustrie konzipiert. So verbindet der Baustein ein GSM-Funkmodul mit einem Basisbandprozessor, dem Stromversorgungsmanagement, verschiedenen seriellen Schnittstellen für Modem, I2C (Inter-Integrated-Circuit) und Multizweck (GPIO) sowie mit der Taktquelle, dem Flash-Speicher, einem Wandler und einer Audioschnittstelle.
Für den Remote-Betrieb ausgelegt liefert das Modul mit minimalem Stromverbrauch jahrelang Daten über die Funkschnittstelle. Die Charakterisierung bezüglich Leistungsverbrauch ist deshalb ein wichtiger Bestandteil der Inbetriebnahme und Optimierung. Dabei ist auch die Analyse des dynamischen Verhaltens der Stromversorgung während einer Datenübertragung und beim Wechsel von Betriebszuständen wichtig. In einer Sleep-Mode-Konfiguration, in der der minimale Strom auf < 2 mA reduziert ist, unterbrechen Paging-Sequenzen der Basisstation die Schlafsequenz. Dann steigt der Stromverbrauch kurz auf über 100 mA. Dieser Modus wird messtechnisch unter Verwendung von Zeit-, Frequenz-, Protokoll- und Logikanalysen im Detail untersucht. Die empfindliche Stromzange RT-ZC30 misst den Stromverbrauch des IoT-Moduls. Sie löst bei einer Bandbreite von 120 MHz Ströme kleiner 1 mA auf und erlaubt einen maximalen Strom von 5 A. In Kombination mit den rauscharmen Eingangsstufen des RTO2000 sind präzise Strommessungen möglich. Um das Messergebnis nicht zu verfälschen, muss der Anwender vor der Strommessung die Stromzange entmagnetisieren und ein Autozero von Stromzange und Messkanal durchführen.
Nahfeldsonde fängt Signale der Funkantenne ab
Eine Nahfeldsonde, die mit einem analogen Eingangskanal des Oszilloskops verbunden ist, fängt die Signale der Funkantenne ein. So sind die Funksignale des Moduls sowohl als analoges Signal im Zeitbereich wie auch im Frequenzspektrum mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) sichtbar. Ein weiterer Kanal des Oszilloskops ist über einen aktiven Tastkopf an die Spannungsversorgung angeschlossen. Digitale Kanäle (MSO) dienen schliesslich zur Erfassung der Kommunikation an der Modemschnittstelle. Die einzelnen seriellen Bussignale benutzen das UART-Protokoll (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) und werden mit der Option R&S RTO-K1 dekodiert.
Dynamische Übergänge wie vom Schlafmodus mit dem sehr kleinen Strom von 1 bis 2 mA in einen funktionalen Zustand mit Strömen grösser 1 A sind kritische Messpunkte. Hier ist eine genaue Betrachtung des Stromverbrauchs mit entsprechend hoher Auflösung sinnvoll. Beim RTO2000 kann der Anwender in solchen Fällen auf den 16-Bit-High-Definition-Modus umschalten. Einstellbare Tiefpassfilter, die nach dem A/D-Umsetzer auf das Signal wirken, ermöglichen diese ungewöhnlich hohe Auflösung. Auf diese Weise sind auch Signaldetails im mA-Bereich in einem grossen vertikalen Messbereich analysierbar. Und das Oszilloskop kann bei Bedarf sogar darauf triggern.
Qualität des Funksignals abhängig vom Rauschverhalten und Störern
Über Analysen von Strom- und Spannungsverlauf während des Funkbetriebs können weitere Störungsursachen und Einsparmöglichkeiten für die Stromversorgung entdeckt werden: Wie hoch ist zum Beispiel die Belastung der Stromversorgung bei der Initialisierung von Anrufen oder bei der Übertragung von SMS-Daten? Gerade der Spannungseinbruch während des hohen Strombedarfs bei Sendesequenzen ist kritisch. Das Unterschreiten der unteren Spannungsgrenze kann beispielsweise zum automatischen Abschalten des IoT-Moduls führen.
Der Aufbau des Stromversorgungssystems ist anspruchsvoll und adressiert vielfältige Funktionalitäten. DC/DC-Schaltregler oder Low-Drop-Out-Spannungsregler (LDOs) erzeugen aus der zentralen Versorgungsspannung die entsprechenden Spannungen für die verschiedenen Funktionsblöcke. Das IoT-Modul von Gemalto verfügt über einen eigenen Power-Management-Controller sowie LDOs und DC/DC-Abwärtswandler, um eine stabile Versorgung für das GSM-Modul und die SIM-Karte zu sichern. Der Power-Management-Controller kontrolliert auch die Einschalt- und Ausschaltprozeduren des Moduls. Kritische Parameter für die optimale Funktionsweise des IoT-Moduls sind der maximale Stromverbrauch während des Sendebursts, sowie die Sicherstellung einer minimalen Spannung trotz Spannungseinbrüchen, Welligkeit und Spitzen. Weiterhin ist die Funksignalqualität stark abhängig vom Rauschverhalten und eventuellen spektralen Störern in der Spannungsversorgung.
Das Gemalto-Modul überwacht die Spannung über einen integrierten AD-Wandler. Die Lösung kann bis zu einem minimalen Intervall von 0,5 s Spannungswerte ermitteln. Dies ist ausreichend für den Betrieb, jedoch nicht für die Fehlersuche und Optimierung der Spannungsversorgung während der Inbetriebnahme der IoT-Anwendung. Hierzu misst das 1-GHz-RT-ZS10 die Spannung. Dieses besitzt eine eigene Offset-Einstellung, die der Anwender für die Messung auf die Ruhespannung einstellt. Nun kann er mit einer feinen vertikalen Skalierung in die Details der Spannungsversorgung und insbesondere auf das Rauschverhalten fokussieren. Spektrale Störer sind anschliessend durch die einfach bedienbare FFT-Funktion des RTO2000 leicht zu detektieren. Mit dem Spektrogramm ist sogar eine Analyse von Frequenzkomponenten über eine längere Zeit hinweg möglich. Durch die grafische Darstellung im Spektrogramm sind Fehler schnell erkennbar.
Fehlersuche auf Systemebene – vom Funksignal bis zum Modemsignal
Um die Kosten eines IoT-Moduls zu minimieren, wählt man in der Regel den Embedded-Design-Ansatz. Alle Funktionen einschliesslich Funkeinheit werden auf engstem Raum integriert. Dadurch können sich die Funktionsblöcke leicht stören. Um die Robustheit des Designs zu testen oder für die Fehlersuche, braucht der Anwender ein Messwerkzeug, das die Daten an den Schnittstellen zeitkorreliert erfassen und auswerten kann. Hier kann der Anwender von der Multidomain-Funktionalität der RTO-Oszilloskope profitieren. Über die analogen Kanäle werden das HF-Signal und die Spannungs- sowie Stromversorgung gemessen. Die digitalen Kanäle erfassen die Kommunikation des Moduls mit den UART-Schnittstellen. Und mit der Protokolldekodierung wird auf der «RING»-Leitung im ASCII-String das R, I, N und G lesbar. Durch den festen zeitlichen Zusammenhang der Signale, ist die Abfolge der Datenerfassung, -verarbeitung und -kommunikation analysierbar. Fehler, die durch das System wandern, kann man mit dem RTO2000 leicht finden. Und im Zusammenhang mit der Batterieoptimierung sind jegliche Aktivitäten mit dem entsprechenden Stromverbrauch korrelierbar.
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