某智能手表功耗分析全过程

一、穿戴式智能设备概述

1.1智能穿戴设备市场及趋势

随着“移动互联”时代的进一步发展以及高性能低功耗处理芯片的推出等，越来越多的穿戴式产品已经从概念化走向商用化。尤其是谷歌，三星，苹果等智能手机巨头纷纷发布诸如GoogleGlass，GALAXY Gear，Apple Watch更是引起广大“粉丝”的热捧！

“穿戴式智能设备”是应用于日常穿戴物品，进行智能化设计、开发的设备总称，如眼镜、手环、手套、手表、服饰及鞋等。穿戴物品具有长期伴随性，即物可以在长时间代表人的属性，如位置信息等；结合智能化，可以将人的信息数据与外界进行交流和互动，如将人的健康数据或生活规律与系统进行交互。

目前，运动健身、户外和医疗保健是智能穿戴设备最为突出的两个应用领域。 

前者，主要的参与厂商是专业运动户外厂商及一些新创公司，以轻量化的手表、手环、配 饰为主要形式，实现运动或户外数据如心率、步频、气压、潜水深度、海拔等指标的监测、 分析与服务。代表厂商如Nike、Adidas、Fitbit、Jawbone以及咕咚等。而后者，主要的 参与厂商是医疗便携设备厂商，以专业化方案提供血压、心率等医疗体征的检测与处理， 形式较为多样，包括医疗背心、腰带、植入式芯片等，代表厂商如BodyTel、First Warning、 Philips等。 

“穿戴式智能设备”时代的即将来临，品种越来越多，尺寸越来越小，功能、性能变得越来越强大，人类对它们的依赖性也将变得越来越高。可见，如何提升穿戴设备的续航时间和降低其功耗就变得更加突出。

1.2 智能穿戴设备功耗测量挑战

“工欲善其事，必先利其器”——如何快速、精确的测量“智能穿戴设备”在各种模式和状态下的耗电性能？

要回答上述问题，就必须先了解穿戴设备功耗的测试究竟有哪些挑战？穿戴设备在耗电上具有以下特征：

● 关机或休眠时，具有极低的漏电流或休眠电流——几微安（uA）甚至十几纳安（nA）

● 从休眠的微安（uA）到工作时的数百毫安（mA）级电流变化

● 占空比极低的快速电流脉冲（几百微秒us），须捕获和测量到电流脉冲

● 工作状态变化多且快，须长时间连续电流变化及可视化测量

1.3 直流电源分析仪N6705B“智能穿戴设备”耗电分析的优势

 

图1：N6705B 直流电源分析仪

世强代理的是德科技（Keysight）N6705B 直流电源分析仪(如图1)就是针对穿戴设备功耗测试设计，可完全解决穿戴设备耗电特性的测量：

● 纳安（nA）级别电流测量

● 创新的无缝量程切换技术，可以轻松测量大范围（3A-80nA）

● 高达200 KHz（5us)电流采样率，精确测量窄脉冲电流

● 高速采集的数据记录仪，可支持长达1000小时电流的连续监测

● 可视化电流测试软件，电流测试与操作同步测量和分析（如图2）

 

图2：电流测试与操作同步测量和分析

下面将详细描述“某智能手表功耗测量和分析”过程，让大家清晰看到使用N6705B怎样快速、精确的测量和分析其功耗！

二、功耗分析过程

2.1关于待测智能手表

从电子市场购买了以下某品牌的“智能电子手表“，该”手表“支持计步器、计时器、气压计、高度计、蓝牙音乐播放、电话接听、照相等功能，如图3。

 

图3：某品牌的“智能电子手表功能预览

2.2 智能手表的拆装

N6705B进行智能手表的功耗分析过程，用N6705B的电源功能替代电池给”手表“供电，并通过N6705B的电流测量功能，示波器及数据记录仪测量和分析”手表“的耗电。因此，我们会将手表的拆开，将电池取出，并用电源给“手表”供电，如图4。

 

图4：智能手表的拆装及测试

2.3 智能手表功耗测试过程

2.3.1 关机漏电流

电源设置为电池的工作电压，如4.0V，“手表”保持关机，

从N6705B读取电流值即关机漏电流87.933uA（如图5）。

 

图5：从N6705B读取关机状态电流值

2.3.2 待机功耗

按照关机漏点方式，手机开机后，等待手机进入待机休眠模式，从N6705B读取电流值167.057uA。

但，从示波器模式看，待机电流为366.887uA，两者几乎相差一倍！这是因为电流表无法捕获图中的电流脉冲所致。

 

图6：从N6705B读取待机状态电流值

2.3.3  15分钟完成从计步器/计时器/电话接听……各状态功耗测量

如图7，启动N6705B的数据记录仪Data Logger，连续记录“手表”从关机->开机->待机->蓝牙连接->蓝牙断开等一系列动作，可视化监控器电流表现。

 

图7：通过数据记录仪可视化监控器测量各状态功耗

在测试时，可以通过添加标记Tag，分别记录各种操作并使用软件的区域放大，光标来分析各功能下消耗电流大小。图上明显看到，在蓝牙连接断开后，“手表”长时间无法进入休眠状态，将导致无故的功耗增加。以上记录电流数据会自动保存到PC中，随时可以通过14585A软件打开和进行离线分析。

如图8，“手表”从待机开始，依次启动计步器，计时器，气压计，高度计，蓝牙连接，手机助手软件开启，手机来电，通话，音乐播放，蓝牙退出等一些动作下，消耗电流变化。

 

图8：同步测量和分析各状态功耗

这种可视化的测试，让开发者清晰的看到各种功能和操作下，消耗电流的变化大小及存在的问题和不足，并做出优化策略。以上过程数据记录文件为：

2.4马上试试14585A离线软件功耗分析

马上安装14585A软件，打开上述Data logger文件，体验功耗分析过程吧！

1. 下载安装IO Library和14585A软件，网站链接如下：

IOLibrary驱动文件下载地址：

www.sekorm.com/Titm/32679

www.sekorm.com/Titm/32677

14585A软件下载地址：

www.sekorm.com/Titm/32678

2.如图9，运行14585A软件，选择Data Logger，并打开上述两个文件（文件大小约为

70MB）

 

图9：运行14585A软件添加文件

3. 使用14585A开展各种状态下的功耗，并逐一进行功耗特性的分析，如图10、11、12。

 

图10：使用14585A逐一进行功耗特性的分析

上图看到的计步器在运动模式下，即使显示屏关闭（黑屏）时耗电电流为16.65mA，如图10。

 

图11：黑屏计时器运行耗电18.77mA

又有显示屏关闭（黑屏）计时器运行耗电18.77mA，如图11。

 

图12：准确的待机功耗测试376.356uA

再有，准确的待机功耗测试376.356uA，图12。

你还能看得更多……

三、功耗测试配置

3.1 N6705B直流电源分析仪

• 1 至4 路高性能电源输出或电子负载

• 数字电压表和电流表

• 带功率输出的任意波形发生器

• 电压、电流示波器

• 电压、电流数据采集

• 所有的测量和功能都能通过前面板实现

 

图13：N6705B直流电源分析仪

3.2 N6781A耗电分析的两项限源表(SMU) 模块

• 纳安（nA）级别电流测量

• 创新的无缝量程切换技术，可以轻松测量大范围（3A-80nA）

• 高达200 KHz（5us)电流采样率，精确测量窄脉冲电流

 

图14：N6781A耗电分析的两项限源表(SMU) 模块

3.3电脑端分析软件14585A

• 增强数据控制和分析功能，并使用与PC相同的控制（鼠标&键盘）以及更大的显示界面；

• 增强的缩放、局部放大、清晰的光标设置和光标运算（如mAh,mWh等能量累集）等功耗统计分析；

• 波形捕捉和回放，数据导入、导出，直接将复杂波形转换为任意波形发生器输出等；

• 提供CCDF统计分析，用于电流分布情况分析；

• 数据记录仪模式时，直接将数据存入电脑硬盘，存储数据大小直接取决于硬盘空间。

图15：电脑端分析软件14585A