Debuggen van IoT-modules

Bij het debuggen van IoT-modules moeten alle modulefuncties worden getest, evenals de interacties tussen individuele functies en componenten. Een multi-domein oscilloscoop is nodig om alle noodzakelijke metingen te kunnen doen met slechts één meetinstrument. De jongste generatie scopes kan worden gebruikt om alle sensor- en besturingssignalen van de module te testen, naast de geïntegreerde dataverwerking, de radiomodule en de voeding. Dankzij de multi-domeinfunctionaliteit zijn tijd-, frequentie-, protocol- en logica-analyses mogelijk en kunnen alle tijdreferenties worden vastgesteld. Via de analoge input-kanalen van de oscilloscoop ziet de gebruiker het signaal gelijktijdig in het tijd- en frequentiedomein en desgewenst in het spectrogram. Dit maakt effectieve foutopsporing op functioneel systeemniveau mogelijk.

Metingen aan een GSM IoT-module

De ‘Cinterion BGS2′ GSM-module van Gemalto is een goed voorbeeld van een complex embedded draadloos ontwerp voor machine-naar-machinetoepassingen (M2M). Het verbindt een GSM-radiomodule met een basisbandprocessor, het voedingsbeheer, diverse seriële interfaces voor de modem (UART-gebaseerd), I²C-geïntegreerde circuits en GPIO-componenten, evenals de klokbron, flash-geheugen, een converter en een audio-interface.

Figuur 1. Metingen aan de ‘Cinterion BGS2′ GSM-module van Gemalto. (foto’s: Rohde & Schwarz)

  

Levensduur van de batterij optimaliseren – slaapstand

Net als vele andere IoT-apparaten is de module van Gemalto ontworpen voor autonome werking op afstand en heeft hij een long-life batterij voor de voeding. Bij minimaal stroomverbruik kan de module jarenlang data leveren via de radio-interface. Het karakteriseren van het stroomverbruik van de module is daarom een belangrijk onderdeel van de ingebruikname en optimalisering. Belangrijke metingen zijn bijvoorbeeld de dynamische respons van de voeding tijdens gegevensverzending en in de slaapstand.

Het stroomverbruik van de IoT-module wordt gemeten met de gevoeligste probe die beschikbaar is, die stromen kleiner dan 1 mA kan meten bij een bandbreedte van 120 MHz met een maximale stroom van 5 A. Nauwkeurige stroommetingen zijn mogelijk dankzij de ongewoon lage ruis van de ingangstrappen van de oscilloscoop. Om foutieve resultaten te voorkomen moet de stroomprobe eerst gedemagnetiseerd worden voordat de stroom wordt gemeten. Daarnaast moeten de stroomprobe en het meetkanaal automatisch op nul zijn ingesteld om er zeker van te zijn dat ook de laagste stromen nauwkeurig worden gemeten.

 Figuur 2. Minimaal stroomverbruik in slaapstand.

Radio-antennesignalen worden in dit voorbeeld ontvangen via een NFC-probe die is aangesloten op het analoge ingangskanaal van de oscilloscoop. Radiosignalen van de module worden als een analoog signaal weergegeven in zowel het tijd- als frequentiedomein via een snelle fourierstransformatie (FFT). Een ander oscilloscoopkanaal is aangesloten op de voeding via een actieve stroomprobe. De communicatie via de modeminterface wordt vervolgens in de digitale kanalen (MSO) vastgelegd. Afzonderlijke UART seriële bussignalen worden gedecodeerd met de RTO-K1 optie. 

Figuur 3. Minimaal stroomverbruik wanneer de module niet in slaapstand is.

Voor sommige metingen aan de voeding is een meer gedetailleerde analyse vereist. Deze module vertoont bijvoorbeeld een dynamische overgang van de slaapstand met zeer lage stroom van 1 … 2 mA naar een bedrijfsstand met stromen groter dan 1 A. Bij het overschakelen naar een 16-bit brede definitiemodus worden aanpasbare laagdoorlaatfilters toegepast op het signaal na de A/D-converter, die een uitzonderlijke hoge resolutie mogelijk maken. Signaaldetails in het mA-gebied kunnen nu ook worden geanalyseerd met een groter verticaal schaalbereik.

Stroom en spanning in de zendmodus

Stroom- en spanningsgolfvormen kunnen tijdens radiocommunicatie worden geanalyseerd om meer bronnen van interferentie te onthullen en om de energiebesparingsopties te controleren. Bijvoorbeeld de spanningsval na hoog stroomgebruik tijdens overgangsverschijnselen is vooral kritiek. De voeding van de IoT-module moet ook een minimale spanning behouden tijdens spanningsdalingen, -rimpels
en -pieken. Wanneer de spanning onder de lage spanningsgrenswaarde komt, kan de IoT-module automatisch uitschakelen. De kwaliteit van het radiosignaal is ook afhankelijk van ruis en spectrale interferentie in de voeding.

Voor een voeding met hoge kwaliteit maakt de IoT-module van Gemalto gebruik van een intern power management systeem, in combinatie met spanningsregelaars met minimale drop-out  (LDO’s) en DC-DC converters die samen zorgen voor een stabiele voeding voor de GSM-module en SIM-kaart. Het power management systeem bestuurt ook de in-/uitschakelacties. De module bewaakt de spanning via een geïntegreerde A/D-converter die de spanningswaarden kan bepalen met intervallen tot minimaal 0,5 seconde. Dit is voldoende voor een normale werking, maar niet nauwkeurig genoeg voor het debuggen en optimaliseren van de voeding tijdens inbedrijfstelling.

Figuur 4. Karakterisering van spanning en stroom tijdens een GSM-zendpuls.

De spanning wordt daarentegen gemeten met de oscilloscoop en een single-ended actieve probe met een aparte offset-instelling die op rusttoestand wordt ingesteld tijdens het meten. Met behulp van een fijne verticale schaal kunnen gebruikers inzoomen op details in de voedingsspanning, met name de ruiskenmerken. Spectrale interferentie is eenvoudig te detecteren met de gebruiksvriendelijke FFT-functies. Het spectrogram maakt zelfs een analyse van de frequentiebepalende componenten mogelijk over een langere tijdsperiode; fouten zijn snel op te sporen in de grafische spectrogrammen.

Onlangs geïntroduceerde functies zoals de zonetrigger bieden gedetailleerde nuttige inzichten in de kenmerken van de voeding. Als bijvoorbeeld een masker wordt gedefinieerd voor het gebied van 890 MHz tot 910 MHz, kunnen alleen triggers worden geïnitieerd wanneer een zendpuls binnen dit gebied wordt gedetecteerd. Het is zelfs mogelijk de stroom- en spanningsgolfvormen in het acquisitiegeheugen later te correleren aan de zendpulsen met behulp van de historie-optie van de oscilloscoop.

Debuggen op systeemniveau – van radiosignaal tot modemsignaal

Bij het ontwerpen van IoT-modules wordt doorgaans uitgegaan van een embedded systeem, waarbij alle functies worden geïntegreerd in een module met minimale afmetingen. Daarom is het belangrijk de interferentie tussen de functieblokken te karakteriseren. Een meetinstrument is nodig om de data bij de verschillende interfaces met de tijdcorrelatie te registreren en vervolgens te analyseren. In deze situaties kunnen gebruikers profiteren van multi-domeinfunctionaliteit.

Figuur 5. Functionele test van het gehele systeem tijdens een aanroep.

Bijvoorbeeld, wanneer een IoT-module een aanroep ontvangt via een GSM-verbinding, worden zowel het RF-signaal als de spanning en stroom gemeten via de analoge kanalen. De digitale kanalen leggen de hieropvolgende communicatie tussen de IoT-module en de modem-interface vast. Door decodering van het protocol is het mogelijk om de " ‘R’ ‘I’ ‘N’ ‘G’ " in de ASCII-code op de gebelde modemlijn te lezen. En dankzij de vaste tijdcorrelatie tussen de signalen kunnen de tijdsequentie voor data-acquisitie, verwerking en communicatie worden geanalyseerd. De fouten die door het systeem gaan, kunnen eenvoudig worden gedetecteerd en de levensduur van de batterij kan worden geoptimaliseerd door alle activiteiten te correleren aan het bijbehorende stroomverbruik.

Dit toont duidelijk aan hoe uiterst gevoelige oscilloscopen met multi-domeinfunctionaliteit bijzonder nuttig blijken tijdens de optimalisatie en inbedrijfstelling van IoT-componenten.

Guide Schulze, pProductmanager Oscilloscopen, Rohde & Schwarz, München