News Das IoT aus der Ferne testen – die Notwendigkeit eines flexiblen Prüfstands

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geschrieben von Alex Wong, Digilent

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein Konzept, das sich ständig weiterentwickelt. Ursprünglich wurde es von drahtlosen Sensornetzwerken (Wireless Sensor Networks / WSN) in bestimmten ISM-(Industrial, Scientific, and Medical-)Frequenzbändern dominiert. Diese Netzwerke benutzen nur einige wenige gängige Protokolle wie Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee usw. Der Anwendungsbereich ist jedoch dramatisch gewachsen und umfasst nun auch Wohn-, Stadt-, Gewerbe-, Medizin- und Industriebereiche. Angesichts dieser Vielfalt an IoT-Geräten wird es zunehmend schwieriger, IoT-Tests, -Debugging und -Validierung richtig zu definieren und umzusetzen. Ob Komponenten- oder Systemtests, immer mehr Testingenieure ziehen es vor, ihre Test- und Messvorrichtungen mittels Desktoptestgeräten in die eigenen vier Wände zu verlegen. Dieselbe Fernüberwachungs- und Analysetechnik, die im IoT eingesetzt wird, kann auch für die Test- und Messindustrie (T&M) genutzt werden, indem Testroutinen und Testdaten in die Cloud übertragen und zwischen Geräten ausgetauscht werden. Dies erfordert jedoch einen einfach einzurichtenden Prüfplatz, der nicht viel Raum benötigt, der eine Verbindung zur Cloud besitzt und es Benutzern ermöglicht, ihren Arbeitsbereich zu teilen und zu verteilen, um die Messungen durchzuführen.

Dieser Artikel untersucht einige der gängigen Tests für IoT-Geräte sowie die Herausforderungen im Zusammenhang mit IoT-Ferntests. Er schließt mit Test- und Messtrends, die Lösungen dafür bieten.

Verschiedene Formen der IoT-Gerätetests und die dazu notwendigen Geräte

Leistungsanalyse

Die Analyse der Leistungsaufnahme bei IoT-Geräten muss vor allem sicherstellen, dass diese in ihrer verfügbaren Leistung eingeschränkten Geräte nicht zu viel Energie verbrauchen. Viele IoT-Protokolle rühmen sich mit einer Batterielebensdauer von zwei bis fünf Jahren, einige sogar von zehn Jahren, da der Netzknoten oft in einem Ruhemodus mit extrem niedrigem Stromverbrauch arbeitet. Falls festgestellt wird, dass ein IoT-Gerät zu viel Strom verbraucht, ist es entscheidend, den Grund dafür zu erfahren, damit der IoT-Knoten problemlos funktionieren kann.

Instrumente wie Multidomain-Oszilloskope und Leistungsmessköpfe, die über eine entsprechende Software oder ein integriertes Betriebssystem verfügen, ermöglichen eine unkomplizierte Leistungsanalyse. Die Stromverbrauchsanalyse von IoT-Geräten beinhaltet die Möglichkeit, den dynamischen Stromverbrauch in allen Modi (etwa aktiv, Leerlauf und Ruhezustand) sowie die Übergänge zwischen diesen Modi zu überwachen und zu erfassen (Bild 1). Darauf aufbauend kann ein Stromprofil eines konkreten Geräts erstellt werden, nachdem es mehrere Tage lang geprüft wurde. Damit kann eine detailliertere Analyse der Batterielebensdauer des IoT-Geräts generiert werden. Die Berechnung der Lebensdauer kann dann anhand des erhaltenen Leistungs- oder Stromverbrauchsprofils vorgenommen werden.

Bild 1

Bildunterschrift: Oszillogramm einer Messung der Leistungs- und Stromaufnahme eines einfachen RC-Stromkreises unter Verwendung eines Messwiderstandes, um eine Differenzspannungsmessung zu erhalten. Die Mathematikfunktion eines Oszilloskops kann damit den Strom und die Leistung berechnen, die durch den Stromkreis fließen.

Fehlersuche bei serieller Kommunikation und analogen Schnittstellen

Jedes IoT-Gerät setzt auf eine langsame serielle Kommunikation, einschließlich der gängigen UART, SPI und I2C Schnittstellen. Weiterhin gibt es anwendungsspezifische Protokolle wie CAN und Feldbus, die von Standard-Mikrocontrollern (MCUs) und Mikroprozessoren (MPUs) unterstützt werden. Diese seriellen Low-Speed-Kommunikationsprotokolle müssen sowohl in der Forschungs- und Entwicklungsphase (F&E) als auch in der Entwurfs- und Validierungsphase des Entwicklungsprozesses dekodiert und getestet werden. Die gleiche integrierte Prüfung wie bei den digitalen Signalen kann bei den analogen Schaltkreisen des IoT-Knotens ebenfalls verwendet werden, um sicherzustellen, dass die analogen Signale des A/D-Wandlers (ADC), des D/A-Wandlers (DAC), des RF-Frontends und des bordeigenen Taktgebers dem Datenblatt entsprechen.

Die Fehlersuche bei der seriellen Kommunikation erfolgt in der Regel mit einem Oszilloskop, einem Protokollanalysator, einem Logikanalysator oder einem speziellen Tester für die serielle Schnittstelle. Ein Oszilloskop bietet normalerweise eine Signalanalyse durch eine analoge Erfassung der seriellen Verbindung. Probleme wie Signaljitter, Übersprechen, große Unter- und Überschwinger, ungewöhnlich hohe oder niedrige Spannungspegel und langsame Anstiegszeiten lassen sich mit Oszilloskopen leicht erkennen. Die meisten dieser Fälle zeigen grundlegende Schaltungsprobleme auf und bieten einen rudimentären Blick auf die serielle Kommunikation. Um jedoch den dekodierten Inhalt dieser Datenpakete darzustellen, werden Protokoll- und Logikanalysatoren sowie Tester für serielle Schnittstellen verwendet. Diese bieten Ingenieuren eine einfachere Möglichkeit zur Interpretation und Analyse von Datenpaketen. Die digitalen Eingänge ermöglichen komplexere Pattern zum Triggern der Erfassung und Auswertung des digitalen Signals. Dies ermöglicht längere Aufzeichnungen mit einem Logikanalysator (Bild 2). Ein Protokollanalysator interpretiert anschließend den Inhalt der seriellen Kommunikation.

Bild 2

Beispieldiagramm eines Logikanalysators, der ein I2C-Signal mit den logischen Zuständen High und Low auf den Takt- und Datenleitungen sowie die den I2C.

RF-Signalanalyse

Der drahtlose Aspekt des IoT macht den Unterschied zu den leitungsgebundenen Protokollen, die in vielen Überwachungs- und Kontrollsystemen verwendet werden. Erst durch diesen wird die Kommunikation in massivem Umfang möglich, und es entsteht ein ausreichend großer Datensatz für effektive Analysen und Vorhersagemodelle in der Cloud. Auf der Ebene der Geräte müssen die Techniker jedoch in der Lage sein, die kabellose Leistung dieser Geräte zu bewerten. Die Antennencharakterisierung kann ein kritischer Schritt für Ingenieure sein, die eine handelsübliche Antenne integrieren oder ein benutzerdefiniertes Antennendesign implementieren möchten. Die Kenntnis der gesamten HF-Ausgangsleistung ist entscheidend für die Einhaltung der FCC-Vorschriften im beliebten ISM-Spektrum, das viele dieser Protokolle nutzen. Interferenzanalysen helfen bei der Entwicklung und Validierung, um zu verstehen, wie das Gehäuse ein hochempfindliches Signal wie NFC (Near-Field Communication) dämpft oder stört. Messgeräte wie Tester für die drahtlose Kommunikation, Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNAs), Multidomain-Oszilloskope und Spektrumanalysatoren unterstützen bei der HF-Charakterisierung und -Analyse von IoT-Endknoten. VNAs liefern die S-Parameter eines zu prüfenden Geräts (Device under Test / DUT). Dies könnte etwa der Ermittlung der Verstärkung und des Stehwellenverhältnisses (VSWR) einer Antenne durch Over-the-Air-Tests entsprechen. Der Spektrumanalysator zeigt den spektralen Inhalt des IoT-Knotens auf und weist auf Leistungs- oder Interferenzprobleme hin, die das Gerät möglicherweise hat.

Bündelung der Testmöglichkeiten für IoT-Geräte

Es versteht sich von allein, dass für IoT-Geräte mehrere Instrumente erforderlich sind, von denen einige oft auf das Gerät selbst zugeschnitten sind, wie Ultraschallsensoren, die den Offen- oder Geschlossenzustand von automatisierten Jalousien prüfen. Dennoch ist es wünschenswert, die Anzahl der für die Hardwareprüfung von IoT-Knoten notwendigen Messgeräte so weit wie möglich zu minimieren. Herkömmliche eigenständige Testgeräte können in vielen Fällen bezüglich Kosten, Portabilität und Platz limitiert sein. Das klassische Einzelgerät zeichnet sich im Allgemeinen durch ein geschlossenes Betriebssystem und eine Benutzeroberfläche aus, die beide auf einer kundenspezifischen, proprietären Hardware laufen, die in der Regel über eine Art Mensch-Maschine-Schnittstelle (beispielsweise Tasten, Regler und Touchscreen) gesteuert wird. Stattdessen kann eventuell eine Kombination aus vielen der oben genannten gebräuchlichen Tests ausreichen, um die erforderlichen Messungen durchzuführen. Im Regelfall arbeiten IoT-Geräte nicht mit digitalen Hochgeschwindigkeitsprotokollen wie SerDes, PCIe oder Multi-Gigabit-Ethernet, die High-End Multidomain-Mixed-Signal-Oszilloskope für die Signalintegrität erfordern würden oder benutzen Millimeterwellen-Kommunikation, die einen VNA jenseits des Ka-Bandes benötigen.

In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten IoT-Anwendungen immer noch relativ langsame serielle Schnittstellen verwenden und normalerweise die ISM-Bänder unter 6 GHz nutzen, wäre ein solides Mittelklasse-Oszilloskop mehr als ausreichend. Damit können Leistungsanalysen, das Debugging von seriellen Kommunikationsschnittstellen und analogen Interfaces sowie in einem gewissen Maß eine Analyse von HF-Signalen durchgeführt werden. In der T&M-Industrie gibt es zudem eine steigende Nachfrage nach tragbaren Multi-Instrumenten und Tischgeräten, die in Bezug auf Kosten und Anpassungsfähigkeit erschwinglicher sind. Hochkomplexe T&M-Geräte können auf leistungsfähigen Standard-FPGAs, System-on-Chips (SOCs) und ASICs (sowie leistungsstarken ADCs) aufbauen, um industrietaugliche Testsysteme zu generieren, ohne dass für Marken- und kundenspezifische DSP-Chipsätze, wie sie in Stand-Alone-Geräten zu finden sind, übermäßig viel bezahlt werden muss. Bei einem Mixed-Signal-Oszilloskop kann ein einziges Gerät durch eine Kombination aus leistungsfähigen handelsüblichen ADCs für analoge und digitale Kanäle die Möglichkeiten vieler verschiedener Geräte auf sich vereinen. Ein analoges Signal im Zeitbereich kann zum Beispiel mit Fast-Fourier-Transformationen (FFTs) im Frequenzbereich dargestellt werden, um als Spektrumanalysator zu fungieren. Dasselbe Konzept lässt sich auf andere Instrumente wie Stromversorgungsgeräte, Spannungsmessgeräte, Logikanalysatoren, Protokollanalysatoren, Netzwerkanalysatoren und vieles mehr ausdehnen. Und das alles mit ein und demselben Gerät, sofern eine entsprechende Signalverarbeitung und passende mathematische Verfahren angewandt werden.

Zusätzliche Flexibilität durch Multi-Instrumenten-Prüfgeräte

Ein zusätzlicher Nutzen tragbarer Tischgeräte ergibt sich aus der Flexibilität, standortunabhängig einen Prüfaufbau zu erstellen. Im Idealfall kann ein Techniker die Softwareanwendung des Herstellers auf einem beliebigen Desktop- oder tragbaren Computer ausführen, um Daten zu sammeln, anstatt Datensätze von mehreren Einzelgeräten zu übertragen.

In einigen Fällen ist eine stärker integrierte Prüfeinrichtung erforderlich. Dies könnte bei automatisierten Tests der Fall sein, bei denen die Prüfgeräte ohne PC-Beteiligung betrieben werden müssen. Einige Testplattformen ermöglichen die Anpassung ganzer Testroutinen ohne Computer, so dass Ingenieure einen eigenständigen maßgeschneiderten Testaufbau erstellen können. In diesen Fällen kann der Fernzugriff auf die Testdaten von entscheidender Bedeutung sein, damit sowohl der Test als auch die Datenerfassung automatisiert und an eine Cloud-basierte Plattform zur Konsolidierung und schließlich zur Geräteanalyse weitergegeben werden können. Im Kontext der IoT-Prüfung und -Messung ist dies besonders wichtig: Denn, genaue Daten entstehen durch eine möglichst große Stichprobenmenge der IoT-Geräte und eine nahezu ständige Aktualisierung mit neuen Testdaten.

Zusammenfassung

Die Erstellung benutzerdefinierter Testroutinen mit tragbaren Multiinstrumenten-Testgeräten kann sehr nützlich sein, insbesondere bei IoT-Geräten, die normalerweise weniger komplex sind als einige andere Technologien, die eventuell hoch spezialisierte, eigenständige High-End-Testgeräte erfordern. Das Unterscheidungsmerkmal von IoT-Geräten liegt im Allgemeinen nicht in ihrer hoch entwickelten Technologie, sondern vielmehr in ihrer enormen Verbreitung. Hier sind die Anpassungsfähigkeit und Zugänglichkeit der Prüf- und Messgeräte entscheidend.

Plattformen mit mehreren Instrumenten sind von Natur aus platzsparend. Darüber hinaus erlaubt die Möglichkeit, benutzerspezifische Testroutinen zu erstellen und den angeschlossenen Laptop abzutrennen, eingebettete Tests in Stand-Alone-Geräten. Diese Arbeitsbereiche und Testroutinen können gemeinsam genutzt werden, so dass Ingenieur-Teams an verschiedenen Orten IoT-Geräte unabhängig von ihrem Standort testen können. Durch den Fernzugriff kann auch die Datenübertragung in die Cloud automatisiert werden, was den Zugriff auf die Informationen vereinfacht.