Gestion de l'énergie et de la radio dans les dispositifs portables sans fil
La gestion de l'énergie dans un dispositif portable sans fil est étroitement liée à celle de la partie radio, car la radio est l'élément le plus " coûteux " dans le budget de gestion de la batterie.
Introduction
L'un des principaux critères de performance d'un appareil portable ou à porter sur soi est - normalement - une faible consommation d'énergie, de sorte que l'utilisateur n'ait pas à le recharger fréquemment. Si nous pouvons tolérer de recharger notre téléphone chaque nuit, il est prouvé que nous sommes peu enclins à recharger une multitude d'appareils.
Dans cet article, je pars également du principe que le dispositif portable communique sans fil, comme c'est le cas pour la majorité de ces produits récents. La gestion de l'énergie dans un tel appareil est étroitement liée à la gestion de la partie radio, car la radio est l'élément le plus « coûteux » dans le budget de gestion de la batterie.
Analyse du cas d'utilisation
Heureusement pour les concepteurs, il existe une large gamme de microprocesseurs/radios à faible consommation d'énergie qui disposent d'une variété de modes d'alimentation et de veille permettant d'optimiser la consommation d'énergie. Toutefois, ces modes doivent être étroitement contrôlés par l'application afin d'en tirer le meilleur parti.
La première étape de la conception d'une application à faible consommation d'énergie consiste à définir soigneusement le cas d'utilisation. Un objet connecté typique comporte divers capteurs connectés à un microprocesseur, et une ou plusieurs radios pour envoyer les données à un téléphone portable, à un ordinateur ou à d'autres équipements personnalisés. Bluetooth Low Energy (BLE) est souvent l'une des radios utilisées pour communiquer, voire la seule.
Modes de fonctionnement
Un appareil Bluetooth moderne consomme le plus d'énergie lors de la transmission et de la réception (environ 5-10 mA), moins lorsque le microprocesseur fonctionne avec la radio éteinte (2-3 mA) et peut passer à une très faible consommation s'il est mis en mode veille (quelques uA). Ainsi, l'une des premières tâches de la conception d'un appareil à faible consommation d'énergie consiste à analyser les modes de fonctionnement de l'appareil et à vérifier si un mode domine le calcul de la consommation d'énergie.
Prenons quelques exemples. Une simple « balise » Bluetooth, peut envoyer une brève impulsion publicitaire toutes les secondes et passer le reste du temps en mode veille. La consommation d'énergie dans cette application sera totalement dominée par le courant du mode veille. À l'inverse, une application audio BLE, transmettant du son à un casque, aura une radio très active. Dans ce cas, la consommation d'énergie en mode « Radio-on » sera dominante. Avec un autre type d'application, par exemple une application qui lit et analyse des données de capteurs complexes, mais qui ne transmet que certaines situations « d’alerte », la consommation d’énergie peut être dominée par le mode microprocesseur.
Mode veille
Si l'on prend les différents modes l'un après l'autre, le « mode veille » présente généralement plusieurs options. La plus extrême consiste à éteindre l'ensemble du système. Cependant, vous avez besoin d'un mécanisme externe pour le réveiller à nouveau, et tout le système doit alors redémarrer depuis le début. Bien que cette solution puisse convenir à certaines applications, il est courant de laisser l'horloge en temps réel fonctionner, au prix d'une certaine consommation d'énergie, et de faire en sorte que le système se réveille sur une base temporelle. Il est également possible de conserver des données dans la RAM, ce qui permet un redémarrage plus rapide au prix d'un courant de veille plus élevé. Souvent, il est possible de conserver sélectivement des blocs de RAM. Ainsi, si l'application ne nécessite que 16 ko de RAM sur les 64 disponibles, par exemple, il est possible de ne garder active que la partie de la RAM nécessaire.
L'optimisation de l'état de veille et du réveil peut donc nécessiter des calculs et du prototypage, car les chiffres de la fiche technique ne suffisent pas toujours à couvrir l'ensemble des données. Par exemple, il peut être nécessaire de mesurer la charge totale utilisée dans les différents modes de réveil. Il faut aussi prendre en compte le fait que les courants de veille sont sensibles à la température. Ainsi, dans le cas d'un dispositif portable, maintenir le processeur à la température ambiante plutôt qu'à la température du corps peut être important. C'est un aspect que la conception physique doit prendre en compte.
Contrôle du microprocesseur
Les microprocesseurs modernes, même dans les petits appareils, peuvent avoir des caractéristiques complexes. Beaucoup de choses dépendent de chaque appareil, mais la vitesse d'horloge du processeur peut parfois être modifiée, avec des implications pour la consommation de courant, de même les périphériques peuvent être activés ou désactivés.
Les microprocesseurs plus avancés peuvent être multicœurs, par exemple, avec des processeurs distincts pour contrôler la radio et pour exécuter les applications principales, qui peuvent être mises en veille indépendamment les unes des autres. Cela offre une plus grande flexibilité, mais rend la conception de l'application plus complexe, car le concepteur doit déterminer quelles parties de la conception s'exécutent sur quel processeur, les différents processeurs ayant généralement des spécifications différentes.
Il peut donc y avoir un certain nombre d'options pour maintenir le « budget » de consommation d'énergie du microprocesseur à un minimum. Une bonne conception d'application fera fonctionner le(s) microprocesseur(s) le moins longtemps possible et dans le mode de consommation le plus bas possible.
Activation de la radio
C'est lorsque la radio est activée que la consommation d'énergie est la plus importante. Il est donc essentiel de gérer la connexion radio pour minimiser la consommation. Dans ce cas, une analyse minutieuse du cas d'utilisation est nécessaire. Tout d'abord, à quelle vitesse l’objet connecté doit-il se connecter à son hôte ? S'agit-il d'une activité « de fond » ou d'une activité visible par l'utilisateur qui doit agir rapidement ? Que se passe-t-il si l'hôte n'est pas disponible ? La prise en compte de ces aspects détermine la fréquence à laquelle le dispositif portable tente d'établir une connexion et la manière dont il gère un échec de connexion ou une perte de connexion. Moins la radio est active, plus la consommation d'énergie est faible. Cela doit être mis en balance avec l'expérience de l'utilisateur.
Les niveaux de puissance de la radio sont généralement contrôlables. Il est donc possible d'adapter les niveaux de puissance en fonction de la proximité de l'hôte. L'utilisation d'une radio à sa puissance maximale augmente considérablement la consommation de courant. Il faut donc trouver un équilibre entre la fiabilité et la puissance. Un autre problème lié aux dispositifs portables est que le corps humain dégrade considérablement les performances radio « over the air ». Bien qu'il n'y ait pas de solution magique à ce problème, une conception appropriée peut minimiser l'impact du corps, ce qui permet de faire fonctionner les radios à une puissance plus faible.
Un autre aspect consiste à minimiser la quantité de données échangées, et donc le temps d'activation de la radio. Les données peuvent-elles être compressées ou filtrées ? Cela a un coût de traitement, à mettre en balance avec un temps de transaction radio plus limité.
Radios multiples
Si nous avons un dispositif à radios multiples, par exemple BLE et UWB (Ultra-Wide Band), ou BLE et WiFi, la deuxième radio est généralement beaucoup plus gourmande en énergie que la BLE. Le dispositif BLE devrait donc normalement être utilisé pour contrôler la connexion et le fonctionnement général du système, en n'activant les autres radios qu'en cas de besoin.
Conclusions
En conclusion, un dispositif portable typique fonctionne dans un certain nombre de « modes » différents au cours d'un cycle d'utilisation standard. Un ou plusieurs de ces modes peuvent être significatifs dans la consommation d'énergie globale. Pour chaque mode, il existe toute une série de considérations sur la manière de minimiser la consommation d'énergie, qui doivent être mises en balance avec les besoins de l'utilisateur de l'appareil.
La simple lecture des spécifications techniques ne suffit pas à comprendre comment un appareil se comporte dans la pratique. Pour optimiser réellement la consommation d'énergie d'un appareil, le concepteur doit étudier attentivement les spécifications et les options des éléments radio et du processeur puis procéder à un prototypage pratique pour mesurer l'impact réel des différents choix de conception.