電池壽命和低功耗一直是現(xiàn)代電池供電電子設(shè)備所關(guān)注的問題。在設(shè)計(jì)過程開始時(shí)估計(jì)它們可能會非常具有挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，電池壽命和功耗幾乎取決于設(shè)備的所有特性：其硬件，電池，固件，用例及其環(huán)境。假如這些系統(tǒng)方面的每一個(gè)都可以或多或少地被準(zhǔn)確地評估，那么在相同的設(shè)計(jì)空間中考慮它們是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。

可以爭論的是，只要可以分別評估它們就不那么重要。

這是一個(gè)錯誤和危險(xiǎn)的假設(shè)。

所有這些方面都是相互依存的。常規(guī)方法包括：

使用電子表格和數(shù)據(jù)表和/或建立分析模型

開發(fā)部分原型來測試和評估大多數(shù)這些方面。

兩種方法都有其缺點(diǎn)。分析方法無法說明設(shè)備的動態(tài)行為。這會導(dǎo)致誤導(dǎo)性結(jié)果和性能不佳的設(shè)備（假如完全執(zhí)行）。部分原型制作方法不完整；這意味著要花費(fèi)大量時(shí)間來制造/開發(fā)原型，并且工程師要進(jìn)行大量工作來衡量和出現(xiàn)可能會引起誤解的結(jié)果（即，因?yàn)樗蔷植康亩皇峭暾模?/p>

更不用說電池壽命長達(dá)數(shù)年的設(shè)備了，幾乎無法進(jìn)行測量。

在本文中，我將介紹如何解決這個(gè)估算問題，并創(chuàng)建一個(gè)仿真工具和一個(gè)模型庫，以幫助數(shù)百名工程師探索幾種可能的體系結(jié)構(gòu)并更好地設(shè)計(jì)其設(shè)備。

模型

圖1：建模抽象

要建模的第一個(gè)對象是硬件（即組裝并嵌入到設(shè)備中的電子組件）。有幾種建模語言和框架可以對電子組件進(jìn)行建模（參見圖1）。它們每個(gè)都有自己的特點(diǎn)和局限性。在Wisebatt，我們選擇根據(jù)組件的內(nèi)部行為對其建模。功耗是在非常低的級別（即接近Spice模型）建模的，而組件的所有功能都是在非常高的級別建模的。組件的輸入?yún)?shù)是使用其數(shù)據(jù)表含義的。我們考慮了它們的每個(gè)功耗模式，相關(guān)的功耗以及每個(gè)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)。這種方法可用于模擬，數(shù)字和混合信號組件。

要考慮的第二個(gè)對象是電池。無論是一次（不可充電）還是二次（可充電），它都是一種復(fù)雜的化學(xué)電源，其特性會根據(jù)多個(gè)參數(shù)而變化。在我們的上下文中，最重要的事實(shí)是：1）不能完全使用其標(biāo)稱容量；2）其電源電壓不是穩(wěn)定的也不是線性的[1-3]。有幾種建模電池的方法。我們選擇使用混合方法對它們建模，該方法考慮了內(nèi)部電阻變化，電源電壓降和實(shí)際非線性電容隨放電一起降低的情況。這樣，我們可以模擬電池供電電壓超過設(shè)備截止電壓的時(shí)刻：這正是準(zhǔn)確估算電池壽命所必需的。

圖2：SigfoxSensit硬件的示意圖視圖

最后要考慮的“對象”是固件。每個(gè)組件都有一個(gè)功能模型。該功能模型嵌入了一個(gè)指令集，該指令集代表該組件可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)（例如，進(jìn)入低功耗模式，傳輸信號等）。我們開發(fā)了一種通用的指令集模擬器，稱為UISS，它使我們的用戶能夠以簡單的方式描述其設(shè)備固件和行為。具有UISS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以非常容易地交換計(jì)算元素（例如微控制器）。

模擬

除了建模之外，運(yùn)行一致的模擬也是一個(gè)挑戰(zhàn)。一旦用戶組裝了組件和電池模型（參見圖2），并在固件模型中含義了設(shè)備的行為，仿真就必須始終如一地運(yùn)行。我們的仿真內(nèi)核使用從快速事件驅(qū)動（FED）方法派生的離散事件機(jī)制。關(guān)于上述方法，每個(gè)模擬事件（即每條指令）將在給按時(shí)間進(jìn)行處理（即由UISS執(zhí)行），并且總時(shí)間將在每次處理事件后進(jìn)行匯總。

默認(rèn)情況下，不應(yīng)在FED中的兩個(gè)事件之間發(fā)生任何事情。我們添加了一種自適應(yīng)（SA）機(jī)制，該機(jī)制根據(jù)電池和組件模型的非線性程度在兩個(gè)已注冊事件之間插入許多事件。由于組件和電池的電氣參數(shù)將更頻繁地更新，因此可以供應(yīng)更準(zhǔn)確的結(jié)果。相比之下，離散方法更可能引起計(jì)算錯誤。

然后，當(dāng)達(dá)到第一個(gè)截止電壓（即截止電壓的最大值）時(shí)，仿真將停止。系統(tǒng)在仿真中花費(fèi)的時(shí)間是其電池壽命。

結(jié)果及其準(zhǔn)確性

在模擬結(jié)束時(shí)，所有單個(gè)組件日志均可用。這些日志包括電源電壓（參見圖3）和電流消耗（參見圖4），以及在其工作模式下已經(jīng)消耗了多少能量（參見圖5）。這些日志可用于通過非?？焖俚匕l(fā)現(xiàn)并優(yōu)化耗電的組件/功能來優(yōu)化功耗。每次仿真要花費(fèi)幾分鐘，從而大大減少了評估架構(gòu)或優(yōu)化所需的時(shí)間。

圖3：電源電壓曲線示例

圖4：電流繪制曲線示例

仿真結(jié)果在200多個(gè)設(shè)備上得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)包括對環(huán)境設(shè)備的環(huán)境控制測試和環(huán)境溫度測試，這些設(shè)備使用了一次和二次電池以及不同的硬件和固件，對電池壽命從幾天到幾年不等?？傮w而言，電池電源電壓估算的平均誤差為6.17％。有關(guān)電池壽命準(zhǔn)確性，我們觀察到了實(shí)際電池壽命的88.44％至103.25％之間的結(jié)果，平均誤差約為-6.93％。

圖5：消耗明細(xì)以及時(shí)間與能量的比較示例

“電源分析”功能供應(yīng)了所供應(yīng)的仿真工具，其功耗和電池壽命分析。此外，我們現(xiàn)在供應(yīng)補(bǔ)充信息，這些信息關(guān)于設(shè)計(jì)或優(yōu)化低功耗設(shè)備至關(guān)重要。目標(biāo)是：自動化大多數(shù)低附加值和費(fèi)時(shí)的任務(wù)（例如，物料清單估算，組件的電氣和功能兼容性，組件的配置和供應(yīng)限制）。