CN103364629B - 一种电子设备能耗测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子设备能耗测量方法及系统，该方法包括以下步骤：通过多个测量模块分别对电子设备中的各功能模块进行能耗测量；获取所述电子设备中的各功能模块的能耗测量数据；上传所述能耗测量数据到上位机。该系统包括：多个测量模块，通过接入电子设备中的各功能硬件模块进行能耗测量；通信模块，与所述多个测量模块连接，用于接收来自所述多个测量模块的能耗测量数据；控制模块，与所述通信模块连接，用于控制所述通信模块对其接收的能耗测量数据进行存储，以及上传所述能耗测量数据到上位机。根据本发明，能够对电子设备在不同应用程序下的各功能的对应硬件单元的能耗进行实时、并行测量，实现电子设备更微观粒度的能耗实时、并行测量。

Description

一种电子设备能耗测量方法及系统

技术领域

本发明涉及能耗测量技术，特别涉及一种电子设备能耗测量方法及系统。

背景技术

目前，现有技术方案缺少针对电子设备（特别是智能终端设备）兼顾实时与并行的高精度能耗测量方法及系统。根据调研，现有技术能耗测量方法及系统可以分为以下4类：

（1）基于仪器仪表的能耗测量方法

本方法是采用通用仪器仪表（如，高精度万用表、存储记录仪、功率计、高精度数字滤波器等），通过通用探针接入待测电子设备的总供电或者某个模块供电线路中，从而得到电子设备实时的电流、电压进而计算功率值。

问题：1）由于通用仪器仪表测量通道数量有限，无法进行多测量点并行测量；2）由于通用仪器仪表与专用探针成本较高；3）通用仪器仪表存储检测数据存储空间有限，并且通常不具有向计算机等上位机同步转存的功能，因此，无法满足长时间检测的要求；4）检测粒度粗：无法实现微观粒度（如，芯片级，指令级，bit级等）测量。

（2）基于先验能耗测量数据的能耗分析方法

本方法是根据硬件工作电压以及此时硬件器件工作的状态估算整体能耗。本方法通过分析某基带通信芯片在各工作状态能耗情况，阐述了一种应用于射频和模拟前端的系统级能耗模型。

问题：1）此方法严重依赖芯片出厂检测电气性能数据，忽略了电子设备运行时不同应用、进程、不同工作环境对于能耗值的影响，以及系统中多器件间的互相作用于能耗的影响，能耗测量精度很难保证；2）无法对电子设备运行时不同应用、进程、工作环境对能耗值的影响做出高精度的反映。

（3）基于经典数学近似模型的近似能耗分析方法

本方法是基于已知的经典数学分析近似模型（如，针对于CPU的能耗估算模型P＝C·f·V²，其中，C表示等效负载电容，V表示加载电压，f表示器件运行频率）进行能耗估算检测。

问题：由于电子器件受到应用环境和应用实例的影响，因此，无法通过简单的数学分析方法建立对应数学模型，而为了达到分析目的所建立的简化数学模型通常误差较大。

（4）基于软件的能耗仿真方法

本方法是使待测程序进入功耗仿真软件，通过预设电子设备的主要硬件器件电气参数计算判断可能产生的能耗；或者通过使用峰值功耗估算模拟软件对特定应用程序在指定电子电路中的能耗情况进行了仿真；或者使用指令级功耗仿真器对一些实时嵌入式操作系统进行了功耗仿真，并比较分析能耗数据为系统改进提供了建议。

问题：1）本方法主要针对于电子设备的主要硬件单元，且由于无法兼顾到除能耗仿真软件划定参数外的因素（如，温度，湿度，电气老化）对电子设备的影响，仿真检测的结果准确性不高；2）软件设计通常是基于上述方法（3）——基于经典数学近似模型的近似能耗分析方法所设计，因此，其精度低的缺点被继承。

综上，现有技术存在以下缺点：

问题1：检测粒度粗：无法实现微观粒度（如，芯片级，指令级，bit级等）测量

现有能耗测量技术仅针对电子设备整体能耗状态进行测量，如，采用通用仪表的检测方法中，通常是针对电子设备的总供电进行能耗测量，无法实现微观粒度（如，芯片级，指令级，bit级等）。另外，采用先验能耗测量数据进行能耗测量的方法无法对电子设备运行时不同应用、进程、工作环境对能耗值的影响做出高精度的反映。

问题2：无法在线实时观测

采用通用仪器仪表设备进行能耗检测时，仅支持线下能耗检测，即在能耗数据检测任务结束后，仪器仪表将检测数据统一上传到上位机。监视人员无法通过不同的渠道进行能耗数据检测分析。

问题3：无法并行测量

由于通用仪器仪表测量通道数目有限，无法进行多测量点的并行测量。另外由于通用仪器仪表的存储检测空间有限，并且大多数并不具备实时同步上传数据功能，因此无法长时间进行实时能耗检测。

问题4：测量精度低

采用传统数学建模的方法（如，上面提到的根据P＝CfV²）对系统进行能耗估算时，由于目前只针对几个常用器件（如，CPU，内存等）设计了数学分析模型，因此，首先无法满足对所有硬件器件能耗进行估算的目的，另外由于电子设备运行时收到不同应用程序执行流程的影响，因此，检测的精度通常较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种能够对电子设备的各功能模块的能耗进行实时、并行测量方法及系统，从而实现电子设备微观粒度的能耗实时、并行测量。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种电子设备能耗测量方法，该方法包括以下步骤：通过多个测量模块分别对电子设备中的各功能模块进行能耗测量；获取所述电子设备中的各功能模块的能耗测量数据；上传所述能耗测量数据到上位机。

另一方面，本发明提供了一种电子设备能耗测量系统，该系统包括：多个测量模块，通过接入电子设备中的各功能硬件模块进行能耗测量；通信模块，与所述多个测量模块连接，用于接收来自所述多个测量模块的能耗测量数据；控制模块，与所述通信模块连接，用于控制所述通信模块对其接收的能耗测量数据进行存储，以及上传所述能耗测量数据到上位机。

本发明通过对电子设备在不同应用程序下的各功能的对应硬件单元的能耗进行实时、并行测量，从而实现电子设备更微观粒度的能耗实时、并行测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电子设备能耗测量系统结构示意图；

图2为测量模块结构示意图；

图3为能耗采集调度方法流程示意图；

图4为能耗数据调度方法流程示意图；

图5为待测电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种电子设备能耗测量系统结构示意图。如图1所示，该系统101由多个测量模块102、控制模块104、通信模块105和存储模块106组成。多个测量模块102通过接入电子设备103中的各个功能模块（例如，通信功能模块、存储功能模块、主控制单元模块、输入输出功能模块、视频功能模块、音频功能模块……）进行能耗并行、实时测量。控制模块104与通信模块105、存储模块106连接。通信模块105与多个测量模块102连接，并行、实时接收来自测量模块102的能耗测量数据，并由控制模块104控制对接收自通信模块105的数据在存储模块106中进行存储。控制模块104控制通信模块105通过有线或者无线通信方式（如、蓝牙、wifi、以太网等）上传实时能耗测量数据到上位机104，保证观测者可以在线观测电子设备能耗情况。上位机104可以为计算机或者其它智能终端设备。

本发明实例电子设备能耗测量系统的测量模块102由高精度、大功率10^-2欧姆级以下测试电阻211、高精度模数转换(ADC)模块212、自适应放大器模块213组成。

电子设备103中的主控制模块（如，ARM、DSP、FPGA等控制器）通过总线控制各硬件功能模块进行日常工作，包含通信模块（如，以太网卡模块、GPS模块、蓝牙、WIFI、WCDMA、GPRS、TD-SCDMA、CDMA2000、ZigBee、RS485、CAN总线、RS232等）、存储模块（如，Flash、EEPROM、内存模块、SD卡模块等）、输入输出模块（如，键盘模块、PCI-E、USB等）、视频模块（如，AVI、HDMI、LCD等模块）、测量模块（如，各种传感器模块）等。

能耗测量模块102负责实时、并行采集电子设备103中各个功能模块的能耗信息。如图2所示，能耗测量模块102接入各功能硬件模块的电源分析供给线路中。能耗测量模块102通过检测流过测试电阻211的压降V_R，计算线路电流最后通过计算流过电子设备103的电流与电压的乘积P＝I_R×V_cc得到硬件设备功率，其中V_cc是电源电压。为了减小测试电阻的压降V_R对整个硬件设备性能及测量结果的影响，避免过小压降造成测试设备无法检测压降的情况，同时，保证电压放大器放大电压不超过电压测量设备的量程，自适应电压放大器212对V_R进行动态电压放大后再进行电压测量。

测量模块102中电压放大器212具有自适应调整电压放大倍数的功能。放大倍数自适应调整策略为：

●设在任意时刻t放大器的放大倍数为A(t)，采集到进入放大器的压降为v(t)，实际放大后测量得到的电压值为V(t)＝A(t)×v(t)，均方误差为α。由于采集时间的间隔较短，测试电阻在较短时间内的压降不会发生突变。

●在当前时刻t最优化的自适应放大倍数模型为：

$\arg \underset{A\left(t\right)}{\min }{|A\left(t\right)v\left(t\right)-V(t-1)|}^2=\mathrm{\α}$

$\begin{array}{cc}s.t.& 0\≤A\left(t\right)v\left(t\right)\≤V_{\max }^{\mathrm{AD}}\\ & 0\≤V(t-1)\≤V_{\max }^{\mathrm{AD}}\\ & A\left(t\right)\≥1\end{array}$

其中，表示经过放大后的电压值，不应该大于ADC模块的额定测量电压α表示均方误差。

●最优放大倍数A^*(t)根据上式可以采用相关技术人员熟悉的二分法搜索等快速搜索方法求解。

根据实际能耗数据采集情况的需求，用户可根据需要，调整能耗测量控制模块104通过能耗采集调度算法控制能耗测量模块102的测量精度与速度。

图3为采集调度方法流程示意图。图3中给出了当接口速度与采样速度存在差异时，为保证实能耗数据时采样所采取的2种能耗数据采样策略，接下来对两种调度策略做简单阐述。

●接口速度优先策略：

采用这种策略的能耗采集方案注重于采样的能耗数据可以完整的快速传递给上位机，不额外增加能耗测量控制模块104的工作负担，降低能耗测量模块102采样速率降低以适应通信接口速率需求。具体而言，

1）设能耗测量系统101中通信模块105与上位机107通信时，通信模块105的发送速度为R_t；能耗测量系统101中，测量模块102与通信模块105的通信速率为R_a；

2）则二者之间的匹配通信速率R_c根据以下方法选择：

◆如果R_a≥R_t，则为了保证数据通信速率匹配，选择R_c＝R_t；

◆如果R_a＜R_t,则为了保证数据通信速率匹配，选择R_c＝R_a。

3）进一步，设单个能耗测量模块102的数据采样速度为R_sampling，若需要测试电子设备中功能硬件数目为N，则需要能耗测量模块102的数量为N；

4）则能耗测量模块102采样的速率可确定为

●采样速度优先策略

采用这种策略的能耗采集方案侧重于数据的完整记录，可能出现上传上位机107速率远远小于数据采集速率，因此，本发明实施例提出了将多余的数据暂时存储于能耗测量系统101的存储模块106中。在存储模块106容量与写入速度允许的条件下，能耗数据上传调度策略如图4所示。

上位机107通过获取的数据可以完成能耗信息的后端能耗行为分析、能耗实时显示、能耗模型建立等后续工作。

本发明实施例通过对电子设备在不同应用程序下的各功能的对应硬件单元的能耗进行实时、并行测量，从而实现电子设备更微观粒度的能耗实时、并行测量。

本发明电子设备能耗测量方法及系统具有以下特点：

●并行性：通过本发明实施例所提出的能耗采集调度算法接收并行能耗测量数据，匹配不同测量数据回传接口速率，从而不仅可有效提高能耗测量粒度，并且可有效提高能耗测量的效率；

●低成本：与传统通用仪器仪表所采用的测试探头相比，其成本低约1000倍；

●高精度：由于电子设备功能模块通常为弱电模块（其电流为毫安级），并且微小电流在不同应用、不同时刻下的具有快速随变特性，因此，本发明包含了一种自适应电流放大测量方法；

●实时观测：本发明还提供了在线测量能耗数据的功能，为能耗数据的多角度、实时观测提供了便利；

●2种部署形式：1）独立式，通过本发明系统的多接入、并行测量探针串入待测电子设备功能模块的供电线路中进行能耗测量，从而作为电子设备能耗测量的独立设备；2）嵌入式，将本发明系统的模块与多接入、并行测量探针嵌入到电子设备电路板中，作为电子设备硬件的一部分进行实时能耗测量与记录。

图5是一个能耗测量系统的实施例，该实施例中能耗测量系统通过实时、并行测量智能设备不同APP(应用)下对硬件组分产生的能耗影响情况。

本实施例中电子设备以智能终端为例，智能终端具有多种功能硬件模块：WiFi模块、GPS模块、GPRS模块、3G模块、SD卡模块、摄像头模块、UART模块、网络适配器模块、USB模块、HDMI模块、VGA模块、LCD模块等。

当智能终端运行某应用程序时，能耗监测终端通过能耗测量模块实时、并行采集智能终端待测试功能硬件模块的能耗信息，并向上位机上传能耗信息。根据用户的实际需要，可以设定能耗信息传输速度策略。能耗测试采样点处采用低阻值测试电阻降低干扰，同时自适应电压放大器可以动态调节测试电阻输出压降，增加测试准确度。

图5所示的能耗测量系统拥有如下的功能：

a)系统拥有足够庞大且独立的存储、运行程序的空间；

b)能耗采样模块采样能耗数据速度足够快，可以对硬件组分构成有效的能耗行为分析；

c)能耗检测系统稳定、处理上传数据速度快；

d)拥有进行后期程序的下载和调试的能力；

e)可以向上为人机界面提供接口，便于观察者直观观测到能耗数据。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子设备能耗测量系统，其特征在于包括：

多个测量模块，通过接入电子设备中的各功能硬件模块进行能耗测量；

通信模块，与所述多个测量模块连接，用于接收来自所述多个测量模块的能耗测量数据；

控制模块，与所述通信模块连接，用于控制所述通信模块上传所述能耗测量数据到上位机；

存储模块，与所述通信模块连接，用于存储所述通信模块接收的能耗测量数据；

所述存储模块具体用于，当所述上位机的通信速率小于所述功能模块的能耗测量数据采集速率时，将多余的能耗测量数据暂时存储于所述存储模块中，以先入先出队列形式上传到上位机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量模块包括：

测试电阻，用于检测流过测试电阻的压降V_R；

模数转换器，与所述测试电阻连接，用于将输入电压信号转换成输出数字信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测量模块还包括：

自适应电压放大器，与所述测试电阻和所述模数转换器连接，用于对测试电阻的压降V_R进行动态电压放大。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测试电阻为大功率10^-2欧姆级电阻。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块控制所述通信模块通过有线或无线的方式上传能耗测量数据到上位机。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机为计算机或智能终端设备。

7.一种电子设备能耗测量方法，其特征在于：

通过多个测量模块对电子设备中的各功能硬件模块进行能耗测量；

获取所述电子设备中的各功能硬件模块的能耗测量数据；

上传所述能耗测量数据到上位机；

其中，所述测量模块对电子设备中的功能模块进行能耗测量步骤包括：

当所述上位机的通信速率小于所述功能模块的能耗测量数据采集速率时，则针对采集的能耗测量数据进行缓存；

将缓存数据以先入先出队列形式上传到上位机。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述能耗测量步骤包括：

检测流过测试电阻R的压降V_R；

计算线路电流

计算功能模块功率P＝I_R×V_cc，其中V_cc为电源电压。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述检测流过测试电阻R的压降V_R步骤后，在所述计算线路电流步骤前还包括步骤：

针对所述压降V_R进行动态电压放大。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量模块对电子设备中的功能模块进行能耗测量步骤包括：

当所述上位机的通信速率大于等于通信模块的发送速度时，则二者之间的匹配通信速率为所述通信模块的发送速度；或

当所述上位机的通信速率小于通信模块的发送速度时，则二者之间的匹配通信速率为所述上位机的通信速率。