移動終端耗電性能研究與測試解決方案

呂永峰

（威睿電通杭州有限公司， 浙江杭州 310053）

0 引言

隨著移動終端越來越融入人們的日常生活，綜合評價終端的整體能力不僅要考慮業(yè)務功能的支持能力，更要重點關注終端的總體性能，而終端耗電性能就是評價移動終端總體性能的一項重要指標。用戶對終端的省電要求越來越高，事實上終端的耗電性能已成為影響廣大移動用戶對移動終端滿意度的一個重要因素，所以要求對終端耗電流的測試要求更全面和精確。本文作者結合多年來對PHS/GSM/CDMA/WIFI終端耗電性能測試的經驗和總結，對終端耗電性能的通用測試方法和測試模型建立進行詳細的介紹。

1 測試原理和方法

1.1 終端耗電性能的技術指標

衡量終端整機耗電性能的主要技術指標有待機時長、通話時長、MP3播放時長和Camera時長等等。其中通話時長根據業(yè)務類型細分為語音通話時長、可視電話通話時長、流媒體業(yè)務時長等。

待機時長是指終端(電池電量充滿)保持空閑狀態(tài)直至電量耗盡關機的持續(xù)時間。

通話時長是終端(電池電量充滿)保持某種業(yè)務通話狀態(tài)至電量耗盡關機的持續(xù)時間。

1.2 擴散張量設計

1.2.1 測試環(huán)境

終端耗電測試的系統(tǒng)環(huán)境可以分為現(xiàn)網環(huán)境和實驗室模擬系統(tǒng)環(huán)境，現(xiàn)網環(huán)境又可以分為固定測試環(huán)境和移動測試環(huán)境。

現(xiàn)網環(huán)境是直接使用移動運營網絡的無線覆蓋環(huán)境?，F(xiàn)網環(huán)境的優(yōu)點在于測試環(huán)境本身就是終端的實際工作環(huán)境，耗電測試結果能最直接反映終端在移動用戶使用過程中的耗電性能表現(xiàn)，但其不便之處就是網絡系統(tǒng)參數(shù)難以調控，耗電測試結果和特定的網絡參數(shù)及無線環(huán)境相關。

模擬系統(tǒng)環(huán)境是在屏蔽良好的實驗室內，使用基站模擬系統(tǒng)來提供無線網絡環(huán)境，終端和基站模擬系統(tǒng)通過空間傳播進行通信或使用射頻線纜直接連接，實驗室內模擬系統(tǒng)的無線信號單純穩(wěn)定，且信號強度可調。基站模擬系統(tǒng)的參數(shù)設置靈活方便，可以根據具體需求模擬配置各種無線環(huán)境 。

1.2.2 待機時長和通話時長的測試方法

（a）實際測試法

使用充滿電的電池，把被測設備(DUT)置于要檢驗的工作模式中。在DUT運行、最后關機時，記錄電池電壓隨時間的變化。在圖1中，2.25小時的電壓拐點說明了在發(fā)生電量不足而關機前DUT 運行的時間。

圖1 電池電壓隨時間的變化曲線

這種方法有許多優(yōu)勢，其實現(xiàn)起來相對簡單，電壓測量非常簡明，不會影響結果的精度。由于變化速度慢，低取樣速率就足夠了。最后，由于它是一種全長測試，因此用戶可以使用模擬實際環(huán)境條件的動態(tài)工作條件，運行基準類型的測試。這種方法的一個缺點是它耗時相對較長。一旦開始，它必須一直運行到結束，才能確定電池工作的時間。另一個缺點是，結果取決于電池的初始狀態(tài)，其變化相當大，不一定代表典型的電池。此外，其得到的唯一結果是工作時間[2]。

（b）間接測試法

另一種方法是進行耗電量測量。這種方法也使用充滿電的電池，DUT被置于要評估的工作模式下。然后在規(guī)定時間內測量平均耗電量，這一時間視為代表整體運行時間。然后把用毫安小時表示的聲稱電池容量除以用毫安測得的耗電量，就可以計算得出工作時間。舉個例子，假設某中端手機的sleep mode電流值是4 mA，原裝電池是950 mA，那它的理論待機時間就是950/4=237.5（h），也就是237.5/24=9.9(天)。當然這只是理論待機時間，這種測試結果是在特定的穩(wěn)定的測試環(huán)境，穩(wěn)定的充足的電量前提下得出來的[3]。

這種方法的優(yōu)點是，與全部運行時間相比，確定電池工作時間所需的時間要少得多，而且現(xiàn)在量化了平均耗電量。如果標稱的電池容量是DUT負載有代表性的時間，工作時間應該比較精確。耗電量測量方法的缺點是，由于高速度高幅度脈沖式負載，需要以高速率對電流取樣，以保證獲得精確的平均值。有一種規(guī)范推薦采用50 kHz 的取樣速率。另一個缺點是，運行短時間測試本身不如采用一系列不同工作條件運行長期的基準型測試。此外，測量電流要比測量電壓困難，很容易導致錯誤[4]。

1.3 終端耗電性能測試模型

測量電池工作時間的傳統(tǒng)方法具有許多局限性，不能提供必要的信息，為優(yōu)化設計提供要求的信息。進行電池耗電量測量和分析的理想系統(tǒng)應具有以下功能：

（a）正確為DUT 供電記錄電池耗盡電壓，檢驗工作時間。

（b）精確測量從毫安級到安培級的的電流。

（c）能夠在幾分鐘到幾天內記錄耗電量和其他數(shù)據，滿足各種測試環(huán)境要求。

（d）提供基本測試結果的測試后摘要，如運行時間、平均電流、平均電壓及消耗的安培小時和瓦特小時。

（e）提供數(shù)據分析，了解運行異常怎樣影響電池工作時間，實現(xiàn)設計優(yōu)化。

基于這些要求，電池耗電量測量和分析中的通用系統(tǒng)將具有圖2所示的組成要素[2]。

圖2 通用系統(tǒng)組成框圖

2 測試模型的建立與實現(xiàn)

終端通過恒壓直流電源提供所需的標稱工作電壓，由具備求平均值功能的電流計來測量終端的耗電電流，電流計的測量精度要在1/10 mA以上。通常較為精密的恒壓直流電源本身就具備精確測量輸出電流的功能，因此若使用這類恒壓直流電源則可以不需要使用電流計。

終端的工作環(huán)境由基站模擬系統(tǒng)來模擬實現(xiàn)，通過在基站模擬系統(tǒng)中設置適當?shù)木W絡參數(shù)，可以方便靈活地生成所需的系統(tǒng)環(huán)境。測試終端的射頻接口和基站模擬系統(tǒng)的射頻接口通過低損耗RF線纜直接相連接，保證網絡信號質量的穩(wěn)定性。

終端的待機時長和通話時長通過間接測量的方法計算而得。

方案1：利用我們現(xiàn)有高速電源和終測儀設備搭建測試平臺，如圖 3所示。

圖3 測試平臺框圖

可以發(fā)現(xiàn)這種測試平臺與圖 2的測試平臺使用效果是一樣的，唯一不同的是利用2306的電池模擬功能設置了電池內阻，使平臺更加符合實際使用狀態(tài)（并軟件上增加設置電壓功能）。

使用這個平臺的好處是顯而易見的：不用添加設備。而不足的地方是2036采樣速率只能達到60 Hz,所以測試精度有所欠缺。

方案2：使用DAQ(數(shù)據采集卡)搭建測試平臺[5]，如圖 4所示。

圖4 使用DAQ(數(shù)據采集卡)搭建測試平臺框圖

這個平臺利用一個與電池內阻相同阻值的電阻做電流傳感器，這樣既模擬了實際電池情況又解決了串聯(lián)額外的電流傳感器對測試平臺造成的誤差。利用數(shù)據采集卡的高速采集完全能做到50 kHz的采樣速率，再利用LabVIEW等軟件對測量值進行計算能精確地測量終端的耗電流。

3 自動測試系統(tǒng)的設計和開發(fā)

本測試系統(tǒng)包括4個部分：控制器，主要是計算機，是系統(tǒng)的指揮控制中心；程控儀器、設備，能完成一定的具體的測試、控制任務；總線與接口，是連接控制器與各種程控儀器、設備的通路，完成信息、命令、數(shù)據的傳輸與交換；測試軟件，為了完成系統(tǒng)測試任務而編制的應用軟件。

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 儀器設備

硬件系統(tǒng)中儀器設備主要包括無線綜合測試儀R&S公司的 CMU200或AGILENT公司的AGILENT8960，高精度的高速直流電源如KEITHEY 2306電源，以及測試電腦和 GPIB控制卡和GPIB連接線就可。

3.1.2 聯(lián)系控制

儀器之間的聯(lián)系控制是系統(tǒng)的重要設備，通用接口總線GPIB廣泛使用于自動測試系統(tǒng)中。GPIB包括了測量系統(tǒng)所需的功能，適合于信號控制和數(shù)據采集系統(tǒng)。使用計算機，通過GPIB控制卡可以實現(xiàn)對一臺或多臺儀器的控制功能，并組成儀器系統(tǒng)，使我們的測量工作變得快捷、簡便、精確和高效。通過GPIB電纜的連接，根據需要可以方便地實現(xiàn)新型組合、線型組合或者兩者的組合[6]。

3.2 軟件平臺

軟件在自動測試系統(tǒng)中占有重要的位置，虛擬儀器（Virtual Instrument）是計算機技術和儀器技術深層次結合產生的全新概念的儀器，它由計算機、應用軟件和儀器硬件要素構成，并可按需求靈活組合硬件資源。由于耗電流測試項目中不但要求能夠控制儀器而且最好還需要能夠直觀輸出波形圖，根據此特點選用美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，它能夠以其直觀簡便的編程方式、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷的構筑自己在實際工作中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎條件。它也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據分析、數(shù)據顯示及數(shù)據存儲功能[7]。

3.3 軟件結構以及實現(xiàn)

為使自動測試系統(tǒng)具有良好的儀器擴展性，便于后續(xù)升級和更改，軟件設計中的自動測試功能程序和測試儀器的讀寫程序相對獨立。測試系統(tǒng)包括系統(tǒng)參數(shù)配置部分、測試程序、報告生成程序。軟件系統(tǒng)進行如下控制：測試參數(shù)設置，控制儀器設備，實時迅速掃描設備，判別和讀出數(shù)據，數(shù)據處理后，將測試值按要求格式顯示在程序窗口中[8]。如圖5是某公司手機公網通話電流測試的采樣圖。

圖5 某公司手機公網通話電流測試的采樣圖

當測試電腦和儀器物理連接完畢后，確保電腦儀器和設備通訊無誤，然后啟動程序，先進行測試參數(shù)配置，譬如設置相應的手機終端電壓以及程序運行的次數(shù)，然后單擊開始按鈕后，首先會跳出一個窗口提示用戶輸入測試數(shù)據保存的名稱，一般輸出測試數(shù)據為TXT格式。然后測試程序進行自動與儀器建立通訊，首先把窗口中設置電壓傳送給KEITHEY電源，然后按照程序設置的測試次數(shù)的進行以采樣速率60 Hz速度采樣，采樣后取得的數(shù)據傳送到電腦，并且進行自動轉換后，顯示在測試窗口中，橫坐標對應時間，縱坐標對應所測試的電流值，然后在測試窗口上完整的描繪出波形，因此此方案可以測試手機終端待機電流、通話電流、關機電流等等，缺點就是采樣速率還不夠高，如需要更高的采樣速率則硬件上需要采用 NI公司 DAQ數(shù)據采集卡再配以測試電腦以及此測試程序就可。以下是在LabVIEW上的實現(xiàn)的程序圖，詳細見圖 6。

圖6 在LabVIEW上的實現(xiàn)的程序圖

自動測試系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)，不但可以完成所有關于移動終端的耗電流性能測試，如待機電流、通話電流，關機電流等等，而且可以把測試信號誤差控制在量化的范圍以內，便于避免不同測試人員手動測試時產生的不同誤差幅度。因此，該系統(tǒng)大大減少了人力、物力，避免了手動測試的誤差，提高了測試的效率和準確度。而且由于軟件設計中的自動測試功能相對獨立，對于新增加儀器設備，也只需要做一些小的改動就能保證程序的正常運行，從而使得系統(tǒng)具有很強的可擴展性和可重用性。

4 結論

該終端耗電流自動測試系統(tǒng)根據最新測試技術發(fā)展、測試技術要求出發(fā)，結合標準測試的實際情況，與傳統(tǒng)的從萬用表或高速電源上肉眼觀察并記錄電流相比有其突出的特點。將LabVIEW軟件開發(fā)平臺應用到移動終端耗電流測試，同時解決了硬件的控制和連接、設計的周密性、以及數(shù)據直觀顯示等難點問題。將計算機軟硬件資源與儀器融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的的測量、控制能力結合在一起，并通過軟件實現(xiàn)對信號的控制 ，數(shù)據的顯示，存儲以及分析處理。

此耗電流自動測試系統(tǒng)的開發(fā)提高了測試工作的效率和精確度，減輕了測試人員的工作強度。由于現(xiàn)代虛擬儀器技術的引入，使用模塊化的硬件和軟件，使得該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、運行效率高的特點，同時，有助于減少重復投資和提高開發(fā)效率。

[1]3G移動通信終端耗電性能的研究[EB/OL].C114中國通信網http://tech.c114.net/174/a149545.html ( 2006/5/18 13:14 )

[2]Edward Brorein.使用電池耗電量分析,改善移動設備工作時間[EB/OL].Agilent科技公司http://www.home.agilent.com

[3]手機電流測試[EB/OL].新浪博客.http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ed756960100uvup.html

[4]南利平,焦瑞莉,呂洪國.手機消耗電流的自動測試[J].電子測量與儀器學報, 2004(z).

[5]雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[6]徐曉東,劉洪文,馮高輝.基于LabWindows/CVI的鋰離子電池測試系統(tǒng)設計[J].測控技術,2010(12).

[7]石博強. Labview編程技術實用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[8]狄德海.基于Lab Windows/CVI的手機電流自動測試系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術,2009(08).