Mesurer et analyser la consommation Bluetooth¶

Cet article explique comment mesurer la consommation réelle d'un appareil en fonctionnement Bluetooth : Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth classique (BR/EDR) et leur fonctionnement combiné dans un produit bimode. Pour chaque scénario, définissez le périmètre électrique de la mesure, relevez le courant et la tension et recueillez assez d'informations sur le firmware pour expliquer les principales parties de la trace.

Les sections sur le Bluetooth classique et le fonctionnement bimode ne s'appliquent qu'aux appareils et configurations firmware compatibles BR/EDR. Pour un produit BLE uniquement, la méthode reste la même, mais le plan de mesure se limite au BLE.

L'Online Power Profiler for Bluetooth LE de Nordic constitue une référence conceptuelle utile pour le BLE. Nordic le présente comme un modèle établi à partir de mesures, qui fournit des valeurs attendues sans mesurer un appareil particulier. Les résultats de précision publiés concernent uniquement le matériel de référence de Nordic et ne sont pas transposables au SF32. L'outil ne modélise ni le Bluetooth classique ni un produit bimode. Un modèle aide à choisir les essais ; la consommation réelle du produit doit être mesurée sur l'appareil cible.

Définir ce que vous mesurez¶

La « consommation Bluetooth » peut désigner des choses très différentes. Une mesure limitée à la radio peut aider à optimiser un paramètre de connexion, mais elle ne reflète pas la consommation du produit complet, qui inclut aussi le contrôleur, le processeur applicatif, les capteurs, l'écran, la mémoire et l'alimentation.

Pour étayer une estimation de l'autonomie du produit, mesurez autant que possible à l'entrée de la batterie ou à l'entrée d'alimentation principale. Enregistrez la tension avec le courant afin d'exprimer le résultat en puissance et en énergie, plutôt qu'en une valeur de courant sans les conditions d'alimentation correspondantes.

Mettre en place un test reproductible¶

L'instrument et l'appareil doivent utiliser le même périmètre de mesure, clairement documenté. Le Power Profiler Kit II (PPK II) de Nordic est un instrument source-mesure de référence utile, à condition que ses plages de tension et de courant conviennent au montage. Un instrument source-mesure ou un analyseur de courant équivalent convient également. La rigueur du protocole compte davantage que la marque de l'instrument.

En mode Source Meter, le PPK II alimente l'appareil ; en mode Ampere Meter, une source externe l'alimente à travers l'instrument. Choisissez le mode correspondant au circuit d'alimentation prévu. Une tension réglée n'est pas une trace de tension enregistrée sur l'appareil : surveillez aussi la tension au point de mesure, notamment si des chutes de tension ou des variations de la batterie influencent l'énergie.

Vérifiez les limites d'utilisation du PPK II avant de connecter le DUT. En mode Source Meter, la sortie est réglable de 0,8 à 5,0 V et le courant maximal du DUT est de 600 mA. Le mode Ampere Meter nécessite une alimentation externe de 0,8 à 5,0 V et permet une mesure continue jusqu'à 1 A. Si le DUT peut dépasser 400 mA en mode Source Meter, Nordic recommande d'alimenter aussi le PPK II avec une source USB supplémentaire d'au moins 1 A. Il s'agit de limites de l'instrument, et non de valeurs de fonctionnement recommandées pour l'appareil. Consultez les spécifications Nordic sur le courant maximal du DUT et les conditions d'alimentation.

flowchart LR
    A["Source configurée ou émulateur de batterie"] --> B["Instrument de mesure de courant"]
    B --> C["Point d'entrée d'alimentation du produit défini"]
    C --> D["Appareil SF32, radio et périphériques activés"]
    E["Moniteur de tension au même périmètre de mesure"] -. "enregistrer avec le courant" .-> C
    F["Interface de débogage ou de trace isolée"] -. "marqueurs d'état uniquement" .-> D

Avant chaque essai :

1. Débranchez l'alimentation USB, un débogueur ou toute autre alimentation susceptible de contourner l'instrument ou d'ajouter une charge. Ne conservez que les interfaces requises par le scénario.
2. Appliquez la tension d'alimentation documentée au périmètre de mesure choisi. Enregistrez chaque rail alimenté, cavalier, module et appareil externe.
3. Utilisez la version compilée du firmware du produit et sa configuration PM prévue. Désactivez la journalisation de diagnostic volumineuse pour les mesures finales, sauf si elle fait partie de la configuration du produit livré.
4. Préparez le même téléphone, accessoire, application de test, distance, orientation d'antenne et environnement RF pour chaque comparaison.
5. Capturez une fenêtre suffisamment longue pour inclure de nombreux événements Bluetooth répétés, pas seulement un pic isolé facile à obtenir.

Comprendre les phases de consommation d'un événement d'annonce BLE¶

Un événement d'annonce BLE typique ne se résume pas à une impulsion radio. Il commence par une brève phase de mise sous tension et de préparation, suivie du démarrage et de la stabilisation de l'oscillateur à quartz haute fréquence. Une fois l'alimentation et les horloges stabilisées, l'appareil reste en veille jusqu'à l'heure prévue de démarrage radio. Dans l'exemple d'annonce scannable ou connectable présenté ici, la radio démarre, émet sur l'un des canaux principaux d'annonce et ouvre une fenêtre de réception sur ce même canal. Après les deux premières fenêtres de réception, l'appareil repasse en veille avant d'émettre sur le canal suivant ; après la dernière fenêtre, il effectue le post-traitement. Un événement non connectable et non scannable n'écoute pas les requêtes. Les étapes réelles dépendent du type d'annonce configuré et de la carte des canaux utilisée.

La séquence complète représentée est la suivante : prétraitement → démarrage du quartz → veille → démarrage radio → émission radio (TX) → commutation TX/RX → réception radio (RX) → veille → émission radio (TX) → commutation TX/RX → réception radio (RX) → veille → émission radio (TX) → commutation TX/RX → réception radio (RX) → post-traitement. Le démarrage radio n'a lieu qu'une fois ; les émissions sur les canaux 38 et 39 commencent après la veille qui suit la fenêtre RX du canal précédent. La séquence reprend les étapes de l'illustration Nordic d'un événement d'annonce BLE typique. Il s'agit de phases génériques d'un événement BLE, et non d'états radio propres à Nordic ; ce redessin n'ajoute aucun autre état. Les niveaux de courant et les proportions temporelles sont indicatifs, pas des mesures SF32. Mesurez-les sur l'appareil cible.

Cette illustration représente un événement d'annonce legacy scannable ou connectable utilisant les trois canaux primaires 37, 38 et 39 ; les échanges après réception d'une requête ne sont pas représentés. Les étiquettes de canal sont indicatives : la spécification Bluetooth Core autorise l'utilisation des indices de canal primaire activés dans n'importe quel ordre, tandis que la carte de canaux configurée détermine ceux qui sont utilisés. Au plus une PDU d'annonce est émise sur chaque indice utilisé, généralement une par indice. Les trois émissions sont des copies des données d'annonce sur différents canaux, pas des nouvelles tentatives conditionnées par un acquittement. Pour les événements scannables ou connectables, la couche liaison écoute les requêtes autorisées sur le même canal primaire ; les événements non scannables et non connectables n'écoutent pas les requêtes. L'annonce étendue, une autre carte de canaux ou la réception effective d'une requête peuvent produire des traces différentes ; vérifiez le comportement configuré sur l'appareil cible. Consultez la spécification de la couche Link Layer de Bluetooth Core 6.2 et le guide d'introduction de Bluetooth SIG.

Sur un appareil SF32, utilisez ces noms d'étape pour guider le placement des marqueurs dans la trace ; ne les considérez ni comme des états radio propres à Nordic, ni comme des valeurs prédéfinies de durée ou de courant. La présence d'une phase de réception dépend du mode d'annonce configuré et doit être vérifiée sur la trace de l'appareil cible.

Pour un événement complet, l'énergie correspond à l'aire sous la trace, pondérée par la tension :

E_event = sum(V_stage x I_stage x t_stage)

À tension d'alimentation constante, une configuration périodique d'annonce peut être approximée comme suit :

Q_event = sum(I_stage x t_stage)
I_average = (Q_event + I_idle x (T_cycle - t_event)) / T_cycle

Q_event inclut la charge de toutes les étapes de l'événement complet, y compris ses périodes internes de veille ; t_event est sa durée totale. I_idle est le courant mesuré entre deux événements complets, et non le courant I_standby interne à l'événement. T_cycle est l'intervalle mesuré entre deux débuts d'événement, avec le délai d'annonce et les effets de l'ordonnancement. Si les intervalles varient, intégrez une trace longue et représentative plutôt que de considérer l'intervalle configuré comme une période exacte.

À tension constante, doubler le courant mesuré ou la durée d'une étape double son énergie. Les brèves phases de TX, RX et démarrage peuvent dominer l'énergie de l'événement ; avec de longs intervalles, le repos entre événements peut dominer le courant moyen. Identifiez les étapes par des marqueurs GPIO ou des événements firmware à faible surcoût, puis mesurez à l'entrée d'alimentation du produit complet avant de choisir quoi optimiser.

Le Bluetooth classique a une temporisation de protocole différente, mais la même rigueur de mesure s'applique. La spécification Bluetooth Core définit Inquiry Scan et Page Scan comme deux procédures de scan distinctes, et Sniff comme un mode ACL connecté qui réduit les créneaux d'écoute du Peripheral aux occasions Sniff planifiées ; le trafic du pair peut prolonger l'activité au-delà d'un intervalle d'ancrage. Il s'agit de comportements de temporisation, pas d'estimations de courant. Mesurez sur l'appareil cible la politique Scan configurée, les paramètres Sniff et l'activité réelle du pair et de l'application. Consultez la spécification BR/EDR Baseband et HCI Scan Enable.

Construire un plan de mesure spécifique au mode¶

Ne traitez pas « Bluetooth activé » comme un seul état de fonctionnement. Le BLE et le Bluetooth classique utilisent des procédures de connexion et de basse consommation différentes. Un produit bimode peut partager entre les deux modes du temps radio, les ressources du contrôleur, les horloges, la mémoire et le travail applicatif. Commencez par les scénarios reproductibles les plus simples, puis mesurez le comportement combiné exact du produit livré.

Le test de consommation BLE/BT de SiFli constitue une base utile : il couvre l'annonce et les modes de connexion BLE ainsi que les modes Scan et Sniff du Bluetooth classique. Le résultat obtenu sur une carte ne constitue toutefois pas une spécification produit. Utilisez la carte prise en charge, la broche de réveil, la console et la configuration PM indiquées pour rendre la mesure reproductible, puis reproduisez sur le matériel cible le rôle prévu pour le produit, l'appareil distant, le trafic et la stratégie de gestion de l'énergie.

Mesurer le BLE comme mode radio autonome¶

Commencez par mesurer le BLE seul. Vous obtenez ainsi une référence sans que le trafic des profils Bluetooth classique ou l'ordonnancement entre modes ne complique la lecture de la trace.

Enregistrez le rôle BLE, l'appareil distant, les paramètres de connexion ou d'annonce, la puissance TX, la charge utile, le déclencheur de début, la condition de fin et la fréquence d'usage réelle. Une trace sans ces informations ne peut pas être comparée à celle d'une autre version du firmware.

Mesurer le Bluetooth classique comme mode radio autonome¶

Sur un produit bimode, mesurez le Bluetooth classique séparément avant d'introduire le BLE. Vous rendez ainsi visibles la référence Scan et Sniff et tout traitement système propre au profil, sans que des événements BLE ne s'y intercalent.

Enregistrez le rôle Bluetooth classique, l'appareil distant, la politique Scan ou Sniff, la puissance TX, le profil, la charge utile ou la durée de session, le déclencheur de début, la condition de fin et la fréquence d'usage réelle. Pour les profils audio, le périmètre de mesure doit inclure le chemin audio réellement utilisé par le produit.

Mesurer le fonctionnement bimode comme un scénario à part entière¶

N'estimez pas la consommation électrique d'un produit bimode en additionnant simplement une mesure BLE et une mesure Bluetooth classique. Les deux modes peuvent partager du temps radio, du traitement contrôleur, des horloges, de la mémoire et des réveils applicatifs. Leur consommation combinée peut donc différer sensiblement de la somme arithmétique de deux moyennes mesurées séparément.

flowchart LR
    A["Mesurer le courant de repos de l'appareil"] --> B["Mesurer les scénarios BLE seul"]
    A --> C["Mesurer les scénarios Bluetooth classique seul"]
    B --> D["Exécuter le scénario bimode prévu pour le produit final"]
    C --> D
    D --> E["Marquer le travail BLE, Bluetooth classique, hôte et périphérique"]
    E --> F["Utiliser l'énergie combinée mesurée dans le budget produit"]

Ce n'est qu'après avoir caractérisé séparément le BLE et le Bluetooth classique que vous devez mesurer le comportement d'un produit bimode. Pour un produit qui maintient une liaison BLE disponible tout en diffusant de l'audio Bluetooth classique, par exemple, mesurez les éléments suivants sur le même matériel et avec le même appareil distant :

1. La politique de connexion BLE au repos, seule.
2. Le flux ou profil de données Bluetooth classique, seul.
3. L'état stable combiné réel, incluant le trafic BLE prévu.
4. Les transitions d'entrée et de sortie de l'état combiné, plus la récupération d'erreur et le comportement de reconnexion.

Les marqueurs de trace doivent identifier les événements BLE, le travail de profil Bluetooth classique, les callbacks applicatifs, le traitement audio ou de données, et les changements d'état PM. Cela sépare la planification radio du travail système qu'elle déclenche, et expose des interactions inattendues telles qu'un callback BLE empêchant le CPU applicatif de retourner en veille pendant une session Bluetooth classique.

Corréler la trace avec le comportement du firmware¶

Pour comprendre la consommation réelle de l'appareil, il faut relier chaque variation de la trace à l'activité correspondante. Marquez ou consignez le début et la fin des tâches du produit afin de pouvoir déterminer pourquoi le courant change :

• Avant et après un transfert initié par l'application ou une rafale de notifications.
• Lorsque l'écran, le capteur, la Flash, le chemin audio ou un autre composant externe est activé ou désactivé.
• Lorsque le firmware demande un état PM et lorsque l'appareil y entre réellement.
• Lorsqu'un chemin de reconnexion, de nouvelle tentative ou de récupération d'erreur démarre.

Utilisez un marqueur GPIO visible dans la trace, un marqueur d'événement à faible surcharge ou un script de test reproductible. Un journal série peut aider à la mise en service, mais aussi modifier la consommation. Lors des mesures finales, contrôlez la journalisation comme une variable d'essai ; ne la considérez pas comme un moyen d'observation sans effet.

Calculer l'énergie et la consommation quotidienne réelles¶

Pour une trace variable, calculez l'énergie à partir du courant et de la tension au fil du temps :

E_scenario = integral(V(t) x I(t) dt)
P_average = E_scenario / T_scenario

Si la tension reste constante dans le périmètre de mesure, le courant moyen peut aussi servir aux comparaisons. Conservez néanmoins l'enregistrement de la tension, surtout si vous passez d'un rail régulé à l'entrée batterie.

Pour un scénario produit répété :

E_day = sum(E_scenario x events_per_day) + E_mode_idle + E_other_states

Découpez la journée en périodes sans chevauchement. E_mode_idle et E_other_states ne doivent couvrir que le temps qui n'est pas déjà inclus dans l'énergie totale des scénarios. Traitez le fonctionnement simultané du BLE et du Bluetooth classique comme un scénario combiné mesuré, et non comme la somme des modes isolés. Si le modèle compte déjà la consommation de base sur 24 heures, ajoutez uniquement le supplément d'énergie de chaque action au-dessus de cette base, pas son énergie totale. Avec des volts, des ampères et des secondes, le résultat est en joules ; divisez par 3600 pour le convertir en Wh.

L'énergie d'un scénario doit inclure tout le travail nécessaire de l'appareil. Par exemple, une notification du téléphone peut nécessiter un événement de connexion, un traitement par l'hôte, un accès à un capteur ou à la Flash, une mise à jour de l'écran et un retour en veille. Ne mesurer que l'impulsion RF sous-estime l'énergie consommée par l'appareil ; mesurer le produit entier sans marqueurs de trace empêche d'identifier les postes à optimiser.

Comparer le modèle aux mesures de l'appareil¶

Utilisez le modèle initial pour classer les sources probables de consommation, puis mettez-le à jour à partir des mesures réelles. Un écart entre l'estimation et la trace est utile : il peut révéler un événement manquant, une durée erronée, un réveil inattendu ou une charge externe non prise en compte.

flowchart LR
    A["Définir un scénario produit"] --> B["Mesurer le courant et la tension sur l'appareil"]
    B --> C["Marquer et attribuer les segments de la trace de mesure"]
    C --> D["Calculer l'énergie par scénario terminé"]
    D --> E["Extrapoler selon l'usage quotidien réel"]
    E --> F["Comparer avec le budget énergétique"]
    F --> G["Optimiser le poste le plus énergivore"]
    G --> A

Partir d'une base SiFli reproductible¶

Utilisez les exemples SiFli-SDK pour reproduire un état Bluetooth avant de mesurer le firmware du produit. La carte prise en charge, le chemin d'alimentation, la configuration des cavaliers, les réglages SDK et la procédure de test fournissent des points de référence ; ils ne constituent pas des spécifications du produit.

Liste de contrôle pour la revue de mise en production¶

• Le périmètre de mesure et la tension d'alimentation sont documentés.
• Le courant et la tension ont été enregistrés pour chaque scénario important pour la mise en production.
• L'USB, le débogueur, les adaptateurs UART et les alimentations de modules externes ont été contrôlés ou explicitement inclus.
• Les traces sont corrélées aux événements du firmware, aux demandes d'état PM et aux états réellement atteints.
• Le comportement d'annonce et de connexion au repos BLE ainsi que Scan/Sniff Bluetooth classique a été mesuré le cas échéant.
• Chaque profil de données ou audio Bluetooth classique prévu pour le produit final dispose d'une charge de travail définie et mesurée.
• Les scénarios bimodes ont été mesurés comme des états produit combinés plutôt qu'estimés en additionnant les résultats en mode unique.
• Le comportement représentatif de transfert, déconnexion et reconnexion a été mesuré le cas échéant.
• L'énergie de chaque scénario a été convertie en consommation quotidienne selon une fréquence d'usage réaliste, puis comparée au budget énergétique de la batterie.
• Le poste le plus énergivore a un responsable et fait l'objet d'une décision d'optimisation ou d'acceptation.

Ressources associées¶

• Vue d'ensemble Bluetooth pour le BLE, le Bluetooth classique, les profils, la sécurité et la coexistence système.
• Exemples du SDK Bluetooth pour la sélection de projets Bluetooth classique, BLE et LE Audio.
• Vue d'ensemble de la conception basse consommation pour la conception PM et le budget énergétique complet du produit.
• Mesurer et valider la consommation énergétique pour le flux de validation du composant au produit.
• Analyse de la consommation d'une montre connectée pour un exemple de modèle énergétique quotidien.

Dernière mise à jour: 2026-10-21