Medição e análise do consumo de energia em Bluetooth¶

Este artigo explica como medir o consumo real do dispositivo durante a operação Bluetooth: Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth clássico (BR/EDR) e o uso combinado dos dois em um produto de modo dual. Para cada cenário, defina com clareza o limite elétrico da medição, registre a corrente e a tensão e colete dados de firmware suficientes para explicar os trechos importantes do traçado.

Use as seções sobre Bluetooth clássico e modo dual somente para dispositivos e configurações de firmware que ofereçam suporte a BR/EDR. Um produto somente BLE deve seguir o mesmo método, mas limitar o plano de cenários ao BLE.

O Online Power Profiler for Bluetooth LE, da Nordic, é uma referência conceitual útil para BLE. A Nordic o descreve como um modelo baseado em medições que estima valores esperados, não como uma medição de um dispositivo específico. Os dados de precisão publicados se aplicam apenas a componentes de referência da Nordic e não devem ser extrapolados para SF32. A ferramenta não modela Bluetooth clássico nem produtos de modo dual. Use modelos para decidir o que testar; confirme o resultado do produto medindo o dispositivo-alvo.

Defina o que será medido¶

“Consumo de energia do Bluetooth” pode significar coisas bem diferentes. Uma medição apenas do rádio pode ajudar a otimizar um parâmetro de conexão, mas não mostra o consumo do produto final com o controlador, a CPU da aplicação, os sensores, o display, a memória e a fonte de alimentação em funcionamento.

Para fundamentar uma estimativa de autonomia do produto, meça, sempre que possível, na bateria ou na entrada principal do produto. Registre a tensão junto com a corrente para calcular potência e energia, em vez de obter um valor de corrente sem as condições da alimentação.

Prepare um teste reproduzível¶

O instrumento e o dispositivo precisam compartilhar um limite de medição claramente documentado. O Power Profiler Kit II (PPK II), da Nordic, pode servir como instrumento de referência para alimentar o dispositivo e medir sua corrente, desde que as faixas de tensão e corrente sejam adequadas à configuração. Também é possível usar uma unidade de fonte e medição (SMU) ou um analisador de corrente equivalente. A disciplina de medição importa mais que a marca do instrumento.

No modo Source Meter, o PPK II alimenta o dispositivo; no modo Ampere Meter, uma fonte externa fornece energia através do instrumento. Escolha o modo conforme o caminho de alimentação previsto. A tensão configurada não é uma forma de onda registrada no dispositivo: monitore também a tensão no ponto de medição, principalmente se quedas de tensão ou variações da bateria afetarem a energia.

Confira os limites de operação do PPK II antes de conectar o DUT. No modo Source Meter, a saída pode ser ajustada de 0,8 a 5,0 V e a corrente máxima do DUT é de 600 mA. O modo Ampere Meter requer uma fonte externa de 0,8 a 5,0 V e permite medição contínua de até 1 A. Se o DUT puder consumir mais de 400 mA no modo Source Meter, a Nordic recomenda uma fonte USB adicional, com corrente nominal de pelo menos 1 A, para alimentar o PPK II. Esses são limites do instrumento, não valores de operação recomendados para o dispositivo. Consulte as especificações da Nordic sobre corrente máxima do DUT e alimentação.

flowchart LR
    A["Fonte configurada ou emulador de bateria"] --> B["Instrumento de medição de corrente"]
    B --> C["Ponto de alimentação definido do produto"]
    C --> D["Dispositivo SF32, rádio e periféricos ativos"]
    E["Monitor de tensão no mesmo ponto"] -. "registrar junto com a corrente" .-> C
    F["Interface de depuração ou rastreamento isolada"] -. "somente marcadores de estado" .-> D

Antes de cada execução:

1. Desconecte a alimentação USB, o depurador e quaisquer outras fontes que possam contornar o instrumento ou acrescentar carga. Mantenha somente as interfaces necessárias para o cenário.
2. Aplique a tensão de alimentação documentada no ponto selecionado. Registre todas as linhas de alimentação ativas, jumpers, módulos e dispositivos externos.
3. Use a versão do firmware do produto e a configuração de gerenciamento de energia (PM) prevista. Desative logs de diagnóstico de alto volume para obter os valores finais, exceto quando fizerem parte da configuração de produção.
4. Em cada comparação, use o mesmo telefone, acessório, aplicativo de teste, distância, orientação da antena e ambiente de RF.
5. Capture uma janela longa o suficiente para incluir muitos eventos Bluetooth repetidos, não apenas um pulso conveniente.

Entenda as etapas de consumo de um evento de anúncio BLE¶

Um evento típico de anúncio BLE não é um único pulso de rádio. Ele começa com uma breve fase de ativação e preparação, seguida pela partida e estabilização do oscilador de cristal de alta frequência. Quando a alimentação e os clocks estão prontos, o dispositivo permanece em standby até o instante programado para iniciar o rádio. No exemplo escaneável ou conectável mostrado aqui, o rádio é iniciado, transmite em um dos canais primários de anúncio e abre uma janela de recepção nesse mesmo canal. Após as duas primeiras janelas de recepção, o dispositivo volta ao standby antes de transmitir no canal seguinte; depois da última janela, executa o pós-processamento. Um evento não conectável e não escaneável não escuta solicitações. As etapas reais dependem do tipo de anúncio configurado e do mapa de canais utilizado.

A sequência completa representada é: pré-processamento → partida do cristal → em espera → inicialização do rádio → transmissão de rádio (TX) → comutação TX/RX → recepção de rádio (RX) → em espera → transmissão de rádio (TX) → comutação TX/RX → recepção de rádio (RX) → em espera → transmissão de rádio (TX) → comutação TX/RX → recepção de rádio (RX) → pós-processamento. O rádio é iniciado apenas uma vez; as transmissões nos canais 38 e 39 começam após o período de espera que sucede a janela RX do canal anterior. A sequência toma como referência as etapas da ilustração da Nordic de um evento típico de anúncio BLE. São fases genéricas de um evento BLE, não estados de rádio específicos da Nordic, e este redesenho não acrescenta outras etapas. Os níveis de corrente e as proporções de tempo são ilustrativos, não medições do SF32. Meça-os no dispositivo-alvo.

A ilustração representa um evento legado de anúncio, escaneável ou conectável, nos três canais primários 37, 38 e 39; ela não mostra a interação após uma solicitação recebida. Os rótulos dos canais são ilustrativos: a especificação Bluetooth Core permite usar os índices de canal primário habilitados em qualquer ordem, enquanto o mapa configurado determina quais índices serão usados. Um evento normalmente transmite uma PDU de anúncio em cada índice utilizado, com no máximo uma PDU por índice. As três transmissões são cópias dos dados de anúncio em canais diferentes, não novas tentativas condicionadas a uma confirmação. Em eventos escaneáveis ou conectáveis, a camada de enlace escuta solicitações permitidas no mesmo canal primário; eventos não escaneáveis e não conectáveis não escutam solicitações. Consulte a especificação da camada de enlace do Bluetooth Core 6.2 e a introdução da Bluetooth SIG. Anúncios estendidos, outro mapa de canais ou o recebimento de uma solicitação podem gerar um traçado diferente; verifique o comportamento configurado no dispositivo-alvo.

No SF32, use os nomes dessas etapas como referência para marcar o traçado; não os trate como estados de rádio específicos da Nordic nem como valores presumidos de corrente ou duração. A atividade de recepção depende do comportamento de anúncio configurado e deve ser confirmada no traçado do dispositivo-alvo.

Para um evento completo, a energia corresponde à área sob o traçado, ponderada pela tensão:

E_event = sum(V_stage x I_stage x t_stage)

Com tensão de alimentação constante, é possível estimar uma configuração periódica de anúncio por:

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

Q_event inclui a carga de todas as etapas do evento completo, inclusive os períodos internos de standby; t_event é a duração total do evento. I_idle é a corrente medida entre eventos completos, não a I_standby interna do evento. T_cycle é o intervalo medido entre o início de um evento e o seguinte, incluindo o atraso de anúncio e os efeitos do escalonamento. Se os intervalos variarem, integre um traçado longo e representativo em vez de tratar o intervalo configurado como um período exato.

Com tensão constante, dobrar a corrente medida ou a duração de uma etapa dobra sua energia. Pulsos curtos de TX, RX e inicialização podem dominar a energia do evento; com intervalos longos, o repouso entre eventos pode dominar a corrente média. Marque as etapas com GPIOs ou eventos de firmware de baixo impacto e meça na entrada de alimentação do produto completo antes de escolher o que otimizar.

O Bluetooth clássico tem uma temporização de protocolo diferente, mas aplica-se a mesma disciplina de medição. A especificação Bluetooth Core define Inquiry Scan e Page Scan como procedimentos de scan distintos e Sniff como um modo ACL conectado que reduz as oportunidades de escuta do periférico aos pontos de ancoragem Sniff programados; o tráfego do dispositivo remoto pode prolongar a atividade além de um ponto de ancoragem. Esses são comportamentos de temporização, não estimativas de corrente. Meça no dispositivo-alvo a política de Scan configurada, os parâmetros Sniff e a atividade real do dispositivo remoto e da aplicação. Consulte a especificação BR/EDR Baseband e o HCI Scan Enable.

Planeje as medições por modo Bluetooth¶

Não trate “Bluetooth habilitado” como um único estado operacional. BLE e Bluetooth clássico usam procedimentos diferentes de conexão e baixo consumo; em um produto de modo dual, os dois podem compartilhar tempo de rádio, recursos do controlador, clocks, memória e tarefas da aplicação. Comece pelos menores cenários reproduzíveis e depois meça o comportamento combinado exato do produto.

O exemplo de teste de consumo BLE/BT da SiFli é uma boa referência inicial porque abrange anúncio e conexão BLE, além dos modos Scan e Sniff do Bluetooth clássico. O resultado de uma placa não é uma especificação do produto. Use como base reproduzível a placa compatível, o pino de despertar, o console e a configuração de PM documentados; em seguida, reproduza no hardware-alvo o papel, o dispositivo remoto, o tráfego e a política de energia previstos para o produto.

Meça o BLE como modo de rádio independente¶

Comece medindo apenas o BLE. Assim, você estabelece uma referência sem que o tráfego de perfis do Bluetooth clássico ou o escalonamento entre modos interfiram na leitura do traçado.

Registre o papel BLE, o dispositivo remoto, os parâmetros de conexão ou anúncio, a potência TX, a carga útil, o gatilho de início, a condição de término e a frequência de uso real. Sem essas informações, não é possível comparar o traçado com outra revisão do firmware.

Meça o Bluetooth clássico como modo de rádio independente¶

Em um produto de modo dual, meça o Bluetooth clássico separadamente antes de introduzir o BLE. Assim, a referência dos modos Scan e Sniff e o trabalho específico de cada perfil ficam visíveis, sem a sobreposição de eventos BLE.

Registre o papel Bluetooth clássico, o dispositivo remoto, a política Scan ou Sniff, a potência TX, o perfil, a carga útil ou a duração da sessão, o gatilho de início, a condição de término e a frequência de uso real. Para perfis de áudio, o ponto de medição precisa incluir o caminho de áudio usado pelo produto.

Meça o modo dual como um cenário próprio¶

Não estime o consumo de um produto de modo dual simplesmente somando uma medição BLE a uma medição de Bluetooth clássico. Os dois modos podem compartilhar tempo de rádio, processamento do controlador, clocks, memória e despertares da aplicação. Por isso, o resultado combinado pode ser bem diferente da soma aritmética das médias medidas separadamente.

flowchart LR
    A["Meça a linha de base do dispositivo ocioso"] --> B["Meça cenários somente BLE"]
    A --> C["Meça cenários somente Bluetooth clássico"]
    B --> D["Execute o cenário de modo dual previsto para o produto"]
    C --> D
    D --> E["Marque o trabalho de BLE, Bluetooth clássico, host e periféricos"]
    E --> F["Use a energia combinada medida no orçamento do produto"]

Só analise um produto de modo dual depois de compreender as referências independentes de BLE e Bluetooth clássico. Por exemplo, em um produto que mantém um enlace BLE disponível enquanto transmite áudio por Bluetooth clássico, meça todos estes itens no mesmo hardware e com a mesma configuração de dispositivos remotos:

1. A política de conexão BLE ociosa, isoladamente.
2. O fluxo de áudio ou perfil de dados Bluetooth clássico, isoladamente.
3. O estado estável combinado real, incluindo o tráfego BLE previsto.
4. As transições de entrada e saída desse estado combinado, além da recuperação de erros e do comportamento de reconexão.

Os marcadores do traçado devem identificar eventos BLE, trabalho dos perfis Bluetooth clássicos, callbacks da aplicação, processamento de áudio ou dados e mudanças de estado de PM. Isso separa o escalonamento do rádio do trabalho do sistema que ele aciona e revela interações inesperadas, como um callback BLE impedir que a CPU da aplicação volte a dormir durante uma sessão Bluetooth clássica.

Relacione o traçado ao comportamento do firmware¶

Para encontrar o consumo real do dispositivo, é essencial atribuir cada mudança ao trabalho correspondente. Marque ou registre o início e o fim das tarefas do produto para entender o motivo de uma variação na corrente:

• Antes e depois de uma transferência iniciada pela aplicação ou de uma rajada de notificações.
• Quando o display, um sensor, a Flash, o caminho de áudio ou outro componente externo é ligado ou desligado.
• Quando o firmware solicita um estado de PM e quando o dispositivo realmente entra nele.
• Quando começa uma reconexão, nova tentativa ou recuperação de erro.

Use um ponto de rastreamento GPIO, um marcador de evento de baixo impacto ou um roteiro de teste reproduzível. Um log serial pode ajudar durante o bring-up, mas também pode alterar o consumo de corrente. Trate a instrumentação final dos logs como uma variável de teste controlada, não como um canal de observação sem custo.

Calcule a energia real e o consumo diário¶

Para um traçado variável, calcule a energia integrando corrente e tensão ao longo do tempo:

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

Se a tensão permanecer constante no ponto de medição, a corrente média também pode ser usada para comparar os testes. Ainda assim, registre a tensão, especialmente ao alternar entre uma linha de alimentação regulada e a entrada da bateria.

Para um cenário de produto repetido:

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

Divida o dia em períodos sem sobreposição. E_mode_idle e E_other_states devem cobrir apenas o tempo ainda não incluído na energia total dos cenários. Trate BLE e Bluetooth clássico simultâneos como um único cenário combinado medido, não como a soma dos modos isolados. Se o modelo já inclui o consumo de base das 24 horas, acrescente apenas a energia adicional de cada ação acima dessa base, não sua energia total. Com volts, amperes e segundos, o resultado é dado em joules; divida por 3600 para converter para Wh.

A energia do cenário precisa incluir todo o trabalho do dispositivo necessário para concluí-lo. Por exemplo, uma notificação recebida do telefone pode envolver um evento de conexão, processamento do host, acesso a um sensor ou à Flash, atualização do display e retorno ao sono. Medir apenas o pulso de RF subestima a energia do dispositivo; medir o produto inteiro sem marcadores de traçado impede identificar o que deve ser otimizado.

Ajuste o modelo com medições do dispositivo¶

Use o modelo inicial para priorizar os possíveis fatores de consumo e depois atualize-o com medições reais. A diferença entre a estimativa e o traçado é útil: pode indicar um evento não contabilizado, uma duração incorreta, um despertar inesperado ou uma carga externa que ficou de fora.

flowchart LR
    A["Defina um cenário do produto"] --> B["Meça corrente e tensão no dispositivo"]
    B --> C["Marque e atribua os trechos do traçado"]
    C --> D["Calcule a energia por cenário concluído"]
    D --> E["Projete para o uso diário real"]
    E --> F["Compare com o orçamento de energia"]
    F --> G["Otimize o principal fator de consumo"]
    G --> A

Comece por uma referência reproduzível da SiFli¶

Use os exemplos do SiFli-SDK para tornar reproduzível um estado Bluetooth antes de medir o firmware do produto. A placa compatível, o caminho de alimentação, a configuração dos jumpers, os ajustes do SDK e o procedimento de teste do exemplo são evidências de referência, não especificações do produto.

Checklist antes da liberação do produto¶

• O ponto de medição e a tensão de alimentação estão documentados.
• Corrente e tensão foram registradas em todos os cenários relevantes para o lançamento.
• USB, depurador, adaptadores UART e fontes de módulos externos foram controlados ou incluídos explicitamente.
• Os traçados foram relacionados a eventos do firmware, solicitações de estado PM e estados realmente alcançados.
• Os anúncios e a conexão ociosa BLE, assim como os modos Scan/Sniff do Bluetooth clássico, foram medidos quando aplicáveis.
• Cada perfil de dados ou áudio Bluetooth clássico usado no produto tem uma carga de trabalho definida e medida.
• Os cenários de modo dual foram medidos como estados combinados do produto, sem estimá-los pela soma dos resultados dos modos isolados.
• O comportamento representativo de transferência, desconexão e reconexão foi medido quando aplicável.
• A energia dos cenários foi multiplicada por frequências diárias realistas e comparada com o orçamento da bateria.
• O principal fator de consumo tem um responsável e uma decisão registrada de otimização ou aceitação.

Recursos relacionados¶

• Visão geral do Bluetooth para BLE, Bluetooth clássico, perfis, segurança e coexistência no sistema.
• Exemplos do SDK Bluetooth para escolher projetos de Bluetooth clássico, BLE e LE Audio.
• Visão geral de baixo consumo para projeto de PM e orçamento completo de energia do produto.
• Medição e validação do consumo de energia para o fluxo de validação, de componentes ao produto.
• Análise de consumo de um smartwatch para um modelo de energia diária desenvolvido passo a passo.

Última atualização: 2026-10-21