基于LabVIEW的嵌入式軟件能耗測量方法

郭真林，桑 楠，江 維，宋元鳳

(電子科技大學計算機科學與工程學院，成都 611731)

1 概述

隨著綠色計算概念的提出，原本處于受限環境的嵌入式系統面臨更加嚴峻的挑戰。尤其對于電池供電的嵌入式設備，如手機、傳感器、可穿戴計算設備等，系統電能消耗已經成為影響產品成敗的關鍵因素之一。隨著服務需求的多樣化，嵌入式軟件的復雜度也在急劇攀升，其能耗與性能因素阻礙了嵌入式系統領域的發展。精確地測量嵌入式軟件能耗是優化嵌入式軟件的重要一步。

國外對于嵌入式軟件能耗的研究比較成熟。在能耗數據的測量方面，較多采用先進的自動化儀器進行測量[1-2]。嵌入式處理能耗測量標準EnergyBench，由嵌入式微處理器測試基準協會EEMBC推出，但它沒有公開其詳細測量方法。國內雖然針對嵌入軟件的能耗研究很多，但關注焦點在于能耗模型的建立或者是能耗仿真器上面[3-4]。文獻[5]從指令周期層次進行建模取得了較好的結果，但絕對誤差只能控制在10%以內。上述方法難以滿足對精確能耗數據的需求，因此，嚴重影響了嵌入式軟件能耗相關研究的正確性與準確性。

LabVIEW是一種由NI公司推出的可視化軟件編程環境。通過可視化 VI編程生成的程序與各種相關硬件配合，可實現信號生成、數據處理、數據采集以及工程控制等各類任務。雖然基于LabVIEW的各種測量系統已經存在很多，但針對嵌入軟件能耗測量的方法卻沒有得到關注。因此，本文提出一種能耗測量方案，并詳細設計與實現了基于LabVIEW的數據采集程序。

2 測量方案

圖 1給出了一種典型的嵌入式軟件能耗測量方案。假設目標設備是TQ2440嵌入式開發板，配備了三星S3C2440 ARM CPU，并具有64 MB的SDRAM。為了測量電流，核心板上串聯了一個很小的定值電阻(6.8 ?)，通過測量其電壓的方式來測量設備電流。本文采用低端電流測量法，以排除高端共模電壓的影響，從而避免對設備產生損壞[6]。測量儀器使用 PXI 1042Q測控平臺，并配置NI 6221數據采集卡以實現多通道的同步數據采集。核心板電壓信號和定值電阻的電壓信號連線到接線盒SCB-68中，該接線盒連接到數據采集卡上。

本文利用LabVIEW編寫專門的數據采集軟件，實現對電流電壓通道以及一個用于標記狀態的數字通道進行同步數據采集。被測量的目標程序被封裝成測量單元，并通過GPIO端口向此數字通道發送狀態。該狀態用于區別采集到的電流電壓數據樣本是否為目標程序執行時采到的樣本。

圖1 能耗測量方案

3 數據處理

3.1 功率樣本點

數據采集儀器周期性對輸入通道進行采樣，設采樣頻率 f，則采樣周期為 1/T f= 。根據采樣定理，采樣頻率至少不低于2倍奈奎斯特頻率，即截止頻率2倍或以上才能保證信號被正確地還原。假設目標電壓和電流信號同時被采集到，電壓、電流樣本集分別表示為:

則功率樣本集為:

3.2 功耗近似計算

如果功率樣本點是按照采樣定理獲得的，那么可以通過這些樣本點恢復連續的原始信號。假定功率樣本為時間的函數，()s st= ，則可得到理論上的無誤差功能耗，即功率函數與時間的積分為:

由于恢復原始信號函數過于復雜，且計算量太大，因此直接對離散數據進行一種近似計算是一種非常有效的方法。以固定周期進行采樣，可將功率樣本點看作是以周期T為等間距寬度圍成的矩形的高，如圖2所示。能耗通過下式計算得出:

圖2 離散矩形近似逼近連續功率

通過這種方式處理數據會造成一定的誤差，誤差的大小為對應矩形區的三角邊與功率曲線圍成的面積。如果采集的樣本量非常多時，可能對最終的數值產生很大影響。由于直接計算這塊面積難度很大，需得到原函數，因此通過計算三角形的面積來近似它，則變為求梯形的面積和，能耗計算由式(2)變形為:

很明顯地，采樣頻率越高，越能反映原始的電流與電壓信號。采樣頻率的設定一方面取決于測量需求，另一方面取決于數據采集卡的采樣頻率。

4 采集程序的設計與實現

為支持對程序中多個目標的數據采集，要區分采到的樣本所屬的對象，需要增設一個對數字通道的采集。這只需占用一個端口線，例如采用 NI 6221的port0/line0[7-10]。嵌入式系統通常具有豐富的 I/O接口，如 GPIO，因此，可選擇合適接口連接到采集卡的數字通道上。在目標程序執行時，可向該端口寫入1，執行時完畢時寫入0，即可知道樣本所屬對象的變化。如果進行多目標的測量，則在發送一個低電平時，插入一定的延時。這樣，可確保隨后的高電平被采集到。這是因為采樣頻率低于這2個操作的時間會造成測量目標丟失。這種方式的好處是:一旦采集開始后，無需停止，即是一種非浸入干擾的測量方法。電流信號、電壓信號和上述的數字脈沖信號，三者是以相同的頻率被同步采集的。

圖3說明了對功率樣本的主要數據處理流程。按式(3)進行一次計算需要相鄰2個樣本，所以，用一個浮點數VI(Last Sample)來存儲上一個樣本。計算完成后，同時對比數字脈沖是否零，以確定將能耗值寫入文件，否則繼續迭代，直至處理完樣本。

圖4說明了電流、電壓和數字脈沖信號通道的配置方法，這主要體現在對AI Current、AI Voltage和Digital Input 3種VI的配置。當采樣頻率很高時，需要的緩沖就越大，因此，增加 DAQmx服務包中的Configure Input Buffer[7]VI到程序中，以方便按需要設置緩沖區的大小。為了使三者進行同步數據采集，將模擬輸入(Anology Input)與數字輸入(Digital Input)2種通道配置了相同的采樣頻率(VI Sample Clock)。這里采用的是觸發數據采集方式，因此，配置了Start Digital Edge VI接收觸發信號。整數指示器VI Elements指示測量目標的個數，根據脈沖的變化次數來計算，整數 VI Samples和浮點數 VI Power Consuming分別是當前測量目標的樣本數和能耗值計數器。

采集到的樣本是分批處理的，從模擬通道中讀出的電流與電壓樣本，直接相乘便得到功率樣本。然后對功率樣本集進行迭代處理，以求得功耗。同時進入for循環的還有脈沖信號的樣本，目的是判別功率樣本的有效性。

圖3 功率樣本數據處理流程

圖4 同步數據采集VI配置流程

圖5指示了for循環中的CASE結構為真的情況，即脈沖信號指示高電平1狀態。這時按照式(3)計算功耗值。乘1000是為了將功耗的單位轉換為mJ。圖6說明了CASE結構為假的情況，這時功率樣本直接被丟棄不作任何處理。

如果測量目標的樣本數不為零，則將其功耗值寫入文件，同時將樣本數計數器、功耗值計數器清零。

圖5 數據讀取與處理模塊

圖6 能耗數據的文件存儲模塊

5 實驗與結果分析

為驗證測量數據的正確性，使用HIOKI 3334-01交直流單相功率計，針對圖1中的目標設備進行能耗數據的對比測量。

LabVIEW測量的采樣頻率配置為10000 Hz，一次樣本讀取100個。功率計的接線方法，將電壓端輸入端子連接到負載側。所測得的數據如表1所示。

表1 能耗數據的對比測量結果

通過對比可以看出，2種方法測得的數據非常相近，最大差值也不超過 0.0002，從而驗證了本文方法的有效性與準確性。

6 結束語

針對當前研究忽略嵌入式軟件能耗測量的現狀，本文分析基于 LabVIEW 的嵌入式軟件能耗測量方案。基于離散電壓、電流數據的近似處理方法，設計一種精確能耗計算方法，實現數據采集程序，通過加密軟件的測試驗證其有效性。通過儀器對嵌入式軟件進行能耗測量以及數據處理方法，為進行嵌入式軟件能耗評估提供一種有效手段。

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