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Raspberry Pi Zero W の消費電流測定

 Raspberry Pi Zero W をケースに入れて電源スイッチとシャットダウンスイッチを付けましたが、これで気持ちよく使えるようになりました。とは言ってもすぐにやりたいことは無いので、SSHからコマンド打って遊んでいる状態です。

 こんなふうにいじっていて気になったのが、シャットダウンしても結構な電流が流れていることです。さらに電源スイッチ(RUNスイッチ)を使って電源をオフにしても消費電流が完全にゼロになりません。電流はUSBパワーチェッカーを使ってモニターしたのですが、ちょっと気になる現象です。

▼ケースに入れた Raspberry Pi Zero W
Raspberry Pi Zero W
 トグルスイッチが電源スイッチ(RUN)、赤いボタンがシャットダウンスイッチです。

 USB電源チェッカーの分解能は10mAなので細かい変化が判り難いです。ということで電源ラインに0.1Ωのシャント抵抗を入れてデジタルマルチメーターで測定することにしました。

▼測定に使ったシャント抵抗
消費電流測定用シャント抵抗
 0.1Ωのセメント抵抗です。

 以下はシャント抵抗の両端電圧で、10倍すると電流になります。なお、ラズパイはSSHで使っていてグラフィックコンソールは動かしていない状態です。

▼ブート後のアイドル状態
安定時(SSH)
 ブート後SSHでログインしてシステムが安定した状態です。小さな変動がありますが消費電流は107mAでした。

▼負荷をかけた状態
負荷時
 システムに負荷をかけると 209mAまで電流が増えました。時々大きな値が出るのでオシロで波形を見てみました。

▼オシロで見た電流波形
電源電流波形
 200mAをベースに、時々350mAまでスパイク状に電流が増えています。スパイクの部分はたぶんWiFiを使っている時だと思います。

 ちなみに負荷を掛けた状態を作る方法としては yes を使うのが定石のようですが、今回は ls / -alR コマンドを実行させました。

 このコマンドは、ルートディレクトリ以下の全てのディレクトリとファイルの情報を表示しますが、何しろファイルの数が多いので実行が終わるのに1分以上かかります。その間ファイルシステムを引っ掻き回すと同時にコンソールに大量に文字が流れるので、WiFiにも負荷がかかるはずです。CPUには大した負荷が掛かっていないかも知れませんが、コマンドが覚えやすいのと出力が派手なので、こういう時はこのコマンドを使っています。なお、パーミッションが無いディレクトリは表示されないので sudo ls / -alR とやった方が良いのかも知れません。

▼SSHのコンソールに表示された is -alR の実行結果
ls コマンドで負荷をかける
 SSHで接続したタブレットからコマンドを実行している様子です。

▼シャットダウン後
シャットダウン後
 シャットダウンスイッチを使ってシャットダウンした状態です。コマンドとしては sudo shutdown -h now を実行した後の状態です。シャットダウンしても 37.6mA流れています。

 アイドル状態が107mAだったのでの30%くらいに電流が減っただけです。思ったより大きな電流が流れ続けています。どこで電流使っているんでしょうね。電池駆動する場合、これはかなり重い負荷になります。

▼RUNスイッチで電源をOFFにした状態
RUNスイッチON
 ここまでやっても電源電流は 12.7mA 流れています。思ってたより大きな電流なので注意が必要だと思います。

 ちなみに、Pi Zero にはRUNの信号ピンがあります。たぶん内部でプルアップされているようで、このピンに何も接続しないと電源が入ります。つまり、HighでRUNがイネーブルされ、GNDに落とすと電源がOFFになります。 

 Raspberry Pi Zero W で出来る方法はここまでです。あとは電源のマイクロUSBコネクタを引っこ抜くしかありません。マイクロUSBを抜けばもちろん電流はゼロになります。

◆まとめ
 シャットダウンコマンドで停止させても、RUNスイッチで電源を切っても結構な電流が流れることが判りました。Linuxが動くんだからしみったれたこと言うんじゃないよ、と言われそうですが、Arduinoなどのマイコンで育った自分としてはちょっと意外な結果でした。

Raspberry Pi zero のケースにシャットダウンスイッチを追加

 ミンティアのケースにRaspberry Pi Zero W を入れて使っていますが、シャットダウンスイッチがあった方が使い易いので追加しました。

 スイッチを使ったシャットダウンの方法はいろいろな情報がネットにありますが、今回私はJELLYWAREさんの、RaspberryPiにshutdownボタンを付けようという記事を参考にさせて頂きました。ありがとうございます。

▼完成状態
Raspberry Pi Zero with Shutdown switch
 改造完了後の写真です。赤いボタンがシャットダウンスイッチで、これを3秒以上押すとシャットダウンします。なお、左側のトグルスイッチは電源スイッチです。

▼回路図
20171117Schem.png
 参考にしたページの情報を元に、当方の状態に合わせた回路図を作成しました。ポートに保護抵抗(R1)を入れ、電源のスイッチの配線を追加、さらにコネクタで基板を分離出来るようにしました。

▼配線の状態
Raspberry Pi zero 電源とシャットダウンスイッチ
 配線がはんだ付けの根元で切れ難くするために、線を未使用のスルホールにくぐらせています。また端子のはんだ付け部は全て収縮チューブで保護・絶縁しています。シャットダウンスイッチはケースから頭が出るように、ボタンが長いものを使っています。

▼ケースに入れる前
全パーツ
 スイッチはホットボンドで固定しました。

▼ケースに入れた状態
内部の状態

 上蓋を閉じれば最初の写真の状態になり、シャットダウンスイッチの追加完了です。

◆ソフト
 選考にさせて頂いたサイト(JELLYWAREのクラゲのIOTテクノロジーさん)に書いてある通りに進めれば大丈夫でした。ステップバイスッテップで判り易く解説されているので、見通し良く作業を進めることが出来ました。

 シャットダウン機能を追加する時に一番怖いと思うのは、論理ミスあるいは配線ミスをやらかして、ブートが終わったとたんにシャットダウンが始まる状態を作ってしまうことです。こうなると、最悪はシステムを再インストールしないと直せないかも知れません。一気に仕上げるのではなく、参考にさせて頂いたサイトに書いてあるように、順番に確認しながら進めるのが安全だと思います。

◆まとめ
 ラズパイの電源を切るのはシャットダウンコマンドを使うのが正しい作法です。でもコンソールを立ち上げていなかった場合などは、システムが安定した頃を見計らってマイクロUSBコネクタを抜くしか電源を落とす方法がありませんでした。シャットダウンスイッチがあればいつでも安全に電源を落とすことが出来て便利です。

ミンティアのケースをRaspberry Pi Zero W のケースに改造

 Raspberry Pi Zero W のセットアップが終わったのでケースに入れてみました。最初に完成状態の写真です。

▼ミンティアのケースに入れたRaspberry Pi Zero W
ミンティアで作ったRaspberry Pi Zero用ケース
 放熱穴と、LEDの確認用の穴を開けておきました。Pi Zero W は WiFi 内蔵なので、この状態でヘッドレスで使えます。

 以下ケース製作までの顛末です。

 ラズパイゼロ用のケースが売られているので、最初から買っておけば良かったのですが、まあいいやと横着して裸の基板のまま使っていたら、

▼インダクタのコアが欠けてた
インダクタのコア欠け
 いつのまにかDCDCコンバーターのインダクタのコアが欠けてました、赤い矢印で示した部分です。確か 4R7(4.7μH) だったと思うのですが、7のマーキングごとコアが無くなっています。開磁路のインダクタなので致命的では無いと思いますが、DDコンの効率が少し下がったかも知れません。
 もし最初からこうなっていたら絶対に見逃さないはずなので、いじっているうちに何か硬い物にぶつけたのだと思います。この基板には裸のシリコンのダイが乗っていますが、もしこっちが割れていたら一巻の終わりでした。

 ということで、最初の写真のようにケースに入れた次第です。これ、結構うまくいっていると思うので、もう少し詳しく写真で紹介します。

▼裏面
裏面、IPアドレス記入
 IPアドレスを書いておきました。

▼内部
内部
 上側ケースにLSIの放熱用の角穴を二つ、LEDを見易くするための丸穴を一つ開けました。ベアシリコンダイのチップはWiFiとBT用だったと思いますが、フラッシュ光が当たると誤動作するかも知れないので、ここの穴は開けない方が良かったかも知れません。
 下側ケースの中央にあるスタッドは邪魔になるので切り落とします。

▼基板拡大
内部、拡大
 赤矢印部が少し当たるので、その部分のケースの樹脂をカッターで切り落とします(基板を削った方が簡単ですが)。手前の黒くて細長い物は基板位置決め用のストッパーで、強力な両面テープで止めてあります。

▼コネクタ差し込み口
コネクタ差込口
 ミニHDMI コネクタは、そのままでは上ケースと干渉して、とケースがぴったりと閉まらないので、0.5mmくらいケースをそぎ落としました。そこまでやらなくても良かったですが、、

▼電源スイッチ
電源スイッチの配線
 スペースに余裕があるので電源スイッチを付けてみました。RUNとシルク印刷されているスルホール間をショートすると電源が強制OFFになります。配線はGPIOのスルホールを通して切れ難くしておきました。なお、このスイッチはサイズがミンティアの取り出し口にぴったり合ったので接着などはしていません。

 電源スイッチがあると、マイクロUSBを挿したらいきなり起動したりしないので便利です。あと、sudo shutdown で電源を切りますが、その状態では僅かに電源電流が流れているようです。このスイッチで切ればもっと消費電流が減ります。とは言っても、マイクロUSBを抜いた状態のように完全にゼロにはなりません。あと、このスイッチは無条件に電源をOFFするので要注意です。

▼全部のケーブルを接続した状態
全ケーブルを接続した状態
 これで基板を壊す恐れが無くなりました。ミンティアのラベルは綺麗に剥がすのが大変なのと、ラベルが無いと殺風景なのであえてそのまま残しました。

◆まとめ
 なかなか良いケースが出来たと思います。ミンティアのケースは丈夫で割れないので具合が良いです。

 GPIOを使ってスイッチでシャットダウンさせる手があるので、機会があればこのケースに入れてみたいと思います。タクトスイッチを追加するスペースは充分にあります。

 ミンティアのケースの材質はナイロン系でしょうか、粘りがあるので切るのに強い力が必要です。加工の際はケガをしないように十分に注意して下さい。刃物の進行方向に手や指を置かないのは鉄則です。
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