Bachelor's Thesis

Laboratory Exercise Power Consumption Measurement of Microcontrollers

Final Thesis 6.31 MB Appendix 6.21 MB

Author of thesis: Miroslav Vysloužil

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Kufa, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Ladislav Polák, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design and creation of a laboratory exercise for measuring the power consumption of microcontrollers and their peripherals. The introductory part provides an overview of key microcontroller manufacturers and their product lines. Subsequently, methods for reducing power consumption, such as low-power modes, underclocking and other methods, are described. Furthermore, possible methods for measuring the power consumption of microcontrollers for an automated exercise are proposed. The next part focuses on the design of the laboratory exercise, including its objectives, assignment and circuit connection. The practical part includes the development of a measurement platform and software programs for implementation of the laboratory exercise. In the final parts of the thesis presents graphical processing of measured data and creation of a laboratory exercise with a sample protocol.

Keywords:

Microcontroller, power consumption measurement, current, energy consumption, sensor, power, measuring instrument

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student představuje svou bakalářskou práci. Student následně reaguje na všechny otázky oponenta. Prof. Šotner se ptá na zdroje testovacích kódů a legitimitu použití. Student odpovídá. Dr. Vychodil se nad rámec práce ptá na útok postranním kanálem a možnots využití práce student v tomto kontextu. Student neví. Prof. Šotnera zajímá příkon přípravku. Student odpovídá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

prof. Ing. Roman Šotner, Ph.D. (předseda)
Ing. Jan Kufa, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Josef Vychodil, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Dřínovský, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Franek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Kufa, Ph.D.

Bakalářská práce Miroslava Vysloužila se zabývá návrhem a realizací výukového laboratorního demonstrátoru pro měření a analýzu energetické náročnosti mikrokontrolerů a měřících periferií. V úvodní rešeršní části autor prokázal orientaci v hardwarové architektuře moderních mikrokontrolerů. Systematicky zde popsal fyzikální i softwarové principy optimalizace spotřeby, od metodiky podtaktování sběrnic až po správu pokročilých spánkových režimů.

V realizační části student úspěšně splnil všechny body zadání. Z technického hlediska oceňuji řešení desky plošného spoje. Autor ji navrhl jako oboustrannou, přičemž horní strana slouží jako přehledné, graficky zpracované popisné schéma pro studenty, což výrazně zvyšuje didaktickou hodnotu celého pracoviště. Spodní strana je vyhrazena pro samotné výkonové a signálové propojení komponent.

Autor implementoval celkem 16 vzorových skriptů pro simulaci různých provozních stavů a vytvořil vizualizační aplikaci pro vykreslování proudových průběhů ze senzorů INA226 v reálném čase. Odborným přínosem je detailní srovnání parametrů proudových čidel INA226 s profesionálními přístroji PPK2 a JT-UM120, stejně jako systematická analýza externích senzorů (Bosch BME280/688, DHT11, MQ135), kde se autor nezaměřil pouze na odběr, ale detailně zkoumal vliv měřicích módů, délku trvání měřicích cyklů a u multifunkčních senzorů také dopad počtu aktivně měřených veličin na celkovou energetickou bilanci. Důležitým bodem práce je rovněž porovnání spotřeby a výpočetního výkonu moderních mikrokontrolerů ESP32-C3 s jádry RISC-V a ESP32-S3 postavených na architektuře Tensilica Xtensa. Navržené pracoviště je plně funkční a představuje přínos pro inovaci laboratorní výuky v předmětu BPC-EPZ.

Přístup studenta během celého akademického roku byl samostatný, projevoval o řešené téma zájem, pravidelně docházel na konzultace. Technické a formální nedostatky jsou spíše minoritního charakteru. Z odborného hlediska je škoda, že autor u senzoru INA226 nevyužil jeho interní hardwarové kalibrační registry pro průměrování a filtraci šumu a proud dopočítával softwarově v MCU. V textu práce by také byla vhodná hlubší matematická analýza nejistot měření, která by exaktně zdůvodnila systematickou kladnou odchylku modulu INA226.

Obrázky jsou v bitmapové formě, některé jsou bohužel hůře čitelné. Minimálně u blokových schémat by bylo vhodné využití vektorového formátu. Toto bohužel snižuje vizuální kvalitu práce.

Vzhledem ke kvalitě dosažených výsledků, funkčnosti celého výukového pracoviště a aktivnímu přístupu studenta po celý rok práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení stupněm B (84 bodů). Points proposed by supervisor: 84

Grade proposed by supervisor: B

Bakalárska práca sa zaoberá realizáciou laboratórnej úlohy zameranej na meranie spotreby mikrokontrolérov (MCU) a ich externých periférií (napr. digitálny senzor teploty a vlhkosti).

Študent podľa zadania najprv podáva prehľad bežne dostupných a využívaných mikrokontrolérov. V tejto časti práce chýbajú ukážky hlavných typov mikrokontrolérov vo forme obrázkov. Druhá kapitola sa venuje metódam znižovania spotreby mikrokontrolérov. Nadväzujúca kapitola sa zameriava na spôsoby merania spotreby MCU. Oceňujem, že študent stručne rozoberá konvenčné i pokročilé postupy. Štvrtá a piata kapitola sa venujú návrhu a realizácii laboratórnej úlohy. Vývojový diagram na Obr. 14 nie je dostatočne popísaný. Na druhej strane autor podrobne uvádza, ktoré programy či knižnice boli prevzaté, od koho a prečo. Ďalším problémom je, že zapojenie meracieho setu spolu s doskami plošných spojov (skutočné plošné spoje v práci chýbajú) by malo byť uvedené v prílohe práce, nie len externe vo forme prílohy.

Výsledky experimentálnych meraní sú prezentované a stručne diskutované v šiestej kapitole. V tejto časti by som očakával viac opakovaných meraní a stanovenie štatistických ukazovateľov (napr. 95% interval spoľahlivosti). Príloha obsahuje kompletný návod laboratórnej úlohy so vzorovým vypracovaním protokolu o meraní.
Bakalárska práca s prílohami má nadpriemerný rozsah cca 90 strán. Formálna a grafická úprava je miestami podpriemerná (napr. Obr. 16 a väčšina výstupov z meraní). V texte sa vyskytuje menší počet terminologických a gramatických preklepov, ktoré kvalitu práce výrazne neznižujú. Práca s literatúrou je na veľmi dobrej úrovni.

Zadanie bolo splnené; prácu odporúčam na obhajobu, avšak vzhľadom na uvedené nedostatky navrhujem mierne nižšie hodnotenie B / 85. Topics for thesis defence:
  1. 1) Z textu nie je jednoznačné, v akom programovacom jazyku bola aplikácia napísaná. Bol použitý MicroPython alebo C/C++?
  2. 2) V kapitole 5.5.2 sa píše: „Pro Slave mikrokontroler bylo vytvořeno celkem 16 programů. Část z nich byla vytvořena úpravou dostupných vzorových příkladů a část byla napsána samostatně.“ Mohli by ste to podrobnejšie vysvetliť, predovšetkým z hľadiska tých 16 programov?
  3. 3) V kapitole 5.5.3 sa uvádza, že pri vysokej rýchlosti prijímaných dát sa zhoršovala kvalita vykresľovania grafu v Pythone, čo sa riešilo implementáciou časovača. Ako aplikácia spracúva dáta, sú niektoré vzorky priemerované alebo vynechávané?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová