Rapid Development von Schaltkreisen für intelligente E-Zähler Erfolgsfaktor »Proof of concept«

»Time to market« ist für die Hersteller intelligenter Stromzähler einer der wichtigsten Erfolgsfaktoren. Einen Vorsprung können sie nun mit der Proof-of-Concept-Entwicklungsplattform »CrossBow« von Future Electronics erzielen: Sie verwendet das stapelbare Future-Blox-Board-Format, mit dem der Entwickler Kombinationen aus Controller und Anwendungs-Boards zusammenstecken kann, um so schnell komplette Proof of Concepts für Systeme oder Subsysteme aufzubauen.

Die Tage des herkömmlichen Stromzählers, der einzig und allein dazu dient, den Stromverbrauch in Haushalten zu messen, sind gezählt. Abgelöst wird er von intelligenten Zählern, die in Echtzeit mit einem Kontrollzentrum kommunizieren können, Störungen erkennen und melden, sogar Haushaltsgeräte auf Befehl des Energieunternehmens ein- und ausschalten – und die nebenbei den Stromverbrauch messen und automatisch an den Stromkonzern durchgeben können. Dazu ist u.a. eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen dem Haus des Verbrauchers und dem Energieversorger nötig. Integrierte manipulationssichere Funktionen sollen ferner die Einnahmen des Versorgers schützen. Und nicht zuletzt sollen Kunden ihren Energieverbrauch in Echtzeit verfolgen und regulieren können.

»Das alles hat den OEM-Markt für Zähler aufgerüttelt«, erklärt Ralf Lehmann, Product Marketing Engineer von Future Electronics. »Mikrocontroller-Hersteller, die hier eine neue Umsatzchance sehen, beeilen sich, integrierte Geräte mit On-Chip-Funktionen wie etwa Manipulationsschutz, Real-Time-Clock, Unterstützung für verkabelte und kabellose Kommunikation sowie Stromerkennungs- und Messfunktionen anzubieten.« Zum Einsatz kommen dabei z.B. Mikrocontroller wie der Freescale MCF51EM. »Dieser ist bereits berechtigterweise als ‚Smart-Meter-on-a-Chip’ zu bezeichnen. Sein hoher Integrationsgrad kann die Entwicklung für den Kern eines intelligenten Stromzählers drastisch beschleunigen. Das bedeutet aber, dass die Entwicklung und Integration der peripheren Elemente des Systems wie z.B. das analoge Frontend, der Grafiktreiber oder die Kommunikationsschnittstelle jetzt relativ gesehen länger dauert.«

Ein System mit einer Architektur wie in Bild 1 gezeigt, kann nach Überzeugung des Experten alle oben genannten Funktionen abdecken. Das entscheidende Mess-Frontend, das die Energieverbrauchsmessung bereitstellt, ist entweder ein- oder dreiphasig. Es muss eine kontinuierliche, unterbrechungsfreie Messung gewährleisten, selbst wenn Firmware-Updates stattfinden. Hierfür sind eine Echtzeituhr mit einem integrierten Kristall sowie eine interne ausfallsichere Uhr, die die primäre Uhr im Fall einem Ausfall ersetzt, erforderlich. Die manipulationssichere Funktion sollte u.a. unautorisiertes Öffnen des Gehäuses, das Entfernen der Batterie aus der Echtzeituhr sowie fehlerhafte Kabel erkennen. »Nicht zuletzt werden OEMs in den meisten Fällen ein Plattformprodukt entwickeln wollen, das mit nur geringer Modifizierung überall auf der Welt einsetzbar ist«, so Lehmann. »Eine solche Plattform müsste also eine breite Vielfalt von Kommunikationsschnittstellen unterstützen.«

CrossBow-Plattform von Future Electronics

Die neuesten Mikrocontroller, die speziell für intelligente Zähler ausgelegt sind, integrieren bereits viele oder sogar alle dieser Funktionen. »Aber selbst nachdem der Entwickler beschlossen hat, einen Mikrocontroller wie den MCF51EM zu verwenden, steht er immer noch vor dem Problem, ein System entwickeln zu müssen, das die am Mikrocontroller angeschlossenen Peripheriegeräte wie z.B. das analoge Frontend, Modem, manipulationssichere Sensoren und das Display integriert«, gibt Lehmann zu bedenken. »Hier bietet die Proof-of-Concept-Entwicklungsplattform ‚CrossBow’ von Future Electronics, mit ihrem neuen Add-on namens ‚EM Mini-Blox’, das Freescales Mikrocontroller MCF51EM enthält, dem Entwickler einen großen Vorsprung: CrossBow verwendet das stapelbare Future-Blox-Board-Format, das es dem Entwickler ermöglicht, Kombinationen aus Controller und Anwendungs-Boards zusammenzustecken, um schnell komplette Proof of Concepts für Systeme oder Subsysteme aufzubauen.«

Zum Lieferumfang gehört eine kostenlose Version von Freescales Entwicklungstoolsuite CodeWarrior. Darüber hinaus stellt Future Electronics seinen Kunden Future-Blox-Boards kostenlos - auf Anfrage auch mit Gerber-Entwicklungsdateien - zur Verfügung, damit sie das Board-Design adaptieren und innerhalb ihres eigenen Endprodukts verwenden können.

Aufbau des Proof of Concepts

In Bild 2 ist ein Proof of Concept eines kompletten intelligenten Zählers zu sehen, das auf der Entwicklungsplattform CrossBow mit dem Daughterboard EM Mini-Blox aufgebaut wurde. Nach Überzeugung des Experten könnte ein Entwickler dieses System problemlos innerhalb von ein paar Tagen aufbauen, wenn ein bewährtes analoges Frontend existiert. »CrossBow unterstützt die meisten Peripheriegeräte für intelligente Zähler direkt über Buchsen für einsteckbare RF-Module und bietet zudem eine Schnittstelle zu einem LCD-Display, einer Debug-Oberfläche und einem Netzteil.« Die einzigen Blöcke, die CrossBow nicht direkt zur Verfügung stellt, sind das analoge Frontend, Infrarotsender/-empfänger, manipulationssichere Schalter, Temperaturfühler und Zweitbatterie. Für die automatische Zählerablesung (AMR) bietet CrossBow mehrere Kommunikationsmodule, die Protokolle wie ZigBee, Bluetooth und WiFi implementieren. Anschließend stellt CrossBow eine fertige Hardware-Implementierung eines intelligenten Zählers zur Verfügung.

Anwendungshinweise

Große Teile der Softwareentwicklungsarbeit stehen in Form von Anwendungshinweisen, Bibliotheken und Democode zur Verfügung. Die übrigen Softwaremodule – Speichermanagement, Datenlogging und AMR – lassen sich einfach mit Beispielcodes integrieren, den die Modul- oder Chipset-Hersteller zur Verfügung stellen.

So decken z.B. drei Freescale-Anwendungshinweise fast den kompletten Analogbereich der Softwareentwicklung ab: Für Nutzer des EM Mini-Blox ist die entscheidende Messfunktion in den Schriften ‚ADC-Unterschiede’ und ‚Kalibrierverfahren’ beschrieben. Sie geben eine Einführung zum Aufbringen von ADCs sowie zur Kalibrierung und Konfiguration des programmierbaren Verzögerungsblocks für die Synchronisierung der Strom- und Spannungsmessung. Im Anwendungshinweis »Leistungsbeurteilung« findet sich eine Bibliothek von Algorithmen, die in Zähleranwendungen verwendet werden, z.B. Quadratwurzel, Quadratmittel, Leistungsmessung, diskrete Fourier-Transformation und gesamte harmonische Verzerrung.

Der Glas-LCD-Treiber ist in einem weiteren Anwendungshinweis beschrieben. Der Democode bietet eine einfache API für das CrossBow-Glas-LCD und ist nach Lehmanns Überzeugung gut genug, um einen Eindruck seiner Funktionsweise zu geben. Bei Bedarf nach Infrarotkommunikation zeigt Anwendungshinweis AN3938, wie dies mit dem spezifischen Hardwareblock im MCF51EM implementiert wird.

»Während die wesentliche Energiemessfunktion vollständig in CrossBow unterstützt wird, sind Manipulationserkennung und -handhabung sowie die Echtzeituhr für Rechnungsinformationen nur als einfache Hardware-Implementierungen verfügbar«, erklärt Lehmann. »Diese Module sind konfiguriert, um in einfacher Weise eine Manipulation mit einem Schalter sowie die Kalkulation zeitbezogener Messungen zu demonstrieren.«

Wie in Bild 2 zu sehen, kann das CrossBow-Board jeden Teil des Systems mit Ausnahme des analogen Frontends (für die Strom- und Spannungsmessung und die Verstärkerstufe), das über ein 26-poliges Flachkabel angeschlossen ist, über seine Standardverbinder aufnehmen. Das kleine LCD-Display dient zur Anzeige von Debug-Informationen während der Evaluierung.

Fazit

»Bei der Entwicklung eines intelligenten Zählers müssen Entwicklungsteams über den Prozessorkern hinaus denken«, resümiert Lehmann. »In einem erfolgreichen Design ist die Handhabung von Peripheriegeräten entscheidend. Entwickler werden enorm von der Verfügbarkeit eingebauter, für Zähleranwendungen geeigneter Peripheriegeräte in einem Mikrocontroller, von den Anwendungshinweisen mit Democode zu Themen wie Energiemessung sowie von einer offenen und flexiblen Proof-of-Concept-Entwicklungsplattform wie CrossBow profitieren. Dies ermöglicht eine schnellere Evaluierung von Design-Ideen und gibt eine klare Richtung für die Entwicklung des Endprodukts.« Ebenso wichtig sei es, dass Entwickler nicht in Entwicklungssackgassen laufen und Entscheidungen auf Basis unzureichender oder irreführender Hard- und Software-Modelle träfen. Auch dies könne auf die hier beschriebene Weise bereits in der Entwicklungsphase vermieden werden.

Entwickler können ein CrossBow-Entwicklungssystem und ein EM Mini-Blox Daughterboard unter www.my-boardclub.com/em.htm anfordern.