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Kostengünstig, leistungsfähig, flexibel

Smart-Meter-ICs auf Basis von ARM-Cortex-Kernen

15. Oktober 2012, 13:31 Uhr | Heinz Arnold

Bruno Baylac, Freescale: »Der Markt für Smart Meters wächst in Asien schnell. Insgesamt gehe ich jedoch davon aus, dass der Markt für Submetering den Markt für intelligente Zähler künftig noch übertreffen wird.«

Freescale hat auf der Metering Billing / CRM Europe in Amsterdam drei neue ICs für den Einsatz in intelligenten Zählern vorgestellt. Dazu gehört der »Zähler auf einem Chip«, ein Sub-GHz-Funkmodul und ein Controller, der mit zwei ZigBee-Netzen kommunizieren kann – alles auf Basis von ARM-Cortex-Kernen.

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»Wir bauen unsere ARM-basierenden Kinetis-Controller-Plattform weiter aus und entwickeln auf ihrer Basis Controller, die auf den Einsatz in vertikalen Marktsegmenten abzielen«, sagt Bruno Baylac, Direktor und General Manager des Geschäftsbereichs Metering, Medical & Connectivity von Freescale.

Als einen vielversprechenden vertikalen Markt sieht er intelligente Zähler an. Besonders hoch liege das Potenzial in China, wo er mit 40 bis 60 Millionen elektronischen Zählern pro Jahr rechnet. Schon heute liefere Freescale mehrere 10 Millionen Controller pro Jahr nach China, die in Kommunikationseinheiten von elektronischen Zählern Einsatz finden. Auch in Indien würden intelligente Zähler verstärkt Einzug halten, zahlreiche Automated-Meter-Reading-Pilotprojekte laufen dort bereits. Und Japan sei sehr eifrig damit beschäftigt, ein Smart Grid aufzubauen, um den Anteil der Atomkraft nach Fukushima reduzieren und erneuerbare Energien ins Netz integrieren zu können.

Sehr große Chancen sieht er für das Submetering voraus. Um die Energieeffizienz von Produktionsmaschinen, von Verbrauchern in Gebäuden und in Rechenzentren zu überwachen, sei eine riesige Anzahl von Messknoten erforderlich: »Dieser Markt wird den der Smart Meters noch übertreffen«, so Baylac. Und zusätzlich würden auch elektromechanische Gas-, Wasser- und Wärmezähler zunehmend durch elektronische Typen ersetzt.

Die Aufzählung zeigt schon, dass an die ICs für Smart Meters sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, denn in den unterschiedlichen Weltregionen existieren unterschiedliche Standards und Regulierungen. Auch die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und an die Kosten für die Zähler sind vielfältig.

»Auf Basis der Kinetis-Controller-Plattform können wir schnell Typen entwickeln, die auf Performance, Preis und Flexibilität optimiert sind« meint Baylac. Dass dies nicht leere Worte sind, wollte das Unternehmen in Amsterdam unter Beweis stellen.

Kostengünstig – und dennoch genau und sicher

Durch einen hohen Integrationsgrad zeichnen sich die ersten Controller der Kinetis-M-Plattform aus, deren Kern der ARM Cortex M0+ bildet. »Es handelt sich um kostengünstige ICs, auf denen sowohl die Messeinheit als auch ein flexibles Analog-Frontend integriert sind. Damit ermöglicht dieser Single-Chip-Meter-SOC den einfachen Aufbau sehr genauer Ein- und Zweiphasen-Zähler«, erklärt Baylac. Auf externe Komponenten können die Zähler-Hersteller weitgehend verzichten, auch ein externer Quarz ist nicht erforderlich.

Das Spektrum der Kinetis-M-Familie umfasst neben den Single-Chip-Versionen auch Typen, die hochpräzise Analogschnittstellen enthalten und für den Einsatz in intelligenten Multi-Chip-Zählern bestimmt sind.

Das Analog-Frontend (AFE), mit dem alle Mitglieder der Kinetis-M-Familie ausgestattet sind, besteht aus vier Sigma-Delta-A/D-Wandlern mit einer Auflösung von 24 Bit, zwei rauscharmen PGAs (Programmable Gain Amplifier), die einen Dynamikbereich von 2000 zu 1 ermöglichen, einer Präzisions-Spannungsreferenz mit geringer Temperaturdrift und einem Phasenverschiebungs-Kompensator, der für eine einfachere Berechnung der Leistungswerte sorgt.

Das AFE ermöglicht dem Controller, die Leistungsdaten auf 0,1 Prozent genau zu berechnen. Weil es konfigurierbar ist, lässt sich das AFE auf die Anforderungen unterschiedlicher Regionen anpassen. Das AFE muss lediglich an einer einzigen Stelle kalibriert werden – OEM-Hersteller können so die Kosten für ihre Fertigungstests reduzieren.

Der ARM-Cortex M0+ arbeitet mit 50 MHz, die typische Stromaufnahme im Normalbetreib liegt unter 100 µA/MHz. Es stehen Stromsparmodi für bestimmte Einsatzszenarien wie Nullleiterabschaltung zur Verfügung.

Auf den ICs hat Freescale Flash-Speicher mit bis zu 128 KByte und SRAMs mit bis zu 16 KByte integriert. Die Memory Protection Unit schützt den Applikationscode und erlaubt es, die WELMEC-konforme Software direkt zu implementieren.

Zu den weiteren Sicherheitsfunktionen gehört ein Zufallszahlengenerator für die Kryptographie, der in Hardware ausgeführt ist, und Schutzfunktionen gegen Manipulationsversuche: Externe Pins erkennen die unterschiedlichsten Angriffsmethoden und können so Manipulationen von außen verhindern

Für den Aufbau der Zähler bietet Freescale mehrere Referenz-Designs. Dazu zählen ein genauer Ein-Phasen-Stromzähler für die Region Europa, kosteneffiziente Zähler für China und Indien mit Nullleiterabschaltung sowie genaue Zwei-Phasen-Stromzähler für die Regionen USA und Japan.