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Kostengünstig, leistungsfähig, flexibel

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

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

32-Bit-Controller für die Sub-GHz-Kommunikation

Weil in Europa die Zähler häufig nicht, wie beispielsweise in den USA, außerhalb des Hauses angebracht sind, sondern im Keller sitzen, muss die Kommunikation über Funk durch Hindernisse wie Betonwände funktionieren. Je niedriger die Funkfrequenz, umso besser können die Wellen die Hindernisse durchdringen.

Deshalb hat Freescale mit dem »Kinetis KW01« einen Controller für die drahtlose Kommunikation über Frequenzen unterhalb von 1 GHz entwickelt. Das Funkmodul kann mit komplexen Modulationsverfahren (GFSK, MSK, GMSK und OOK) arbeiten und erreicht eine Übertragungsrate bis zu 600 kBit/s. Mit Frequenzen von 290 bis 1020 MHz deckt es die ISM-Bänder in Japan, USA, Europa, China, Indien, Brasilien, Mexiko und anderen Ländern ab. Darüber hinaus kann das effiziente und Strom sparende CPU-System auf Basis des ARM Cortex M0+ zahlreiche Netzwerkprotokolle bewältigen: Der KW01 ist nicht nur dafür ausgelegt, mit den als Industriestandard etablierten 802.15.4e/g-Protokoll zu arbeiten, sondern kann auch über 6LoWPAN, wMBus (EN13757-4), KNX und ECHONET sowie über proprietäre Protokolle kommunizieren. Damit eignet er sich auch für den Einsatz im Außenbereich. In Neighborhood Area Networks beispielsweise sind viele intelligente Zähler mit einem gemeinsamen Datensammelpunkt vernetzt, Metropolitan Area Networks verbinden Straßenlaternen und Sensoren miteinander. Hier finden häufig die oben genannten Protokolle Anwendung.

Der ARMCortex-M0+-Prozessor arbeitet mit bis zu 48 MHz. Die Kapazität des integrierten Flash-Speichers beträgt 128 KByte, die des SRAM 16 KByte. Unter typischen Betriebsbedingungen nimmt der KW01 einen Strom von 40 µA/MHz auf.

Im Standby-Modus gibt er sich mit 1,7 µA zufrieden, die Weckzeit beträgt nur 4,3 µs. Im Stop-Modus nimmt der Baustein weniger als 100 nA auf – und das unter Erhaltung der Konfigurationsdaten des Funkteils. Dank seiner umfassenden Modemfunktionen kann der KW01 die rudimentären Protokoll-Schichten der Funkkommunikation verarbeiten, während die höheren Schichten des Netzwerkprotokolls in einem externen Host-Applikationsprozessor laufen.

Die auf dem Chip integrierten Peripheriefunktionen, etwa der 16-Bit-A/D-Wandler, erlauben es dem KW01 aber auch, einfachere Netzwerkprotokolle ohne Hostprozessor zu verarbeiten. Damit lässt sich Sensornetzwerk mit einem Single-Chip-System implementieren.

Muster der Kinetis KW01 MCU will Freescale in diesen Tagen ausliefern, die Stückzahlenproduktion ist für das erste Quartal 2013 geplant.

Um die Entwicklung zu vereinfachen, bietet Freescale mehrere Werkzeuge an. Dazu zählen das PC Test-Tool für die umfassende Evaluation der Funkleistung und eine rasche Konfiguration des Funkteils, die FCC-zertifizierte und CE-konforme Hard- und Softwarekonfiguration, das Eclips-basierte CodeWarrior IDE (Integrated Development Environment) mit vollständigem Debug-Modul für das Debuggen und Flashen der Schaltung und die modulare Tower-System-Hardwareplattform für die rasche Prototypenerstellung.

Allerdings ist in Europa nicht nur die Kommunikation über Funk verbreitet, sondern vor allem auch über Powerline Communication (PLC). Müsste ein Hersteller von Smart-Meter-Chips also nicht auch die PLC-Schnittstelle bieten können? »Wir entwickeln bereits PLC-Chips. G3-PLC- und PRIME-kompatible Bausteine wird Freescale im Laufe des kommenden Jahres vorstellen«, erklärt Baylac.