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MCU plus Kommunikationseinheit

Embedded-Design für intelligente Messsysteme

23. Juli 2010, 9:04 Uhr | Keith Odland, MCU Marketing Manager bei Silicon Labs

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Messfunktionen und Anforderungen

Jeder Zählertyp muss eine oder mehrere des folgenden Funktionen bieten:

Quantitative Messung: Die primäre Messfunktion muss eine genaue Messung einer Menge von Energie oder Flüssigkeit gewährleisten. Messsysteme umfassen viele Strukturen und Komponenten wie Temperatursensoren, Durchflusssensoren, Isolationstrafos, Stromwandler und Systeme für die Zeitnahme.
Steuerung und Kalibrierung: Diese Systeme werden für den Ausgleich kleinerer Abweichungen in den Messsystemen verwendet, um mit Funktionen wie Fälschungssicherheit und Leistungsunterbrechung fertig zu werden.
Kommunikation: Verkabelte oder kabellose Verbindungen können für die Einstellung der Parameter des Zählers und die Übermittlung der gespeicherten Daten an einen Host sowie für die Aktualisierung der Firmware des Zählers und andere Betriebseigenschaften verwendet werden.

Energieeinsparung: Niedriger Energieverbrauch und ein robustes System sind entscheidend im Falle eines Spannungsverlusts. Bei batteriebetriebenen Messsystemen ist Energieeinsparung von ausschlaggebender Bedeutung, um den Stromverbrauch gering zu halten und die Batterielebensdauer zu maximieren.
Display: Günstige, stromsparende LCD- und LED-Displays als Siebensegment-, alphanumerische oder Anzeigen im Matrixformat sind gebräuchliche Anwenderschnittstellen. Behördliche Auflagen schreiben oft vor, dass der Kunde in der Lage sein muss, die Menge direkt am Zähler abzulesen.
Synchronisierung: Taktsynchronisierung ist entscheidend für die zuverlässige Datenübertragung an einen zentralen Hub oder andere Kollektorsysteme, um Funktionen wie Datenanalyse und fehlerfreie Abrechnung bereit zu stellen. Dies ist bei einem drahtlosen Netzwerk mit einem asynchronen Kommunikationsprotokoll unerlässlich.

Bei einigen Anwendungen unterliegen Zähler strengen Anforderungen an einen niedrigen Energieverbrauch. Der Serviceintervall für einen Grundwasserzähler beträgt 20 Jahre oder mehr. Bei solchen Anwendungen werden besondere Lithiumbatterie-Chemien (wie etwa Lithium-Thionylchlorid oder Li-SOCl2) mit niedriger Selbstentladung benötigt, um die Anforderung an Langlebigkeit zu erfüllen.

Eine weitere wichtige Anforderung an intelligente Messgeräte ist die Verwendung von MCUs mit hoher Leistungsfähigkeit bei geringer Leistungsaufnahme. Die meisten Messsysteme erfordern MCUs mit sehr geringem Stromverbrauch, die gleichzeitig eine Reihe von integrierten Funktionalitäten wie Echtzeituhr, A/D-Wandler und Kommunikationsschnittstelle bieten. Weitere Ausstattungsmerkmale wie etwa LCD-Controller, eine zyklische Blockprüfung oder eine Verschlüsselungs-Engine können die Verarbeitungslast der MCU reduzieren und es so ermöglichen, dass sie über weite Strecken in Niedrigverbrauchsmodi arbeiten, was die Gesamtleistungsaufnahme des Systems reduziert.

Drahtlose Sender, Empfänger und Sender-Empfänger finden in Messsystemen mehr und mehr Verbreitung. Hauptmerkmale sind unter anderem hohe Integrationsfähigkeit, sehr niedriger Strombedarf, Sofortstart aus dem Niederleistungszustand, hohe Empfängerempfindlichkeit (höher als -118 dBm) und hohe Sendeleistungen ohne externe Leistungsverstärker (bis zu 20 dBm). Fortschrittlichere Funktionen umfassen automatisches Packet- Handling, integrierten FIFO sowie variable Frequenz- und Modulationsverfahren.

Drahtlose Systeme, die die MCU mit einem HF-Empfänger kombinieren, sind auch für intelligente Messanwendungen verfügbar. Diese hochintegrierten Single-Chip-Systeme können helfen, die Material-und Systemkosten zu reduzieren und bieten gleichzeitig eine Strom sparende eingebettete Steuerung, die in der Lage ist, drahtlos zukommunizieren.

Bauelemente für den Aufbau von Highspeed-Zugängen wie Modems für die leitungsgebundene Datenkommunikation, Timing-Bausteine für die Netzwerksynchronisierung und digitale Isolationsprodukte auf CMOS-Basis für die Sicherheit und Konformität von Elektrizitätszählern gehören zu den weiteren Schlüsselelementen für die Messsysteme der nächsten Generation.

Weil immer mehr eingebettete Intelligenz in intelligente Messgeräte integriert wird, dürfen wir uns eine explosionsartige Entwicklung von neuen Anwendungen erwarten.