Tento referenční design představuje výkonné řešení pro měření spotřeby elektrické energie v jednofázových dvouvodičových instalacích, převážně pak v domácnostech. Zajímavou vlastností tohoto řešení elektroměru je také jeho možnost připojení do ZigBee sítě díky integrovanému RF modulu 1322x-LPN. Elektroměr se tak může jednoduše stát součástí tzv. inteligentní sítě (Smart Grid Network). Charakteristickým rysem této koncepce je dálková obousměrná komunikace mezi centrálou (distributorem) a elektroměrem (odběratelem). Referenční design užívá MQXTM – jedná se o vlastní operační systém reálného času (RTOS) firmy Freescale. Díky tomuto řešení je firmware pro interní mikrokontrolér mimo jiné i snadno přenositelný na různé cílové platformy MCU a vývojáři těchto systémů tak mají snadnější práci s vývojem (programováním) aplikace.
Referenční design elektroměru, postavený na platformě mikrokontrolérů MK30X, je díky svému vestavěnému uživatelskému rozhraní člověk-stroj (HMI) a komunikačnímu rozhraní pro vzdálený sběr dat (AMR) velmi vhodný pro použití ve skutečných měřicích aplikacích, převážně tedy u koncových zákazníků kategorie maloodběr. Jelikož se jedná o referenční design, firma Freescale nabízí výrobcům resp. vývojářům těchto přístrojů řadu vlastních hardwarových a softwarovým zdrojů pro rychlejší a snadnější vývoj a tím i uvedení přístroje na trh.
Zjednodušený blokový diagram jednofázového elektroměru s mikrokontrolérem MK30X zobrazuje základní části tohoto přístroje, ke kterým patří:
- Měřicí panel (Metering board) – hlavní část celého přístroje, obsahující většinu elektronických komponentů pro měření a komunikaci
- 1322x-LPN – vestavěný modul pro RF/ZigBee komunikaci
- Spínaný napájecí zdroj (SMPS) - pro napájení měřicí části přístroje a komunikačního modulu
- Elektroměrová krabice s vestavěným silovým konektorem a snímacím (shunt) rezistorem
Hlavní přístrojová část (Metering board) obsahuje mikrokontrolér s vlastní integrovanou částí pro úpravu analogového signálu (AFE), analogovou část pro měření síťového napětí a proudu (dělič + bočník), displej + uživatelská tlačítka (HMI), pulzní LED výstup pro načítání energie a dále pak AMR komunikační rozhraní, obsahující jednak infračervený port dle IEC1107, opticky izolované rozhraní RS232 a RF/ZigBee komunikační modul. Pro detekci, resp. simulaci nelegálního zásahu do přístroje (tamper detection), je použit mikrospínač.
Jak již bylo zmíněno, srdcem celého přístroje je mikrokontrolér MK30X s jádrem ARM CortexTM-M4. Z blokového diagramu je vidět, že tento mikrokontrolér obsahuje řadu zajímavých periferií, využitelných v této aplikaci, např. zesilovač s nastavitelným ziskem (PGA), díky jehož použití v aplikacích pro měření proudu snímacím rezistorem s nízkou ohmickou hodnotou odpadá nutnost použití obvodu s externím operačním zesilovačem – toto řešení pak zjednodušuje celkové zapojení a samozřejmě i cenu přístroje. Zjednodušená funkce přístroje je pak následující: Mikrokontrolér, s podporou vlastního analogového rozhraní (PGA + ADC), čte periodicky hodnoty z proudového a napěťového senzoru a s využitím nasnímaných dat pak počítá ostatní hodnoty, jmenovitě tedy výkony (činný, jalový, zdánlivý), akumulovanou energii (činnou, jalovou), účiník a síťovou frekvenci. Pro výpočet těchto hodnot se používá algoritmus založený na principu rychlé Fourierovy transformace (FFT). Výpočet s použitím FFT přináší v porovnání s jinými algoritmy řadu výhod, např. možnost analýzy vyšších harmonických složek, možnost ignorace stejnosměrné složky (ve výpočtech), způsobené obvody na úpravu vstupního signálu, stejná přesnost resp. chyba měření jak pro činnou (reálnou) složku tak pro jalovou (imaginární) složku výsledku. Všechny měřené a vypočtené veličiny mohou být zobrazeny na vestavěném LCD, obsluha pak jenom vybere stiskem uživatelského tlačítka požadovanou veličinu a ta se následně trvale zobrazuje na tomto LCD. Mimo výše zmíněné měřené resp. vypočtené hodnoty je možné na LCD zobrazit i aktuální čas a datum. Další činností mikrokontroléru MK30X v této aplikaci je zajištění jeho komunikace s několika typy AMR komunikačních interface (viz. výše). Můžeme tak např. využít možnost jeho komunikace s PC po RS232 a s použitím vizualizačního programu FreeMASTER na tomto PC pak sledovat grafické průběhy různých veličin (v časové i frekvenční oblasti), případně i kalibrovat tento přístroj. Dále pak můžeme využít možnost komunikace po bezdrátové síti ZigBee s externím ZigBee koordinátorem připojeným přes USB rozhraní k PC a s využitím grafického monitorovacího nástroje ZeD (ZigBee Environment Demonstration) můžeme na tomto PC sledovat dálkové (bezdrátové) předávání měřených dat (spotřeby elektrické energie) mezi elektroměrem a PC (koordinátorem). Elektroměr může pracovat v elektrických sítích s jmenovitým napětím 120 / 230 V (50 / 60 Hz) a je proto vhodný pro použití v elektrických sítích celého světa. Jmenovitý měřicí proud je 5 A, maximální (špičkový) pak 120 A.
Všechny výše zmíněné hardwarové části přístroje (Metering board, SMPS, ZigBee modul, svorkovnice a shunt rezistor) jsou zapouzdřeny do plastové krabice s odnímatelným čelním průhledným víkem a odnímatelným prostorem pro svorkovnici. Pro lepší demonstraci vlastností tohoto přístroje je celek umístěn na základovou desku z plexiskla společně se síťovou napájecí šňůrou a síťovou zásuvkou pro připojení zátěže. Tento celek pak nazýváme „Power Meter Demo“. Vzhledem k elektrické pevnosti použité zásuvky a přívodní šňůry (max. 16 A) však nelze u tohoto dema využít celý proudový měřicí rozsah přístroje – v takovém případě je pak nutné odšroubovat kryt svorkovnice a propojit tuto svorkovnici s měřicí soustavou vodiči odpovídajícího průřezu.
Vlastnosti přístroje:
Závěr:
Tento referenční design byl navržen speciálně pro demonstraci vlastností mikrokontroléru MK30X v oblastech měření elektrické energie a v systémech pro automatický sběr a zpracování dat (AMR). Mikrokontrolér MK30X je velmi vhodný pro použití v těchto aplikacích díky mnoha zajímavým vlastnostem, ke kterým patří např. vestavěné analogové periferie (PGA, ADC, DAC), výkonné ARM jádro (do 1,25 DMIPS) s podporou 32bitových aritmetických operací, ultra nízký příkon, velká kapacita interních programových a datových pamětí, podpora různých typů HMI a komunikačních rozhraní, HW CRC generátor, 128bitový unikátní identifikační kód, memory protection unit, DMA kontrolér, watchdog, atd.
Kontakt na autora referenčního návrhu: ludek.slosarcik@ freescale.com (pozor, mezera za zavináčem)
Komentáře
Koľko to stoji?
Zaujímalo by ma koľko to stoji. Ak to má monitorovať domácnosť tak na to musí byť napojené každé zariadenie. Ak to bude drahé tak si kúpim jeden takýto merač. Z jedného meraného miesta veľké štatistiky nespravím a tiež spotrebu veľa neovplyvním.
Podporujem takéto pokusy, no zákonom donútiť spotrebiteľov aby si to kúpili nie je správne. Spotrebiteľ sa musí rozhodnúť sám a to je často na základe ceny prístroja. Ak tento prístroj bude drahý tak to nemá zmysel.
Potrebujeme: lacné, malé, a dostatočné presné.