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Messtechnik
Bild 1: Das neueste Elektrizitätszähler-AFE von STMicroelectronics.
■ Die integrierte Echtzeituhr sowie die internen Oszillatoren und
die Kommunikations-Peripherie sorgen dafür, dass dieser Chip
wahlweise eigenständig eingesetzt oder mit anderen Bauelementen
wie IR-Ports, PLMs, MEMS-Bauelementen und so weiter
kombiniert werden kann.
Auch wenn für Zertifizierungs- und Kalibrierzwecke der LED-
Ausgang der wichtigste Ausgang eines Elektrizitätszählers ist, stellt
ein LCD einen integralen Bestandteil dar. Dem Display für den
Elektrizitätszähler wird deshalb große Aufmerksamkeit gewidmet.
Passende Anzeigetechnik wählen
Zunächst erachtete man ein direkt angesteuertes LCD-Segmentdisplay
als populärste und zugleich billigste Lösung. Befragungen
von Kunden weltweit ergaben jedoch, dass die Hälfte das Gegenteil,
nämlich das Chip-on-Glass-Konzept, bevorzugt.
■ Die Chip-on-Glass-Komponente enthält stets einen Spannungs-Booster,
der die Verwendung eines preisgünstigeren
LCDs erlaubt. Auf diese Weise kann der gesamte Temperaturbereich
mit guter Ablesbarkeit abgedeckt werden. Ein direkt
vom Mikrocontroller angesteuertes LCD wird stattdessen nur
mit VCC = 3,3 V betrieben.
■ Die Ansteuerung des Chip-on-Glass per SPI kommt durch die
Beschränkung auf drei Leitungen der elektromagnetischen Verträglichkeit
entgegen.
■ Werden für das LCD nur drei Leitungen benötigt, können viele
Pins für andere Zwecke genutzt werden. Dies erspart die Kosten
für einen GPIO-Expander oder zusätzliche Lösungen, um die
Funktionalität der belegten Mikrocontroller-Pins aufzuwiegen.
■ Das Leiterplatten-Layout gestaltet sich schneller und einfacher.
■ Wird ein Software-LCD-Treiber im Mikrocontroller ohne
LCD-Treiber verwendet, verringert sich beim Einsatz einer
Chip-on-Glass-Lösung die Arbeitsbelastung für den Mikrocontroller.
Der Softwarecode wird kürzer und einfacher.
Dank zahlreicher GPIO-Pins kann der softwaremäßige LCD-Treiber
direkt ein großes Segment-LCD ansteuern, falls diese Option
gewünscht wird. Das im Folgenden vorgestellte Elektrizitätszähler-
Referenzdesign ermöglicht den Anschluss eines LCD mit 4 x 14 bis
4 x 31 Segmenten oder die Verwendung eines per SPI angeschlossenen
Monochrom- oder Farbdisplays. Ist die Wahl auf einen Mikrocontroller
mit ADC gefallen und sind die Sensoren und das
Display ausgewählt, wird ein geeigneter Algorithmus zur Leistungsberechnung
implementiert. Die Berechnung kann im Zeit-
oder Frequenzbereich erfolgen. Beide haben ihre spezifischen Vor-
und Nachteile. Für die Berechnung im Zeitbereich sind das:
Bild 2: Angaben
zur Gleitkomma-
Performance.
■ Sehr leicht zu implementieren in Systemen, in denen sich die
Phasenverschiebung (zwischen U und I) einfach, durch Verschiebung
der Daten, kompensieren lässt, bevor die Daten an
den Rechenalgorithmus übergeben werden.
■ Die Rechenleistung des Mikrocontrollers wird wenig beansprucht,
werden nur Effektivwerte und Wirkleistung benötigt.
■ Werden hingegen weitere Daten wie der Leistungsfaktor, die
Blindleistung, der Klirrfaktor, der Gehalt an Oberschwingungen
höherer Ordnung und der Cosinus Phi benötigt, gestalten
sich die Berechnungen äußerst komplex.
Für die Berechnung im Frequenzbereich lauten die Vor- und
Nachtteile im Einzelnen:
■ Sämtliche Berechnungen erfolgen in einem Durchgang. Die
FFT-Operation liefert alle Informationen über das Signal.
■ Da eine Gleitkomma-FFT-Operation über 6 x 64 Punkte auf einem
Cortex-M4F-Core mit 72 MHz Taktfrequenz insgesamt
1 ms dauert (3 Spannungen und 3 Ströme), lässt sich sogar ein
Frequenz-Analyser einfach implementieren.
■ Zusätzliche Rechenleistung wird von den trigonometrischen
Funktionen (tan-1, sin und cos) beansprucht, die zur Berechnung
von Wirk- und Blindleistung, Leistungsfaktor, Klirrfaktor
und weitere benötigt werden. Reduzieren lässt sich der Rechenaufwand
durch Beschränkung auf die relevanten Oberschwingungen.
Den übrigen im Signal enthaltenen Oberschwingungen
wird geringeres Gewicht beigemessen.
Das für den STM32F373 angebotene E-Meter Evaluation Kit Steval-IPE022V1
ist ein weitreichend skalierbares Elektrizitätszähler-
System zur Energiemessung im dreiphasigen Netz mit einem Maximalstrom
von 100 A pro Phase. I REF ist mit 5 A sehr gering, da die
Ströme durch Stromwandler erfasst werden. Das Board verfügt
über die Genauigkeitsklasse B (EN 50470-3:2006) oder 1 (IEC
62053-21:2003).
Die Peripherie ist integriert oder extern anschließbar: MEMS,
PLM, ZigBee, Krypto, RFID, Opto-Head. Auf dem Board befindet
sich ein optisch isoliertes JTAG-Tool. Es kann somit per USB mit
Strom versorgt werden, sollte zwischendurch ein Debugging erforderlich
sein. Zur Verfügung stehen außerdem ein Segment- oder
Farb-SPI-Grafikdisplay, Joystick und Steckbrücken. Die modulare
Demonstrations-Software mit strukturierten Variablen ist für bestmögliche
Lesbarkeit optimiert. (ah) n
Der Autor: Ludek Holoubek ist Senior Application Engineer bei
STMicroelectronics in Aschheim-Dornach.
32 elektronik industrie 12/2012
www.elektronik-industrie.de
Bilder: STMicroelectronics
Bild 3: Ansicht des Evaluierungssystems STEVAL-IPE022V1.