NE_7_2011.pdf

СОДЕРЖАНИЕ

№7 (99), 2011 г.

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Информационно-технический

журнал

Smart Grid – локомотив развития приборостроения

Александр Сенин .......................................................................................................3

Учредитель – ООО «КОмпэл»

Одна фаза, один тариф, один микроконтроллер: MSP430AFE2xx

для систем учета энергии

(Texas Instruments) Алексей Пантелейчук ....................................................................5

Издается с 2005 г.

Системы-на-кристалле компании Maxim для счетчиков электроэнергии

и систем мониторинга

Роман Горелков .......................................................................................................10

Свидетельство о регистрации:

пИ № ФС77-43993

Оборви счетчику провода: беспроводные решения диапазона <1 ГГц

от Texas Instruments

Александр Калачев ..................................................................................................14

Редактор:

Геннадий Каневский

vesti@compel.ru

Выпускающий редактор:

Анна Заславская

Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments

А ндрей Самоделов ..................................................................................................22

Сюиты для счетчика и сети: PLC-решения от ON Semi и STMicro

Андрей Самоделов ..................................................................................................27

Редакционная коллегия:

Андрей Агеноров

Александр Гурин

Евгений Звонарев

Сергей Кривандин

Александр маргелов

Николай паничкин

Борис Рудяк

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

С бесперебойным питанием: применение батареек EEMB в счетчиках

расходуемых ресурсов

Андрей Конопельченко ...........................................................................................34

Дизайн, графика, верстка:

Елена Георгадзе

Евгений Торочков

Распространение:

Анна Заславская

Электронная подписка:

www.compeljournal.ru

Отпечатано:

«Гран при»

г. Рыбинск

уВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!

СЛЕДующИй НОМЕР НАшЕГО ЖуРНАЛА – юбИЛЕйНЫй, СОТЫй!

Тираж – 1500 экз.

Вас ждет сюрприз.

Ну а нам, в свою очередь, хотелось бы узнать, что вам нравится в нашем журнале, а что

хотелось бы изменить. С удовольствием выслушаем ваши пожелания, и с благодарно-

стью – поздравления.

Пишите на адрес электронной почты vesti@compel.ru

Подписано в печать:

16 августа 2011 г.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2011

ОТ РЕДАКТОРА

Уважаемые

читатели!

Есть такая игра – «ассоциа-

ции». Один из играющих назы-

вает слово, другой должен бы-

стро выкрикнуть пару к нему:

«поэт – пушкин! Фрукт – ябло-

ко! птица – воробей!»

Возможно, не всем из вас

пока знаком англоязычный тер-

мин Smart Grid, но мне кажется,

недалек тот день, когда при игре

в ассоциации его будут мгновен-

но выкрикивать в ответ на слово

«электросчетчик».

Smart Grid – это концепция

интеллектуальных электросе-

тей, которая предусматривает

не только контроль за распре-

делением электроэнергии между

потребителями, но и автомати-

ческую передачу данных о потре-

бленной энергии по тем же элек-

тросетям или по беспроводным

каналам связи. легко понять

преимущества такого подхода:

это и возможность применения

гибких тарифов, и предупре-

ждение пользователей о перерас-

ходе, и разнообразные средства

контроля самого пользователя за

расходом энергии, и многое дру-

гое. Сам термин Smart Grid, как

и многие англоязычные терми-

ны, кажется мне точным и легко

ложащимся на язык. Возможно,

скоро он станет частью русского

языка, как в свое время вошло

во все языки мира русское слово

«спутник».

Вокруг самой концепции

Smart Grid, появившейся как от-

вет на требования времени отно-

сительно экономии всех видов

энергии за счет повышения каче-

ства потребления, гораздо мень-

ше ажиотажа, чем, например,

вокруг светодиодного освеще-

ния. Но важность этого нововве-

дения – не меньшая, а, скорее,

большая. Ведушие мировые про-

изводители полупроводников в

последнее время активно вклю-

чают в ассортимент продукции

специализированные микрокон-

троллеры, системы-на-кристалле

и чипсеты, предназначенные для

систем Smart Grid. причем об-

ласти применения этих изделий

включают как промышленные

системы АСКУэ, так и сферу

ЖКХ.

Еще недавно, представляя чи-

тателям специализированный но-

мер, посвященный решениям для

счетчиков энергии, мы посвятили

бы большую часть статей наборам

микросхем для индивидуальных

счетчиков энергоресурсов. Сей-

час – другое дело: передача дан-

ных и организация сетей Smart

Grid заняла достойное место в

ряду представляемых компанией

КОмпэл решений. поэтому в

номере вы прочтете и о контрол-

лерах для беспроводной передачи

данных о потреблении энергии,

и о PLC-контроллерах, позволя-

ющих передавать эти данные по

существующим силовым сетям, и

об элементах питания для авто-

номных счетчиков энергии. Рас-

сматриваемые производители –

Texas Instruments, Maxim, ON

semi, STMicro, EEMB. А специ-

алисты КОмпэл всегда гото-

вы ответить на ваши вопросы об

организации сети Smart Grid и

предложить комплектацию прак-

тически для любого решения.

С уважением,

Геннадий Каневский

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2011

ОБЗОРЫ

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Александр Сенин (КОМПЭЛ)

Smart Grid — локомотив развития

приборостроения

С появлением приставки «Smart» энергосистеме предстоит по настоя-

щему «поумнеть». И это действительно революция, так как требует огром-

ной перестройки сложившейся инфраструктуры генерации, распределения

и потребления.

измерителя в интеллектуальных счетчи-

ках, устройствах мониторинга энерго-

потребления и контроля качества элек-

тропитания. Семейство фронт-эндов

MSP430AFE2xx достаточно универ-

сально и может использоваться не толь-

ко в счетчиках электроэнергии, но и в

расходомерах, счетчиках газа.

Заинтересованная в рынке приборов

учета компания Maxim в 2010 году при-

обрела Teridian Semiconductor с ее ли-

нейкой микросхем для электросчетчиков

и систем мониторинга энергопотребле-

ния . Новые ИС четвертого поколения

71M654x компании Maxim для примене-

ния в электросчетчиках являются систе-

мами на кристале (SoC), включающими

в себя как измерительную часть с ме-

трологическим вычислительным ядром,

так и ядро хост-контроллера, оснащен-

ного часами реального времени с неза-

висимым питанием и термокомпенсаци-

ей, драйвером ЖКИ-индикатора. Для

оцифровки измеряемого сигнала исполь-

зуется 22-битный сигма-дельта АЦП и

входной мультиплексор. Такое решение

позволяет упростить и ускорить процесс

калибровки счетчика. Дополнитель-

ной интересной особенностью является

фирменное решение с использованием

интерфейса шунта 71M6xxx. Исполь-

зуя эту ИС, можно снизить стоимость

и габариты счетчика за счет применения

шунтов вместо ТТИ в трехфазных счет-

чиках и в однофазных счетчиках с за-

щитой от хищения.

На данный момент не существует

стандартного решения для обмена ин-

формацией между счетчиками и систе-

мами учета. Существуют как традици-

онные схемы с УСПД, собирающими

информацию со счетчиков по прово-

дным интерфейсам, так и решения на

беспроводных интерфейсах, модемах

для электропроводки, решения на базе

GSM и т.д.

Для беспроводных интерфейсов

2,4 ГГц существует несколько протоко-

лов передачи, среди которых наиболее

удачным и динамично развивающимся

выглядит протокол ZigBee, претендую-

щий на индустриальный стандарт в об-

ласти SmartMetering (интеллектуальных

приборов учета). В протоколе стандар-

энергетики энергосети исполь-

зовались только в одном на-

правлении — от генерирующих

компаний к потребителям. Однако при

современном стремлении перейти к воз-

обновляемым источникам энергии, и

потребители могут становиться постав-

щиками энергии. Текущая потребность

рынка – организация информационных

потоков от конечных энергопотребляю-

щих устройств. Поэтому столь актуаль-

ным становится создание информаци-

онного пространства на всех уровнях

генерации, распределения и потребле-

ния (Smart Grid, т.е. «интеллектуаль-

ная сеть»).

С созданием инфраструктуры обме-

на информацией о произведенной, пе-

реданной и потребленной энергии в ре-

альном времени между поставщиками

и потребителями энергоресурсов стано-

вится возможным повышение эффектив-

ности всей энергосистемы, подключение

новых потребителей без введения новых

генерирующих мощностей. Это достига-

ется оптимизацией распределения, сни-

жения пиковых нагрузок, локализации

потерь и повышения надежности за счет

непрерывного контроля.

Для того, чтобы «поумнеть», энерго-

системе необходимо начать с самого низа

— с конечных потребителей. Уже сей-

час некоторые производители бытовой

техники встраивают в свою продукцию

средства мониторинга собственного энер-

гопотребления. В идеале каждая сти-

ральная машина, получая информацию

о текущих тарифах на электроэнергию и

воду, сможет сообщить хозяину, сколько

будет стоить конкретная стирка.

Для России это звучит пока довольно

футуристично, и одна из задач, которая

ставится 261-ФЗ «Об энергосбережении

и о повышении энергетической эффек-

тивности» куда как понятнее, но совсем

не проще — установка всем коммерче-

ским потребителям энергоресурсов ин-

дивидуальных приборов учета. Что соз-

дает огромный рынок, учитывая низкую

оснащенность ЖКХ общедомовым уче-

том, и столь же низкую оснащенность

индивидуальных потребителей прибора-

ми учета тепла, воды и газа.

К современным приборам учета

предъявляются требования, для реали-

зации которых требуется применение

новой элементной базы:

• высокая точность измерений;

• измерения не только количества

потребленной энергии, но и параметров

энергопотребления, качества энергос-

набжения;

• развитые средства обмена инфор-

мацией, поддержка индустриальных

стандартов и протоколов, масштабируе-

мость;

• невысокая стоимость конечно-

го изделия для внедрения на массовом

рынке.

Производители электронных компо-

нентов, удовлетворяя возникший спрос,

постоянно выпускают новинки для при-

менения в современных приборах учета.

В линейках продукции компаний Texas

Instruments, Maxim, ST, ON Semi при-

сутствуют все компоненты для создания

полностью законченных устройств.

В этом году в дополнение к ши-

роко известной линейке микросхем

MSP430FE4xxx и MSP430F4xxx, при-

меняемых в счетчиках электроэнер-

гии, компания Texas Instruments вы-

пустила новый аналоговый фронт-энд

MSP430AFE2xx, который сочета-

ет в себе 24-разрядное сигма-дельта

АЦП (до трех), вычислительное ядро

MSP430, низкое энергопотребление и

невысокую стоимость. На этой микро-

схеме можно построить как закончен-

ный бюджетный счетчик электроэнер-

гии, так и использовать ее в качестве

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2011

З а более чем вековую историю

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

ОБЗОРЫ

тизирован профиль SmartEnergy, кото-

рый описывает взаимодействия конеч-

ных устройств при обмене информации

об энергопотреблении. В ZigBee и в про-

филе SmartEnergy большое внимание

уделено защищенности сети, достовер-

ности передаваемых данных и легитим-

ности каждого узла участвовать в обме-

не данными по энергопотреблению.

Производители электронных компо-

нентов выпускают широкий диапазон

решений – от трансиверов, систем на

кристалле до законченных модулей с

радиотрактом.

С появлением открытого протокола

6LoWPAN привлекательными стали вы-

глядеть решения для беспроводного ин-

терфейса в субгигагерцовом диапазоне.

Применяя протокол 6LoWPAN можно

использовать IPv6 в каждом узле бес-

проводной сети. 6LoWPAN поддержи-

вает mesh-топологию, что позволяет

объединять устройства в большие, мас-

штабируемые сети с IP адресацией.

TI предлагает решения 6LoWPAN на

базе популярной микросхемы CC1101.

Причем возможно как одночиповое ре-

шение на базе CC430 (система на кри-

сталле на базе CC1101 и ядра MSP430),

так и с сетевым процессором (WNP –

wireless network processor) CC1180 с

прошитым стеком протокола.

Если беспроводные решения находят

применения для обмена данными вну-

три помещений, то для решения пробле-

мы «последней мили» (передача данных

от счетчиков или УСПД до точки консо-

лидации трафика) привлекательным вы-

глядит использования технологии PLC

( Power Line Carrier ) – передача данных

по существующей электропроводке. Для

применения в PLC-модулях производи-

тели предлагают как одночиповые ре-

шения (MAC+PHY), так и микросхемы

модемов: ST7538/40, ST7570/80/90 –

ST Microelectronics, MAX2990/2992 –

Maxim, TMS320F28069 – TI,

AMIS49587 – ON Semiconductor.

При проектировании общедомовых

узлов учета, а также при установке

электросчетчиков проблем с организа-

цией питания устройств в основном не

возникает. Обычно применяются либо

встроенные в приборы источники пита-

ния, либо монтируемые на DIN-рейку

модульные преобразователи. При уста-

новке же квартирных счетчиков и рас-

ходомеров зачастую нет возможности

подвести ни проводные линии связи, ни

стационарное питание. Единственным

выходом в данной ситуации является

автономное батарейное питание. Кроме

того, автономное питание обуславлива-

ется необходимостью исключить воз-

можность вмешательства в работу счет-

чика путем отключения питания.

Элементы питания EEMB отлично

зарекомендовали себя для применения

в приборах учета. Компания EEMB

предлагает широкий перечень элемен-

тов питания различных типоразмеров и

номинальных емкостей. При использо-

вании беспроводного канала передачи

информации со счетчиков также важ-

ным параметром является стандартный

разрядный ток. В линейке продуктов

EEMB присутствуют элементы пита-

ния с повышенным стандартным током

разряда.

Развиваясь на Западе в условиях

высокой конкуренции, рынок интеллек-

туальных приборов учета стимулирует

производителей постоянно выпускать

все новые и новые решения, ускоряет

принятие стандартов. Такие гиганты

IT-индустрии, как CISCO, HP, Oracle,

IBM, Microsoft, SAP всерьез намерены

бороться за свою долю на рынке систем

управления данными для энергосистем,

энергосбытовых компаний и биллинго-

вых операторов по учету энергопотре-

бления. Осталось создать современную

базу приборов учета, которая наполнит

эти системы данными.

Получение технической информации,

заказ образцов, поставка –

e-mail: analog.vesti@compel.ru

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2011

ОБЗОРЫ

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Алексей Пантелейчук (Texas Instruments)

Одна фаза, Один тариф,

Один микрОкОнтрОллер: MSP430AFE2xx

для систем учета энергии

Вам нужен простой однофазный однотарифный счетчик электроэ-

нергии и минимум затрат на его разработку и производство? Новый микро-

контроллер MSP430AFE2xx от Texas Instruments с минимальной обвяз-

кой поможет реализовать это желание. А в более сложных типах счетчиков

он возьмет на себя выполнение всех метрологических задач, работая в паре

с управляющим микроконтроллером на ARM-ядре (например, из семейства

Stellaris ).

леры MSP430FR57xx содержат FRAM-

память. CC430F5xx и CC430F6xx пред-

ставляют собой систему-на-кристалле,

состоящую из микроконтроллера и бес-

проводного приемопередатчика. В свою

очередь, микроконтроллеры второго

семейства, MSP430x2xx, являются ли-

дерами по низкому энергопотребле-

нию в спящем режиме. Это семейство

также имеет несколько ответвлений.

MSP430G2xx – это микроконтролле-

ры второго семейства, оптимизирован-

ные по цене, а MSP430AFE2xx (табли-

ца 1) – система на кристалле, состоящая

из 24-битного АЦП и ядра MSP430.

Являясь представителями второго

семейства MSP430, микроконтроллеры

MSP430AFE2xx (рисунок 2) наследуют

его отличительные особенности. Среди

этих особенностей самыми значимыми

являются низкое энергопотребление в

спящем режиме (0,1 мкА) и малое вре-

мя выхода из спящего режима (<1 мкс).

ровой области, мы имеем в

распоряжении колоссальные

возможности цифровой тех-

ники. Помимо того, что на сегодняш-

ний день методы цифровой обработки

сигналов позволяют эффективно ре-

шать задачи, которые доставляли много

трудностей инженерам-разработчикам в

прошлом, либо вообще не могли быть

решены с помощью аналоговых средств,

сигналами в цифровом виде легче опе-

рировать, передавать их, сохранять. Но

не стоит забывать, что нас окружает

«аналоговый мир», то есть большинство

измеряемых характеристик имеют ана-

логовую природу. Таким образом, точ-

ность результатов всей системы опре-

деляется точностью аналого-цифрового

преобразователя.

Существует класс устройств, к ко-

торым предъявляются, казалось бы,

противоречивые требования, такие как

высокая точность и функциональность,

малые габаритные размеры, низкое

энергопотребление и цена. Примерами

таких устройств являются высокоточ-

ные датчики (давления, температуры),

термостаты, счетчики электроэнергии

и мониторы потребляемой мощности,

устройства контроля качества электро-

энергии. В настоящее время перечис-

ленные устройства зачастую имеют пор-

тативное исполнение, поддерживают

множество коммуникационных интер-

фейсов, в том числе и беспроводных.

Поскольку рынок таких устройств рас-

тет и развивается, возникает необходи-

мость в подходящей элементной базе,

обеспечивающей выполнение «противо-

речивых требований». На сегодняшний

день существует множество АЦП с вы-

сокой точностью и микроконтроллеров

с высокой функциональностью. Но как

быть с требованиями к низкому энерго-

потреблению, малым габаритным раз-

мерам и, главное, низкой цене? В на-

стоящей статье речь пойдет об изделии,

которое превосходно решает поставлен-

ную задачу.

Микроконтроллеры MSP430 ком-

пании Texas Instruments давно заре-

комендовали себя как устройства с ре-

кордно низким энергопотреблением. На

сегодняшний день существует уже бо-

лее трехсот различных модификаций

этих микроконтроллеров, удивляющих

разнообразием внедренных техноло-

гий (рисунок 1). Пятое и шестое семей-

ство, MSP430x5xx и MSP430x6xx, име-

ют самое низкое соотношение мкА/

МГц в активном режиме среди всех

существующих на сегодняшний день

микроконтроллеров. Микроконтрол-

Рис. 1. семейство микроконтроллеров MSP430 компании Texas Instruments

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2011

О брабатывая сигналы в циф-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: