Un unico dispositivo per contatori intelligenti

In tutto il mondo, il mercato dei contatori elettrici allo stato solido, grazie ai numerosi fattori che ne guidano i cambiamenti sia di sistema che architetturali, è uno dei più dinamici del momento. Queste mutevoli condizioni del mercato, causate principalmente dalla domanda di energia intelligente e verde, così come dalla recessione globale attuale, rende il lavoro di progettazione dell'ormai onnipresente contatore elettrico allo stato solido, sempre più difficile. Queste necessità, quando combinate con la costante richiesta di nuove ed innovative caratteristiche per i nostri microcontrollori, aggiungono complessità allo sviluppo di ogni nuovo prodotto. I contatori elettrici odierni, devono essere progettati per essere sempre più accurati e consumare sempre meno energia, aggiungendo, nel contempo, sempre più caratteristiche, inclusa la capacità, non solo di misurare la potenza, ma anche di memorizzarla e di comunicare verso l'esterno attraverso media differenti, con e senza fili. Inoltre, ogni soluzione, deve essere abbastanza flessibile da permettere ai progettisti di reagire velocemente al cambiamento delle condizioni di mercato. Queste necessità portano automaticamente a chiedere caratteristiche sempre più complesse, già residenti nel microcontrollore principale che può essere trovato nel cuore di ogni contatore elettrico allo stato solido. Oggi, affinché sia adatto allo scopo, un microcontrollore deve includere sempre più memoria integrata, una capacità di calcolo più elevata, un numero di periferiche complesse sempre maggiore, tutto combinato ad un consumo estremamente basso di corrente; una condizione piuttosto difficile da ottenere. Il nuovo microcontrollore a 32-bit RX21A di Renesas, è stato progettato come soluzione “single-chip” per lo sviluppo di un contatore elettrico allo stato solido odierno, ma tenendo conto delle caratteristiche e delle prestazioni necessarie per gli sviluppi futuri. Renesas, in qualità di società di semiconduttori, ha guardato alle molteplici e contrapposte richieste alla base dello sviluppo della prossima generazione di microcontrollori che saranno il cuore dei contatori elettrici del futuro, chiedendosi in che modo fornire la miglior soluzione a tali necessità. I microcontrollori della serie RX21A, mostrati in Fig. 1, sono stati sviluppati intorno all'ormai consolidato core a 32 bit RX, il quale include funzionalità Dsp con registro moltiplicatore-accumulatore a 48 bit, in grado di funzionare fino a 50 MHz di frequenza, mantenendo, nel contempo, caratteristiche di basso consumo. Sviluppati utilizzando un processo tecnologico a basso consumo con larghezza di canale di 130 µm, i microcontrollori della serie RX21A, offrono decisamente più funzionalità addizionali rispetto a soluzioni già esistenti, ad un prezzo significativamente inferiore. Tali funzionalità includono una quantità di memoria molto superiore, che si traduce in una Flash integrata fino a 512 KBytes, ed una quantità di Sram fino a 64 KBytes, rendendo possibile l'integrazione di software sempre più complesso, inevitabilmente necessario per gli sviluppi futuri. L'utilizzo della tecnologia Flash proprietaria di Renesas, F-Monos, a singolo ciclo, rende possibile l'accesso senza inserzione di cicli di attesa, fino a 50 MHz, mantenendo la capacità di supportare dinamicamente la riprogrammazione dell'applicazione o dei dati di configurazione. Sono inclusi, inoltre, 8 KBytes di E2Data Flash con funzionalità operativa in background, che ne permette la riprogrammazione mentre il codice viene eseguito dalla memoria flash integrata. La ricchezza di funzionalità analogiche all'interno dell'RX21A, è uno dei vantaggi principali di questi dispositivi, dove un potente convertitore analogico-digitale, del quale parleremo più avanti, con 7 moduli indipendenti a 24-bit, viene supportato da un ulteriore convertitore analogico-digitale da 7 canali a 10-bit e da un convertitore digitale-analogico da 2 canali a 10-bit. Inoltre sono presenti un enorme numero di periferiche addizionali, tra le tante, fino a 9 interfacce seriali, un numero elevato di contatori, incluso un potente Real Time Clock Calendar, più un numero elevato di caratteristiche atte a rafforzare la sicurezza e l'affidabilità dell'intero sistema. Il diagramma a blocchi dell'RX21A viene mostrato in Fig. 2.

Un sistema di misura flessibile
La funzione base di un contatore di potenza, è quella di misurare accuratamente tensione e corrente, quindi calcolare la potenza in tempo reale. Durante il processo di sviluppo dell'RX21A e basandosi sui suggerimenti derivati dai precedenti prodotti Renesas per misuratori di potenza, è divenuta chiaro molto velocemente la necessità di rendere il sistema di misura il più flessibile possibile. Molte delle soluzioni odierne per la misura della potenza elettrica, fanno affidamento o su di un motore Dsp integrato in hardware, o su qualcosa di simile atto a raggiungere lo stesso risultato, con il limite intrinseco di rendere molto più difficile adattarsi alle nuove richieste, quali, ad esempio, quella di misurare fattori aggiuntivi come la qualità della potenza che si misura.
Un criterio chiave, seguito durante lo sviluppo di questi dispositivi, è stato quello di permettere di ottenere la misura della potenza elettrica nel modo più semplice possibile mantenendo, nel contempo, il risultato finale il più flessibile possibile, in modo da permettere all'utente di farne l'uso desiderato. Per raggiungere questo risultato, è stata sviluppata una combinazione intelligente di caratteristiche hardware, atte all'automatizzazione dei processi di base dell'acquisizione dei dati e della loro presentazione all'interno della Ram ingrata. Il convertitore analogico-digitale a 24 bit, è stato appositamente sviluppato per applicazioni di misurazione di potenza elettrica, ed è in grado di supportare un'ampia varietà di metodologie di misura, incluse quelle che utilizzano shunt, trasformatori ed anche sensori a bobine di Rogowski. Il convertitore analogico a 24 bit utilizza una tecnologia di conversione sigma-delta di secondo ordine, con amplificatori di guadagno integrati. Quattro, degli otto canali, utilizzano ingressi differenziali, con guadagno fino ad un fattore 64. I rimanenti 3, sono degli ingressi “single-end”, con guadagno fino ad un fattore 4. Il modulo Adc, include inoltre un circuito di riferimento Bgr (Band gap reference) in grado di operare con una accuratezza superiore ai 30 Ppm/°C, con l'ulteriore opzione di fornire la tensione di riferimento verso circuiti esterni al microcontrollore. I microcontrollori della serie RX21A sono disponibili in due versioni; versione standard oppure “G”, una versione potenziata che include fattori di calibrazione software, memorizzati all'interno del microcontrollore durante il processo produttivo, permettendo la realizzazione di contatori elettrici, con un'accuratezza superiore alla Classe 0.2. Sono poi disponibili tre versioni differenti di RX21A, che supportano la realizzazione di contatori a singola fase, con tre o quattro moduli Adc a 24-bit e una versione per contatori trifase con sette moduli Adc indipendenti. I sette convertitori indipendenti danno completa flessibilità durante lo sviluppo e massimizzano la frequenza di campionamento su ogni canale. Il tempo di campionamento di ogni canale può essere controllato, in modo indipendente per ognuno, tramite uno dei timer a 16 bit integrati, sia in modalità libera che in sincronismo con lo zero-cross dell'alimentazione di rete. Questa funzionalità è raffigurata in Fig. 4. Questa tecnica, permette di rimuovere in hardware la differenza di fase causata delle varie tecnologie di misura, e può essere, se necessario, programmabile secondo il tipo di sensore utilizzato. Ognuno dei sette canali può essere controllato sia in modo sincronizzato che individualmente, dando massima flessibilità allo sviluppatore e minimizzando la necessità di software aggiuntivo. Il sistema di conversione analogico-digitale dell'RX21A è anche in grado di automatizzare il processo di memorizzazione dei dati dai registri della periferica all'interno della Ram, grazie ad un Dtc (Data transfer controller) integrato, il quale, come un semplice Dma, può essere programmato per trasferire dati tra il convertitore analogico-digitale (o da qualunque altra periferica) e la Sram, senza intervento da parte della Cpu. Il Data Transfer Controller, può facilmente automatizzare questo processo, permettendo il riempimento di buffer di memoria contenenti i dati, per il mezzo ciclo o per quello intero della tensione di rete, i quali, una volta raccolti, possono essere passati tutti insieme alla Cpu per essere processati. Il Dtc è inoltre molto più veloce nel trasferire i dati rispetto a un sistema tradizionale; un esempio è mostrato in Fig. 5, dove si può notare che il trasferimento di quattro valori a 32 bit, provenienti dal convertitore analogico-digitale a 24 bit, è almeno quattro volte più veloce se effettuato tramite l'utilizzo del Dtc. Con questo sistema la Cpu rimane libera di eseguire altro, mentre vengono accumulati i dati necessari alla misura. Una volta che i dati per un ciclo completo o per mezzo ciclo, sono tutti disponibili in Ram, la Cpu può essere interrotta dall'esecuzione delle altre task per effettuare i calcoli necessari. Anche questo viene reso facile grazie alle funzioni di moltiplicazione e Dsp integrate nella Cpu, le quali permettono un estrema rapidità nell'effettuazione del calcolo della potenza attiva e reattiva, come di altri calcoli necessari allo scopo. La maggiore flessibilità di questo sistema, sta nel fatto che i dati di base sono sempre disponibili al software, in modo che eventuali successive versioni possono aggiungere, se richieste, nuove funzionalità e caratteristiche, senza uno stravolgimento radicale dell'architettura del sistema. Se necessario, un modulo Adc aggiuntivo a 10 bit presente nel dispositivo e controllabile dai moduli timer integrati, può essere usato per scopi differenti.

Periferiche con caratteristiche potenziate
Molte delle altre periferiche integrate nel dispositivo, sono state pensate tenendo conto esattamente delle necessità che si possono riscontrare durante lo sviluppo di un contatore elettrico. Ad esempio, al giorno d'oggi, molti dispositivi richiedono la possibilità di operare in modalità di basso consumo, pur mantenendo attive alcune funzionalità, come la visualizzazione dei dati su un display. L'RX21A è stato sviluppato per lavorare insieme ad un driver Lcd esterno, ed è stato dotato di molteplici interfacce I2C e Spi, per rendere tale interfacciamento il più facile possibile. Il dispositivo è inoltre in grado di funzionare in varie modalità di basso consumo, sia attraverso un oscillatore esterno a 32 KHz, che attraverso l'oscillatore integrato a 125 KHz; in più supporta la modalità di Deep Stand-by, consumando appena 1 µA mantenendo attivi Rtc e altre semplici periferiche. Un'altra periferica dalle caratteristiche potenziate, è il Real Time Clock, il quale è stato sviluppato per essere facilmente utilizzato nell'ambito dello sviluppo di un contatore elettrico. Include una facile calibrazione in produzione con uscite programmabili e una funzionalità di calibrazione integrata per l'aggiustamento del clock a 32 KHz, oltre, naturalmente, al supporto degli anni bisestili. In più, il sensore di temperatura integrato, può essere usato per una calibrazione più precisa rispetto alla deviazione in temperatura del clock esterno a 32KHz. La periferica Rtc, può essere programmata in modalità di conteggio binario, funzionalità estremamente utile per supportare tutte le sue funzionalità quando non si utilizza il calendario Gregoriano. Il supporto di allarmi programmabili, permette il risveglio del dispositivo in un preciso momento nel futuro oppure ad intervalli di tempo regolari. Infine, è possibile attivare un sistema anti-manomissione, dove il momento esatto del cambio di stato di un pin esterno, può essere memorizzato all'interno della periferica in modo da registrare un evento esterno, quale l'apertura del contenitore del contatore. La comunicazione dei dati del contatore elettrico verso l'esterno, è diventata una caratteristica sempre più importante per questo tipo di apparecchiature. Queste possono essere necessarie per scopi differenti, quali la lettura automatica, la calibrazione da remoto, l'aggiornamento del software o addirittura per esser utilizzato come gateway domestico. I microcontrollori RX21A dispongono fino a nove interfacce seriali, cinque delle quali in grado di supportare molteplici funzionalità sincrone o asincrone, quali Usart ad alta velocità, I2C e Spi, due con funzionalità I2C Multi-master e due con funzionalità Spi ad alta velocità. Un modulo IrDA è inoltre disponibile per una interfaccia ad infrarossi. Questa enorme quantità di moduli seriali, permette una completa integrazione di tutte le funzionalità di un contatore elettrico, in un unico dispositivo.

Il ruolo dell’affidabilità
Anche l'affidabilità del sistema è importante, e con questo in mente, l'RX21A è stato dotato di una serie di caratteristiche per migliorare questo aspetto. Tra le tante, ricordiamo i due oscillatori interni, un sistema Low Voltage Detection con funzionalità di “brown-out”, un circuito di “Power-On-Reset”, un circuito anti-manomissione ed un Watchdog timer con oscillatore interno dedicato. La memoria interna può essere controllata grazie al supporto di funzionalità integrate e di una periferica per il calcolo del Crc. Estremamente importante anche l'integrazione di una Memory Protection Unit, che da all'utente la possibilità di controllare l'accesso della Cpu a differenti porzioni di memoria, dando di fatto la possibilità di partizionare l'applicazione in parti sicure e non sicure, le quali non possono interferire tra di loro senza generare una eccezione. Questa è la soluzione a molte difficoltà nello sviluppo di un contatore elettrico date dalle legislazioni correnti in materia di sicurezza. Renesas ha sviluppato una piattaforma di riferimento per contatori elettrici, allo scopo di facilitare la valutazione delle prestazioni dei microcontrollori della serie RX21A. La piattaforma di riferimento mostra come RX21A può essere usato per realizzare un contatore elettrico trifase, con il supporto della calibrazione a singolo punto e raggiungendo un’accuratezza superiore alla Classe 0.2S attiva. Il software a corredo, include le routine per la misura di tensione, corrente, sia attiva che reattiva, e della potenza armonica per ogni singola fase. Sono inclusi inoltre gli algoritmi di compensazione in temperatura per gli amplificatori di guadagno integrati, per il riferimento di tensione interno e per il Real Time Clock integrato. La piattaforma di sviluppo supporta intervalli di corrente che vanno da 100 mA a 100 A, con corrente di partenza di 10 mA, con un’accuratezza conforme sia alla direttiva Iec 62053-22, fino alla classe 0.2s attiva, che alla Iec 62053-23, classe 2 reattiva.

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