프리스케일 반도체
기본 유틸리티 미터기의 요소
글: 서닐 딥 마헤쉬와리(Sunil Deep Maheshwari)
프리스케일 반도체 / www.freescale.com
USB, 이더넷 등과 같은 주변 장치는 스마트 미터기로 더 잘 알려진 차세대 미터링 SoC로 발빠르게 나아가고 있다. 오늘날 미터기는 단순히 측정, 보호가 아니라 스마트 터치 스크린 디스플레이를 통해 소비자와 상호 작용하며 현재 소비량을 신호로 알려주는 등의 더 많은 작업을 수행할 수 있다. 또한 가정·사무실의 모든 개별 장비를 모니터링해 어떤 장비가 얼마나 많은 에너지를 소비하고 있는지 알려줄 수 있다. 스마트 그리드도 전송, 오류 위치 등의 측면에서 미터링의 세계를 혁신시킬 것이고 분명히 더 똑똑해진 미터링 세계가 시작될 것이다.
개요
왜 그렇게 많은 ASIC 설계 회사들이 미터링 SoC와 솔루션에 대해 논의하기 시작했는지 그 이유에 대해 궁금해 한 적이 있는가? 왜 거의 모두가 미터링 SoC를 공급하려고 하고 있을까? 그리고 미터링이 수많은 화젯거리가 되고 있는 이유는 무엇일까? 대답은 바로 비즈니스를 이끄는 동력, 즉 수익에 있다. 그리고 전 세계 모든 회사들이 다음 두 가지 사실 때문에 비즈니스 측면에서 엄청난 기회를 감지하고 있다. 첫째, 미국 및 유럽의 유틸리티가 2015년까지 기존 유틸리티 미터기의 45% 이상 교체할 시기에 임박했다.
따라서 많은 회사들은 이 기회에 수익을 얻기 위해 SoC 솔루션을 앞다퉈 내놓고 있다. 본 고는 소비량 측정, 무단 변경 방지, 시간 기록, 미터기 판독 내용 표시 및 전송 등의 현재 기본 유틸리티 미터링의 기본 목적 및 적용 분야에 부응할 수 있는 기본 유틸리티 미터기를 만들기 위해서 어떤 아키텍처를 선택해야 하는지에 대한 가이드를 제공한다.
기본 유틸리티 미터기의 구성 요소
위에서 언급된 기능은 아래 (그림 2)에 표시된 기본적인 구성 요소를 사용해 얻을 수 있다.
i. 전류, 전압(에너지 미터기용) 또는 열(열 미터기용) 또는 아날로그 센서(유량, 가스 미터기) 출력을 측정하기 위한 아날로그 프런트 엔드, ii. 디지털/아날로그 센서(유량, 가스 미터기)의 출력을 사용해 작동하는 유량/가스 측정 장치. iii. 무단 변경 금지 및 감지 로직, iv. 시간 기록용 RTC(실시간 클록), v. ZigBee, RF 트랜시버 또는 다른 SoC와 같이 외부 세계와 통신하기 위한 통신 주변장치, vi 미터기 판독, 날짜-요일-시간과 같은 데이터를 표시하기 위한 디스플레이 드라이버, vii. 데이터를 처리해 소비량을 제공하고 다른 작업을 수행하는 코어 viii. 미터기 판독 내용 및 무단 변경 이벤트 시간 등과 같은 데이터를 저장하기 위한 메모리. 이제 각 블록을 하나씩 살펴보도록 하겠다.
아날로그 프런트 엔드 - 입력 감지 및 측정
에너지 미터기 용도로 소비량을 측정하기 위해 입력 전압, 세 가지 위상 모두의 전류 및 중성선의 전류를 측정해야 한다. 이러한 수치는 전류 변환기 및 센서를 사용해 쉽게 측정할 수 있다. 이러한 모든 요소는 PGA(프로그래머블 게인 증폭기, 옵션으로 SoC 외부에 상주), 필터 및 ADC(그림 3)로 구성되어 있는 아날로그 블록으로 공급된다. PGA에는 필터링 및 필요한 다중화 작업 수행 후에 ADC를 공급하는 전류 변환기 또는 센서의 원시 입력이 공급된다.
이 다중화 작업은 ADC의 일부일 수도 있고 아닐 수도 있다. 이러한 ADC는 위에 언급된 수치를 측정해 결과를 코어에 제공한다(그림 3). 전류 변환기 및 센서의 출력은 원하는 전환의 정확성에 필적하기 위해 ADC에서 요구하는 범위에 있지 않는 경우가 많다. 이러한 경우, PGA를 사용해 원하는 결과를 제공할 수 있도록 입력을 조정한다. 사용 시나리오와 SoC 비용에 따라 이러한 PGA는 더 많은 전력을 소비하고 많은 온칩 노이즈를 생성할 수도 있기 때문에 SoC 내부 또는 외부에 설치할 수 있다. 필터는 입력 신호에서 나오는 노이즈 요소를 걸러내기 위해 사용된다. 에너지 미터기 용도로 중앙 주파수 50~60Hz의 BP 필터가 원하는 결과 대역을 수용하기 위해 사용된다.
단상 에너지 미터기의 SoC에는 각각 전류와 전압용으로 두 개의 ADC가 탑재되어 있다. ADC의 수는 단상이 추가될 때마다 하나씩 증가한다.
이 경우(미터링)에 ADC를 선택하기가 특히 어렵다. 정확성, 전력 소비량 및 속도는 ADC 선택을 결정짓는 기본 요소이다. 가장 많이 선택하는 ADC는 SAR(연속 근사) 방식과 Sigma-Delta(SD) 방식의 ADC이다. 두 가지 방식 모두 나름대로 이점과 단점이 있다. 따라서, 어떤 방식을 선택하느냐는 적용 분야와 SoC 예산에 따라 크게 좌우된다. SAR ADC는 샘플링 앤 홀드(Sample & Hold) 기법을 사용해 특정 시간 상수에서의 입력을 캡처한 뒤 지속적으로 내부 DAC 출력과 비교해 캡처된 입력 값 근사치에 가깝게 수정한다. 그리고 각 전환 시에 DAC 출력의 해당 값이 디지털화되고 SAR 레지스터에 저장된다. SAR ADC는 해상도가 뛰어나고 초기 전환 지연 시간이 적으며 범위가 넓다. 또한 입력 채널 값의 변화에 매우 민감하며, 입력 채널의 대역폭이 아주 넓다. 단, 이러한 유형의 ADC는 이 반복적인 감산과 비교로 인해 선형성 오류가 발생한다.
SD ADC에서 입력 신호는 일정 기간 동안 오버 샘플링된 다음 원하는 신호 대역이 필터링되어 평균화 및 디지털화된다. SD ADC는 피드백 플래시 ADC의 유형이다. 플래시 ADC의 빠른 전환 속도를 사용화여 8비트 연산 동안 몇 나노초 정도 전환 속도가 느릴 수 있다. 플래시 ADC의 결과에는 엄청난 양의 오류가 있다. 그런 다음 이 출력은 피드백되어 입력에서 감산된다. 그 결과 노이즈가 쉐이핑되고 결과적으로 노이즈가 감소된다[4].
따라서 SD ADC의 노이즈 반응은 SAR ADC가 단일 지점에서만 샘플링하기 때문에 SAR보다 훨씬 뛰어납니다. 하지만, SAR의 입력 반응은 SD ADC의 반응보다 훨씬 좋다. 따라서 SAR은 반응 속도가 빠르고 지연 시간이 적으며 멀티 채널 데이터 획득이 요구되는 적용 분야에서 더 많이 사용된다.
단, 노이즈가 많은 환경에서 높은 정밀성과 고해상도가 요구된다면 SD ADC를 선택해야 한다[5]. 일반적으로 미터링 적용 분야에서 로우 엔드 솔루션에는 SAR ADC가 있는 반면 하이 엔드 SoC에는 SD ADC가 있어 보다 뛰어난 노이즈 방지 전환 결과를 제공한다.
코어 및 메모리 - 계산 및 소비량 저장
소비량과 관련된 집중적인 계산은 주로 코어에서 수행한다. 측정치에는 활성 전력, 무효 전력, 부하 계수 및 실제 전력 측정이 있다. 활성 전력은 전압 및 전류가 위상으로 있는 전력 구성 요소이다. 두 가지가 위상으로 있지 않은 경우 무효 전력으로 기인한다. 유도 또는 용량 부하는 각각 해당 전류를 지연시키고 전압을 이끈다. 무효 전력이 전력 전송에 기인하지 않고 순수하게 무효 부하가 총 에너지 유량이 0임에도 불구하고 이 무효 전력은 많은 열을 발생시키므로 향상된 품질의 변환기와 더 두꺼워진 배선을 갖출 필요성이 높아져 더 많은 전류를 전달하고 더 많은 열을 보유한다. 결과적으로 에너지 배분 비용이 높아진다.
따라서 에너지 공급업체는 실제 전력 소비량을 전력 계수로 나눠 무효 부하를 사용하는 사용자에게 벌금을 부과한다. 전력 계수(부하 계수)가 항상 하나 미만이기 때문에 이 나눗셈은 소비자의 전력 소비량 단위를 효과적으로 높인다. 이것이 바로 부하 계수가 계산되고 더 나아가 피상 전력을 계산하는 데 사용되는 이유이다. 피상 전력은 실제 전력을 부하 계수로 나눈 값이다. 그리고 실제 전력은 전류와 전압의 제곱근 값의 곱이다.
위의 논의를 통해 분명해진 것처럼 미터링 적용 분야에 있어 코어에는 전류 및 전압의 제곱근 값 계산, 그 값의 곱, 그리고 평균 등과 같이 수행할 처리가 많다.
따라서 미터링 적용 분야에서는 매우 짧은 기간에 수학 연산을 수행할 수 있는 DSP 코어를 선택한다. 또한 때때로 코어의 이 부하는 대부분의 계산을 수행할 수 있는 플랫폼에서 추가적인 MAC(Multiply-Accumulate) 블록을 통합해 부하가 해소될 수도 있으며 코어는 스마트 미터링에서 통신, 표시, 모니터링 등과 같은 나머지 연산을 자유롭게 수행할 수 있다. 또한 온칩 메모리의 크기도 가격에서 중요한 역할을 한다. 메모리 크기는 적용 분야에 따라 작게는 256바이트 RAM 및 8kB 플래시부터 26kB RAM 및 264kB 플래시에 이르기까지 다양하다. 보다 고급 적용 분야에서는 최대 2MB 플래시와 512kB RAM을 필요로 할 수 있다. [6]
유량/가스 측정 로직
이 블록은 프로그래머블 카운터, 비교기, 펄스 폭 변조기 등과 같은 모듈로 구성되어 있을 수 있다. 가스/액체의 유동량은 디지털 회전부 센서(디지털 출력 포함) 또는 아날로그 회전부 센서(아날로그 출력 포함)를 사용해 측정할 수 있다. 디지털 센서의 경우 센서의 펄스 트레인 출력은 블록에서 카운터 모듈을 공급해 카운터를 증가시킨다. 이 카운터의 계수는 소비자의 소비량에 상응한다. 카운터는 소비자의 소비량을 계산하기 위해 정기적으로 판독할 수 있다. 아날로그 센서의 경우 비교기는 이 블록에서 카운터 모듈을 공급할 일련의 펄스를 생성시키는 데 사용할 수 있다.
계기 판독 내용의 표시 및 전송
미터링 적용 분야에서 또 하나의 중요한 측면은 소비자에게 청구될 수 있도록 계기 판독 내용을 표시하고 전송하는 것이다. LCD 7-세그먼트 유리 디스플레이는 전류 계기 판독을 표시하는 데 가장 많이 이용되는 방법이다. 카운터의 현재 값이 표시되면 판독 내용을 보고 기록할 수 있다. 일부 SoC의 경우 LCD 드라이버가 SoC에 탑재되지 않고 외장 LCD 드라이버가 사용되기도 한다.
이러한 경우에 SoC는 데이터를 드라이버로 전송해야 한다. 이는 I2C, SPI, UART 등과 같은 SoC에 탑재되어 있는 통신 주변 장치를 통해 수행할 수 있다. 또한, 판독 내용을 ZigBee, IR 등을 통해 원격 LCD 드라이버 또는 데이터 로깅 서브 스테이션으로 무선 전송할 수도 있다. 이러한 경우에는 트랜스미터로 전송하기 전에 전송 데이터를 변조해야 한다(예: 적외선 통신). 데이터 변조는 원하는 변조를 생성할 수 있는 펄스 폭 변조기와 같은 주변 장치를 사용해 쉽게 수행할 수 있다. 해당 변조 반송파는 데이터를 반송체에 입력해 SoC 외부로 전송하는 SPI로 전송된다.
무단 변경 방지 및 시간 기록
도난 방지는 상업적인 손실로부터 공급업체/유통업체를 보호해주므로 미터링 적용 분야에 있어 매우 중요하다. 소비자는 판독 수치를 소비량보다 낮출 수 있도록 미터기를 느리게 하기 위해 미터기를 변경하려고 할 수 있다. 따라서 이러한 시도로부터 미터기를 보호하는 것이 매우 중요해지고 있다.
SoC에 변경 감지 기능을 추가하는 방법에는 몇 가지가 있는데 RTC(실시간 클록)와 함께 통합하는 것이 미터링 적용 분야에 있어 가장 효과적일 수 있다. 이 방법으로 해당 요일-날짜-시간뿐만 아니라 변경 감지를 한 가지 모듈만을 사용해 효과적으로 기록할 수 있다. 모든 변경 시도를 변경 이벤트의 시간 스탬프와 함께 내부 메모리에 기록할 수 있다. 또한 미터기도 특정 LED를 깜박거리게 하거나 LCD 디스플레이에 시간 스탬프와 함께 변경 이벤트를 표시해 동일한 내용을 표시할 수 있다.
RTC는 레지스터에 승인된 액세스만을 허용하는 메커니즘을 가지고 있어 변경 감지 또는 기타 기능을 비활성화하기 위해 RTC 레지스터를 해킹하려는 시도를 방지할 수도 있다. 또한 RTC는 주 전원 장애 시 배터리 모드로 실행될 수 있는 기능을 갖춰야 한다. 이러한 방식으로 미터기는 전원이 공급되지 않더라도 변경 감지 등과 같은 중요한 작업을 수행할 수 있게 된다. 하지만 정상적인 작동으로 오랫동안 배터리를 사용할 수 있도록 매우 낮은 전류 소비량으로 실행될 수 있는 설계 아키텍처를 갖춰야 할 필요성이 대두되고 있다. 미터기가 배터리로만 작동하는 유량/가스 미터기 적용 분야에서 특별한 중점 사항이다.
이러한 경우에 SoC의 예상되는 최소 배터리 수명은 10~15년이다. 따라서 SoC 설계할 때는 중지 모드에서 전력을 소비하는 모듈, 중지 모드에서 코어의 부팅 시간 및 중지 모드 복구에서의 전류 소비량과 같은 몇 가지 사항을 고려해야 한다. 또한 중지 모드 작동에서 전류 수치도 SoC의 중지 모드 소비량에 기인하므로 중요하다. 업계에서 일반적인 일반 중지 모드 전류는 약 0.5μA이며 일반적인 정상 작동 전류는 4.3mA 범위에 있다[7].
미래로 가는 길
지금까지 일반적인 저가 기본 유틸리티 미터기 아키텍처의 모습에 대한 이야기를 나누었다. 하지만 위에서 논의된 모든 기능과 모듈은 미터링 SoC를 향한 길의 끝이 아니라 미터링 측면에서 앞에 놓여진 것의 신호에 불과하다. USB, 이더넷 등과 같은 주변 장치는 스마트 미터기로 더 잘 알려진 차세대 미터링 SoC로 발빠르게 나아가고 있다. 오늘날 미터기는 단순히 측정, 보호가 아니라 스마트 터치 스크린 디스플레이를 통해 소비자와 상호 작용하며 현재 소비량을 신호로 알려주는 등의 더 많은 작업을 수행할 수 있다. 또한 가정/사무실의 모든 개별 장비를 모니터링해 어떤 장비가 얼마나 많은 에너지를 소비하고 있는지 알려줄 수 있다. 소비자는 이더넷을 사용해 지구상의 한 장소에 앉아 다른 장소의 장비를 작동시킬 수 있다.
즉 사용자는 사무실을 나서면서 에어컨을 켜면 집에 도착했을 때 안락하고 시원하게 쉴 수 있다. 또한 AMR(자동 계기 판독)도 기나긴 혁신의 길을 가고 있다. 이제 옵션은 선불제 미터기를 설치하고 IR/ZigBee 리시버를 사용하거나 이더넷 또는 GPRS를 사용해 판독을 하는 것이다. 또한 스마트 그리드도 전송, 오류 위치 등의 측면에서 미터링의 세계를 혁신시킬 것이다. 분명이 더 똑똑해진 미터링 세계가 시작될 것이다.
참조
- http://www.pikeresearch.com/research/smart-meters
- www.absenergyresearch.com
- MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet(www.freescale.com)
- Analog to Digital Convertors(http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to- digital_converter)
-"Choosing SAR vs High-Speed Sigma-Delta ADCs ? Bonnie Baker, EDN Article, http://www.edn.com/article/CA6313377.html
- http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?nodeId=02430Z6A10
- A Novel Automatic Utility Data Collection System using IEEE 802.15.4-Compliant
Wireless Mesh Networks by Jin Zhu and Recayi Pecen
- Metering Solutions from Freescale(www.freescale.com/metering)
- KNX Smart Metering Solutions.
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