Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers

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1 Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers Boppard, Echtzeit 2010 Steffen Mauch Dirk Benyoucef 19. Nov DCSP-Lab

2 Gliederung 1 Kontext 2 Arbeit 3 Ergebnisse / Bewertung 4 Zusammenfassung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

3 Gliederung 1 Kontext 2 Arbeit 3 Ergebnisse / Bewertung 4 Zusammenfassung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

4 Smart Metering Forschungsvorhabens Ziel des Forschungsvorhabens Smart Metering: Disaggregation von Endverbraucher ist die Identifikation der Verbraucher durch Beobachtung des Energieverbrauchs am Energiezähler. Research Project SmartMetering Efficient Appliance Disaggregation Herd Kühlschrank Spülmaschine Küchenmaschine Stromzähler TV Stereoanlage DVD Lampe Computer Fön Rasenmäher Waschmaschine DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

5 Der intelligenter Stromzähler Messsystem Das System besteht aus den Komponenten Measuring Card, Data Acquisition Card und Visualization Box. Intelligenter Energiezähler 230V/400V Netz 4x A 3x V Measuring Card - Strommessung - Spannungsmessung - Schutzschaltung Data Acquisition Card - Differenzverstärker - AD-Wandler - FIFO (FPGA, DDR-SDRAM) - USB Interface Visualization Box DCSP Signalverarbeitung OMAP Display / Touch - Ethernet - SD-Card Verbraucher Motor, Föhn, Pumpe,... DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

6 Der intelligenter Stromzähler Messsystem Das System besteht aus den Komponenten Measuring Card, Data Acquisition Card und Visualization Box. Intelligenter Energiezähler 230V/400V Netz 4x A 3x V Measuring Card - Strommessung - Spannungsmessung - Schutzschaltung Data Acquisition Card - Differenzverstärker - AD-Wandler - FIFO (FPGA, DDR-SDRAM) - USB Interface Visualization Box DCSP Signalverarbeitung OMAP Display / Touch - Ethernet - SD-Card Verbraucher Motor, Föhn, Pumpe,... DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

7 Der intelligenter Stromzähler DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

8 Messprinzip Data Acquisition Card analog 8 A D ADS1278 TI SPI FPGA/ Speicher SPI / Bitbang FT2232H SPI / Bitbang Stiftleiste USB2.0 Technische Daten 8 parallele differentielle Eingangskanäle 24 Bit A/D-Wandler (ADS1278 von TI) max. Abtastfrequenz 125 khz Spartan 3E FPGA XC3S500E-4FG320C 64 MByte DDR-SDRAM USB-Schnittstelle mittels FT2232H DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

9 Problemstellung Ziele Sicherer Datentransfer von DAC PC möglichst in Echtzeit über USB oder Ethernet Datenvolumen bis 24 MBit/s kein Verlust von Daten A D SPI FPGA SPI FT2232H USB2.0 Konfiguration des AD-Wandlers per USB optional Ethernet Problem USB ist nur eingeschränkt echtzeitfähig! DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

10 Gliederung 1 Kontext 2 Arbeit DDR-Core Konzept MicroBlaze Konzept 3 Ergebnisse / Bewertung 4 Zusammenfassung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

11 DAC-Buffer Konzept 1. Konzept DDR-Core - SPI 2. Konzept DDR-Core - FIFO sync 3. Konzept MicroBlaze DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

12 SPI DDR-Core Konzept ADS1278 MISO MOSI SCK!DRDY SPI-Master MISO MOSI SCK SYNC DAC-Buffer SPI-Slave MISO MOSI SCK SS FT2232H-A MISO MOSI SCK SS USB2.0 FSM 64 MByte DDR-SDRAM DDR-SDRAM Interface DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

13 Dual Port Interface Problem Der Speichercontroller in VHDL ist nicht Dual Port fähig. Dual Port RAM 50 MHz DCM Data Out Data In!OVERFLOW!EMPTY FSM + FIFO DDR-SDRAM Core CLK Data Addr BUSY 64 MByte DDR-SDRAM Lösung Takt wird durch die DCM des FPGA verdoppelt. SPI-Master und -Slave können nun gleichzeitig zugreifen. DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

14 FIFO DDR-Core Konzept ADS1278 MISO MOSI SCK!DRDY SPI-Master MISO MOSI SCK SYNC DAC-Buffer 3 FIFO Sync Data[0:7]!BUSY CLK!WR FT2232H Data[0:7]!TXE CLKOUT!WR USB2.0 Block-Ram Distributed RAM DIP-Switch - 4x LED - 8x Buttons - 4x DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

15 Bewertung des DDR-Core Konzept Vorteile Einfache Realisierung Geringe Anforderungen an den FPGA Nachteile aufwendig bei Erweiterungen keine einfache Integration von Ethernet möglich DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

16 Was ist der MicroBlaze? Merkmale 32-bit RISC Microcontroller für FPGAs von Xilinx keine physischer µc sondern ein Softcore 3- bis 5-stufige Pipeline, interner Cache, PLB und OPB Bus,... umfangreiche IP Module Betriebssysteme: µclinux, Linux oder FreeRTOS DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

17 Vorteile von MicroBlaze Vorteile MPMC Anbindung durch PLB Bus OPB Bus für Peripherie z.b. Integration von Ethernet sehr leistungsstark und relativ leicht modifizierbar Nachteil größerer Overhead für Projektstart viele vordefinierte Schnittstellen (Spezifikationen) komplexe Struktur aufwendige Fehlersuche DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

18 MicroBlaze Konzept DAC-Buffer 2 ADS1278 MISO MOSI SCK!DRDY SPI-Master MISO MOSI SCK SYNC X C L MPMC SPI-Slave MISO MOSI SCK SS FT2232H-A MISO MOSI SCK SS USB MByte DDR-SDRAM JTAG M i c r o B l a z e UART Ethernet 100 MBit DIP-Switch - 4x LED - 8x Buttons - 4x DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

19 FSM DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

20 control FSM DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

21 Gliederung 1 Kontext 2 Arbeit 3 Ergebnisse / Bewertung Benchmark 4 Zusammenfassung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

22 Benchmark Software libftdi mit asynchroner Programmierung (SPI, FIFO-Modus) Qt4-Core für die Threads und Dateiverwaltung MySQL Datenbankanbindung Scope für graphische Visualisierung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

23 Benchmark - Datenrate Benchmark MByte pro Sekunde DDR-SDRAM FTDI SPI FTDI FIFO sync 0 DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

24 Benchmark - SPI DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

25 Gliederung 1 Kontext 2 Arbeit 3 Ergebnisse / Bewertung 4 Zusammenfassung DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

26 Zusammenfassung Ziel 1. kontinuierliche hochgenaue Datenerfassung 2. echt parallele Abtastung 3. Echtzeit Datenerfassung 4. Testen auf dem Xilinx Evalboard 5. Entwicklung eines kompakten DAC-Boards DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

27 Zusammenfassung Ziel 1. kontinuierliche hochgenaue Datenerfassung 2. echt parallele Abtastung 3. Echtzeit Datenerfassung 4. Testen auf dem Xilinx Evalboard 5. Entwicklung eines kompakten DAC-Boards DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

28 Zusammenfassung Ziel 1. kontinuierliche hochgenaue Datenerfassung 2. echt parallele Abtastung 3. Echtzeit Datenerfassung 4. Testen auf dem Xilinx Evalboard 5. Entwicklung eines kompakten DAC-Boards DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

29 Zusammenfassung Ziel 1. kontinuierliche hochgenaue Datenerfassung 2. echt parallele Abtastung 3. Echtzeit Datenerfassung 4. Testen auf dem Xilinx Evalboard 5. Entwicklung eines kompakten DAC-Boards DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

30 Zusammenfassung Ziel 1. kontinuierliche hochgenaue Datenerfassung 2. echt parallele Abtastung 3. Echtzeit Datenerfassung 4. Testen auf dem Xilinx Evalboard 5. Entwicklung eines kompakten DAC-Boards DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

31 Zusammenfassung Ausblick Einbindung des FIFO-Sync Modus an XCL-FSM Downsampling bzw. Datenverarbeitung im FPGA Ethernetstream per Linux (UDP, TCP/IP) A/D-Wandler wechseln für z.b. Logic Analyser Fehlerkorrigierender Code für Datenübertragung an Computer DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27

32 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. DCSP-Lab, Smart Metering: Entwicklung eines intelligenten Stromzählers, 19. Nov /27