יישום מטרולוגיה חוקית בצורה מיטבית

בכל צעד בחיי היומיום שלנו אנו מוקפים בהתקני מדידה רבים. כל מה שנחוץ הוא להביט סביב ולגלות אותם. הכוונה לכל מוני החשמל, הגז והמים, וכן תרמוסטטים בבתים, ובכלל, מחוץ לבית ישנם גם מדי זרימה, מערכות שקילה ומערכות רישום בתחנות הדלק ובמרכזי הקניות. התקני המדידה המיוצרים כיום אשר משמשים לחיובים כספיים, נשלטים באופן אלקטרוני על ידי מיקרובקרים.

הדיוק של נתוני החיוב הכספי ביישום אופייני של מונה מבוקר מיקרובקר תלוי, יותר מכל דבר אחר, בדיוק של הממיר מאנלוגי לספרתי (A/D), בתדירות הדגימה ובטווח דינמי רחב מספיק של חישובים מטרולוגיים. דיוק זה תלוי גם באמינות של התוכנה, ולכן יש להקדיש תשומת לב רבה מאוד להשפעה של התוכנה על ניהול החיוב הכספי וההעברה הכספית. המטרה של חברות העוסקות במוליכים למחצה תהיה לכן, לפתח מיקרובקר שלא זו בלבד שיוכל לעמוד בדרישות הטכניות הבסיסיות, מבחינת דיוק המדידה, ביצועי החישובים וצריכת ההספק, אלא הוא גם צריך לספק גמישות יתרה ואפשרות הפרדה בין מדידות הנופלות תחת הקטגוריה “מטרולוגיה חוקית” לבין החלקים האחרים של היישום.
לאחרונה, ®Freescale השיקה סדרה חדשה של מיקרובקרים השייכים למשפחת ה-®Kinetis המוכרת. סדרה זו מבוססת על ליבת ARM® Cortex®-M0+ ושמה Kinetis M. בנוסף להתקנים היקפיים אנלוגיים רבים בעלי רזולוציה גבוהה, קוצבי זמן (טיימרים) ספרתיים, ממשקי תקשורת ושעון זמן אמת (RTC) עם מקור מתח עצמאי ופיצוי טמפרטורה, מיקרובקרים אלו מצוידים בחומרה לצורך בקרת הגישה לזיכרונות, להתקנים ההיקפיים ולחיבורי הכניסה והיציאה (I/O ports) המשולבים על השבב.

מאפיינים
מתוך תרשים זה ניתן לראות שבנוסף לליבת 32bit ARM Cortex-M0+, המיקרובקרים מציעים ארבעה ממירים מאנלוגי לספרתי בטכנולוגית סיגמה-דלתה 24 סיביות עם מגברים מתוכנתים (PGA) מובנים ועם מהירות המרה של 100Ksps. תכנון הממיר, בשילוב עם עקרון הפעולה (מאפנן סיגמה דלתה מסדר שני), מאפשר ביצוע מדידה של אותות אנלוגיים דו-קוטביים, בטווח שבין מיקרו וולטים ספורים לבין 1 וולט, בכל הערוצים בו זמנית או עם השהיה המוגדרת באופן מדויק.
הבלוקים האנלוגיים האחרים שנכללים, הם שני מעגלי השוואה אנלוגיים מהירים (HSCMP) עם היסטרזיס של 5-30mV הניתן לתכנות, ממיר אנלוגי ספרתי מסוג SAR סיביות בעל 12 ערוצים ומקור ייחוס מתח מדויק של 1.2V עם מקדם טמפרטורה של 33ppm/ºC. מקור ייחוס מתח זה מתוכנן לשימוש רחב, ולא רק על ידי הבלוקים האנלוגיים שצוינו לעיל. מאחר שהוא מחובר למגבר פנימי חוצץ, אפשר להשתמש בו גם כמקור מתח ייחוס עבור מעגלים אחרים במעגל המודפס. ישנה גם אפשרות להשתמש במקור ייחוס מתח חיצוני של 1.2V עבור הבלוקים האנלוגיים של המיקרובקר.
המטרה של החברה הייתה לתכנן התקנים מתוכנתים מתאימים במיוחד ליישומי מדידה. משום כך, סדרת המיקרובקרים Kinetis M מורכבת לא רק מבלוקים סטנדרטיים ממשפחת ה-Kinetis, אלא גם מבלוקים אחרים שאופייניים לקווי מוצרים אחרים של החברה. למשל, מטריצת החיבורים הפנימיים של האותות הפנימיים, הכניסות והיציאות של ההתקן (XBAR) וקוצב הזמן בעל ארבעת הערוצים (Quad Timer) הם בלוקים שמשמשים באופן מסורתי בבקרי אותות ספרתיים (DSC). בלוקים אלו מאפשרים לאיש הפיתוח של היישומים לבצע חיבורים מתוחכמים יותר בין ההתקנים ההיקפיים הפנימיים, להגדיר את רצפי הזמן שבין הדגימות הנמדדות וכן לספק את האפשרות לניטור פעולתם של ההתקנים ההיקפיים הפנימיים. החיבור של התקנים היקפיים על השבב ופיני הכניסות והיציאות לבלוק XBAR מוצגים באיור 2.
בבלוקים אלו אפשר להשתמש, לדוגמה, לצורך עירור מדידות של מתח מופע (שלושה ערוצים של ממיר אנלוגי לספרתי מסוג SAR סיביות) מתוך מדידות זרם המופע (שלושה ממירים אנלוגי לספרתי מסוג SD סיביות) ביישום אופייני של מדידת אספקת חשמל במערכת תלת-פאזית. תחומי שימוש אחרים יכולים לכלול מדידה אוטונומית של משך הזמן (תדירות) של אות אנלוגי, גילוי מהירות התקשורת בחיבורי RS-485 ו-RS-232, תקשורת מאופננת IEC 1107 ו-38KHz באינפרה אדום, יצירת ממשק אל מאפנני סיגמה-דלתה אנלוגיים חיצוניים ויצירה של אותות דופק (פולסים) לכיול בעלי יציבות גבוהה.
יצירת אותות השעון הפנימי מורכבת על-ידי מספר מעגלים כמו חוג נעול תדירות (FLL), חוג נעול מופע (PLL), מתנד לתדירות נמוכה (OSC32K), מתנד לתדירות גבוהה (OSCMHZ) ומעגל של אות שעון פנימי לייחוס (IRC) של 32kHz ו-4/2MHz.
כדאי לציין גם בלוקים שתורמים לבטיחות היישום, לרבות קוצב זמן מסוג watchdog אשר מאפשר לעמוד בתקן הבטיחות של מכשירים לשימוש ביתי (IEC 60730), מאיץ בדיקת היתירות המחזורי (CRC), מחולל מספרים אקראיים (RNGA) וגילוי כניסה לא מורשית (Tamper).
משפחת המיקרובקרים Kinetis M מציעה שתי תצורות זיכרון ושלושה מארזים. מפתחים של יישומים יכולים לבחור ברכיבים בעלי זכרון הבזק (flash) של 64KB או של 128KB במארזי 44LGA, 64LQFP או 100LQFP. הנגזרות של ההתקנים במארזי 64LQFP ו-100LQFP כוללות בקר תצוגת LCD סטנדרטי שמטפל בעד 160 ו-288 מקטעים/סגמנטים בהתאמה. היצרן מעניק ערבות לפעולתם התקינה של כל החלקים בטווח הטמפרטורות שבין -40ºC לבין +85ºC ובטווח מתחי אספקה מ-1.71V ועד 3.6V.

הפרדה ברורה בתוכנה המטפלת בנושאים חוקיים
ארגונים בינלאומיים, כדוגמת הארגון הבינלאומי למטרולוגיה חוקית (OIML) ושיתוף הפעולה האירופי למטרולוגיה חוקית (WELMEC), מספקים קווי הנחיה המסייעים בכתיבת יישומים עבור מכשירי מדידה מבוקרי תוכנה, כלומר, כללים שמשמשים להפרדה בתוכנה של אותו חלק ביישום אשר משפיע על נתוני החיוב הכספי, מהחלקים האחרים של היישום. אם יצרן מפתח מכשיר מדידה על פי קווי הנחיה אלו ומספק עדות לתאימות לגופים שיש לדווח להם במהלך שלבי האישור והתיקוף הראשוניים, הוא יכול לשנות לאחר מכן את החלקים האחרים של היישום ללא אישור חוזר, ולזכות בגמישות ובחיסכון משמעותי בעלויות.
בחברה מודעים היטב לעובדה זו במהלך פיתוח התקנים, ולכן פועלים לפיה על ידי הוספת חומרה לבקרה של הגישה לכל הזיכרונות, ההתקנים ההיקפיים וחיבורי הכניסות והיציאות המשולבים (עיין באיור 3).
הפלטפורמה Kinetis M מורכבת מליבת ARM Cortex-M0+ ומבקר DMA. מודולים אלו, התקני שליטה באפיק, ניגשים למודולים האחרים, התקנים נשלטים באפיק, במצב User (משתמש) או במצב Privileged (בעל הרשאות). מודול נוסף, המכונה מודול בקרה שונות (MCM – Miscellaneous Control Module) מוסיף מאפיין גישה המציין מצב Secure (מאובטח) או Non-Secure (לא מאובטח) בהתבסס על הגדרה של מזהה תהליכים (PID – Process Identifier). התוצאה היא מודל עדיפות גישה בעל שלושה מצבים שנאכף בחומרה: Privileged (Secure) > User Secure > User Non-Secure. ביישום של מדידה כל המשימות המחוברות למדידה לפי “מטרולוגיה חוקית” מבוצעות במצב Privileged (בעל הרשאות), בעוד כל החלקים האחרים של היישום פועלים במצב User (משתמש).
פעולות גישה מיידיות שמתבצעות על ידי ליבת ARM Cortex-M0+ ועל ידי בקר DMA עוברות הערכה באמצעות מודולי יחידת הגנת זיכרון (MPU – Memory Protection Unit), גשר ההתקנים ההיקפיים (AIPS) ומודול הכניסות והיציאות הרב תכליתיות (GPIO), אשר, לפי אמות המידה המוגדרות של המשתמש, מאפשרים או שוללים את הגישה אל החומרה של השבב, כלומר, למקטעי הזיכרון, להתקנים ההיקפיים ולחיבורי הכניסות והיציאות.
אם המתכנן מאפשר בקרת גישה ובאותה העת מגדיר מאפייני גישה על פי הצרכים של היישום, פלטפורמת המיקרובקר תבטל באופן אוטונומי את כל פעולות הגישה שמקורן בחלקים אחרים של היישום שעלולות להשפיע על חלקי המדידה לפי “המטרולוגיה החוקית”.

כלי פיתוח
לפיתוח של יישומים חדשים, Freescale מציעה את ערכת הפיתוח TWR-KM34Z50M. ערכה זו תומכת בפיתוח מהיר וקל של יישומים באמצעות ממשק ניפוי השגיאות המשולב (SWD (OpenSDA עם חיבור ערוץ טורי וירטואלי מובנה. החיבור הטורי הווירטואלי, עם יישום מנהל ההתקן FreeMASTER ומחשב אישי, יכול לשמש לניטור כל המשתנים הסטטיים והגלובליים של היישום אשר פועלים במיקרובקר.
בנוסף למחברים המשמשים כממשקים למיקרובקר, המעגל המודפס בגודל:
80mm x 90mm מכיל גם את המעגלים הבאים: תצוגת LCD של 160 מקטעים, מד-תאוצה בשלושה צירים MMA8491Q, מחולל אותות סינוס בשבעה ערוצים ניתן לתכנות עם ממשק חיבור USB, חיישן טמפרטורה IRDA מסוג NTC ומספר נוריות LED ולחצנים. אפשר להשתמש בערכת הפיתוח בנפרד או עם כרטיסי כניסות ויציאות אחרים של המערכת המודולרית ™Tower (עיין באיור 4).
את המיקרובקר אפשר לתכנת בקלות באמצעות כלי פיתוח שתומכים בליבת ARM Cortex–M0+. לדוגמה, אפשר להשתמש בכלי הפיתוח IAR® Embedded Workbench. עבור יישומים העומדים במגבלת גודל קוד של עד 64KB אפשר להשתמש במהדורה המיוחדת (Special Edition) של סביבת הפיתוח המשולבת (IDE) למיקרובקרים ®CodeWarrior של ®Freescale. כלי “חינמי” זה מכיל מהדר (compiler) לשפת C, אסמבלי, linker וניפוי שגיאות שניתן לגשת אליהם מתוך סביבת הפיתוח המבוססת Eclipse (עיין באיור 5).
חלק שהוא אינטגרלי לא רק בגרסה המסחרית אלא גם בגרסה “החינמית” של כלי הפיתוח CodeWarrior, הוא התוכנה Processor® Expert. באמצעות כלי זה אפשר לתכנת יישום על ידי בחירה פשוטה בפרמטרים בצורה גרפית. כלי יצירת הדרייברים של התוכנה Processor Expert בודק בזמן אמת את הגדרות הפרמטרים ובסופו של דבר יוצר את קוד התוכנה בשפת C. כלי זה משמש לעתים קרובות מתכנתים מתחילים בתחילת עבודתם עם מיקרובקרים, וכן מתכנתים מנוסים. באמצעות כלי זה אפשר ליצור יישום פשוט ללא צורך בידע מעמיק של הארכיטקטורה והאוגרים (registers) של המיקרובקר הנתון. הקוד הנוצר אינו בזבני בגודלו ומאוד יעיל.
בחבילת ההתקנה Kinetis M bare-metal drivers and software examples (דוגמאות של מנהלי התקנים ותוכנה ל-Kinetis M ללא מערכת הפעלה), קיימות דוגמאות תוכנה רבות. מנהלי ההתקנים בתוכנה להתקנים ההיקפיים שעל השבב נכתבו תוך כדי התמקדות בביצוע מהיר של הקוד, ועם הדוגמאות יחד, הם קיימים בצורת קוד המקור. חבילת ההתקנה כוללת גם כלי עזר פשוט ליצירת פרויקט חדש.

מסקנות
סדרת המיקרובקרים Kinetis M של Freescale מבוססת על טכנולוגית התהליך (Thin Film Storage (TFS ב-90nm. היא מבוססת ליבת ARM Cortex-M0+ עם תדירות אות שעון של עד 50MHz. מודול יצירת אות השעון הפנימי מורכב ממעגלים של חוג נעול תדירות (FLL), חוג נעול מופע (PLL), מתנד לתדירות נמוכה (OSC32K), מתנד לתדירות גבוהה (OSCMHZ) ובלוק של אות שעון פנימי לייחוס (IRC) של 32kHz ו-4/2MHz. בנוסף להתקנים ההיקפיים הרבים לעיבוד אותות אנלוגיים, קוצבי זמן ספרתיים, בקר תצוגת LCD, ממשק תקשורת ושעון זמן אמת, ההתקנים מכילים גם קוצב זמן מסוג watchdog, מאיץ בדיקת יתירות מחזורי 16/32 סיביות, מחולל מספרים אקראיים ומעגל לגילוי כניסה לא מורשית. סדרת המיקרובקרים Kinetis M מציעה שתי תצורות זיכרון, 64KB ו-128KB, ושלושה סוגים של מארזים ,44LGA ,64LQFP ו-100LQFP.
ההתקנים ההיקפיים שעל השבב, אפשרויות המארז ומעל הכל התמיכה בחומרה להפרדת חלק היישום שמשפיע על נתוני “המטרולוגיה החוקית” מחלקי היישום האחרים, הופכים את המיקרובקרים האלה למתאימים במיוחד לציוד מדידה לחיובים כספיים.
החברה מציעה כיום כמה תכנונים לייחוס, אשר מדגימים את היכולות של ההתקנים הללו ביישומים של מדידת אספקת חשמל חד-פאזי, דו-פאזי ותלת-פאזי. באתר של החברה אפשר למצוא תכנונים לייחוס, תיעוד הייצור וקוד מקור של היישומים למדידת אספקת חשמל.