71M6511/71M6511H Demo Board：電子工程師的實(shí)用指南

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于新型芯片和開發(fā)板的研究與應(yīng)用是不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。71M6511/71M6511H Demo Board作為一款用于單相電子能量計(jì)量應(yīng)用的演示板，為工程師們提供了一個(gè)評(píng)估71M6511/6511H芯片性能的理想平臺(tái)。今天，我們就來(lái)深入探討這款演示板的使用、校準(zhǔn)以及硬件設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)。

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一、入門指南

1.1 演示板概述

TERIDIAN Semiconductor Corporation的71M6511 Demo Board集成了71M6511或71M6511H集成電路，以及串行EEPROM、仿真器端口和板載電源等外設(shè)電路。同時(shí)，它還配備了一個(gè)調(diào)試板，可通過(guò)RS232端口連接到PC，方便我們對(duì)71M6511能量計(jì)芯片的測(cè)量精度和整體系統(tǒng)使用進(jìn)行評(píng)估。板上的FLASH內(nèi)存預(yù)編程了Demo Program（6511_demo.hex），該嵌入式應(yīng)用程序可直接管理外設(shè)、閃存編程和CPU等底層功能。

1.2 安全與ESD注意事項(xiàng)

在操作演示板時(shí)，安全是首要考慮的因素。連接帶電電壓到演示板系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致板上出現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)電壓，因此在操作前，務(wù)必移除JP2和JP3上的跳線（如果安裝了的話），并且建議使用調(diào)試板自帶的電源。此外，演示系統(tǒng)對(duì)ESD敏感，在處理演示板時(shí)要采取ESD預(yù)防措施，連接帶電電壓后操作演示板時(shí)更要格外小心。

1.3 演示套件內(nèi)容

演示套件包含71M6511演示板（有4層圓形和2層矩形兩種版本，2層版本又分為電容式和變壓器式電源供應(yīng)）、調(diào)試板、兩個(gè)5VDC/1000mA通用壁式變壓器、一根2m長(zhǎng)的DB9串口線以及一張包含文檔、演示代碼和實(shí)用工具的CD-ROM。

1.4 演示板版本

演示板有三種版本：4層圓形PCB的演示板（編號(hào)D6511T4B2），用于展示4層設(shè)計(jì)；2層矩形PCB且采用電容式電源供應(yīng)的演示板（編號(hào)D6511T4A7）；2層矩形PCB且采用變壓器式電源供應(yīng)的演示板（編號(hào)D6511BT4A4），后兩種用于展示經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的2層設(shè)計(jì)。

1.5 兼容性

本手冊(cè)適用于71M6511或71M6511H芯片版本B03、演示套件固件版本3.04及3.05或更高版本，以及4層演示板版本D6511T4B和2層演示板D6511BT4A4或D6511T4A7。

1.6 建議設(shè)備和測(cè)試工具

為了進(jìn)行功能演示，需要配備帶有RS232端口（COM端口）的PC，操作系統(tǒng)為MS-Windows XP或2000。對(duì)于軟件開發(fā)（MPU代碼），建議使用Signum ICE（In Circuit Emulator）ADM - 51和Keil 8051 “C” Compiler kit CA51。在進(jìn)行校準(zhǔn)和精度測(cè)試時(shí)，則需要使用校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1.7 演示板測(cè)試設(shè)置

1.7.1 電源供應(yīng)設(shè)置

演示板的電源供應(yīng)有多種選擇，包括內(nèi)部電源（使用交流線路電壓，但僅適用于線路電壓超過(guò)220V RMS的情況）、演示板上的外部5VDC連接器（J1）和調(diào)試板上的外部5VDC連接器（J1）。三個(gè)電源供應(yīng)跳線JP1、JP2和JP3（JP2/JP3僅在D6511T4B2演示板上提供）的設(shè)置必須與電源供應(yīng)選擇一致。通常，JP1應(yīng)保持連接，而JP2和JP3應(yīng)保持?jǐn)嚅_。

1.7.2 串口連接電纜

對(duì)于DB9串口與PC的連接，可以使用直連電纜或所謂的“零調(diào)制解調(diào)器”電纜。使用直連電纜時(shí)，調(diào)試板上的JP1和JP2應(yīng)插入，JP3/JP4為空；使用零調(diào)制解調(diào)器電纜時(shí)，跳線配置則相反。

1.7.3 檢查操作

上電幾秒鐘后，演示板上的LCD顯示屏應(yīng)短暫顯示“HELLO”，之后顯示“3.0. 0 0 1”，最左邊段的小數(shù)點(diǎn)會(huì)閃爍，表明71M6511內(nèi)部的MPU正在工作。

1.7.4 串口連接設(shè)置

將DB9串口連接到PC后，啟動(dòng)HyperTerminal應(yīng)用程序，并使用以下參數(shù)創(chuàng)建會(huì)話：波特率9600、數(shù)據(jù)位8、無(wú)校驗(yàn)位、停止位1、流控制XON/XOFF。連接參數(shù)可通過(guò)選擇“File” -> “Properties”，然后點(diǎn)擊“Configure”按鈕進(jìn)行配置。此外，CD-ROM上還提供了一個(gè)HyperTerminal的設(shè)置文件“Demo Board Connection.ht”，可通過(guò)“File” -> “Open”加載。

1.8 使用演示板

1.8.1 串口命令語(yǔ)言

演示板的Demo Code提供了一個(gè)方便的方式來(lái)檢查和修改關(guān)鍵電表參數(shù)。通過(guò)串口連接到演示板后，輸入“?”可查看命令列表。不同的命令可用于控制計(jì)算引擎、EEPROM、SFR等，還能進(jìn)行校準(zhǔn)、顯示信息、控制電表顯示等操作。例如，“?C”可獲取計(jì)算引擎控制和校準(zhǔn)的幫助信息。

1.8.2 用于能量測(cè)量

71M6511/71M6511H演示板可用于電流互感器（CT）、電流分流器或兩者的組合。演示代碼支持這兩種操作模式，演示板通常以CT配置發(fā)貨。

1.8.3 CT模式使用

演示板可立即與匝數(shù)比為2000:1的電流互感器配合使用，并且編程的Kh因子為1.0。施加電壓并有負(fù)載電流流動(dòng)時(shí)，紅色LED D5（由引腳DIO6控制）每收集1.0Wh的能量總和就會(huì)閃爍一次，LCD顯示屏設(shè)置為顯示模式3（通過(guò)串口接口輸入命令>M3）時(shí)將顯示累計(jì)的導(dǎo)入能量。同樣，紅色LED D6（由引腳DIO7控制）每收集1.0VARh的無(wú)功能量總和就會(huì)閃爍一次，LCD顯示屏設(shè)置為顯示模式5（通過(guò)串口接口輸入命令>M5）時(shí)將顯示累計(jì)的無(wú)功能量。

1.8.4 調(diào)整演示板以適應(yīng)不同的電流互感器

演示板默認(rèn)適用于2000:1的電流互感器。如果使用不同匝數(shù)比的互感器，需要根據(jù)公式(V_{in }=R^{} I=R^{} I M A X / N)計(jì)算新的電阻值，并相應(yīng)地調(diào)整WRATE以實(shí)現(xiàn)所需的Kh因子。

1.8.5 調(diào)整演示板的Kh因子

演示板出廠時(shí)預(yù)編程的縮放因子Kh為1.0，即每脈沖1Wh。為了與校準(zhǔn)負(fù)載或電表校準(zhǔn)系統(tǒng)配合使用，需要將演示板通過(guò)板底部的插片端子連接到交流電源，并將電流互感器連接到板底部的雙引腳接頭。Kh值可通過(guò)讀取IMAX和VMAX的值，并代入公式(Xh=I M A X^{} VMAX 47.1132 /left(ln {-} 8 WRATE^{} N{ACC} Xright))計(jì)算得出。通過(guò)解析公式(WRATE =(IMAX VMAX 47.1132) /left(K h^{} In{-} 8 * N{ACC } * Xright))，可以選擇幾乎任何所需的Kh因子。

1.8.6 電流分流器模式使用

通過(guò)一些簡(jiǎn)單的修改，71M6511/71M6511H演示板可以適應(yīng)電流分流器/CT組合或單個(gè)分流器的操作。在這種模式下，整個(gè)演示板將處于線路電壓，操作時(shí)必須避免觸摸板或任何組件。同時(shí)，需要重新計(jì)算IMAX變量，并相應(yīng)地調(diào)整WRATE以保持所需的Kh因子。

1.8.7 調(diào)整演示板以適應(yīng)不同的分壓器

演示板配備了用于電壓測(cè)量的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。如果要使用不同的分壓器或外部電壓互感器，可采用類似于電流互感器的縮放技術(shù)。例如，當(dāng)使用電壓互感器時(shí)，可根據(jù)公式計(jì)算分壓器的比例，并選擇合適的電阻組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的比例。

1.9 校準(zhǔn)參數(shù)

1.9.1 一般校準(zhǔn)程序

71M6511/71M6511H芯片可以使用任何校準(zhǔn)方法，本手冊(cè)推薦使用三次或五次測(cè)量的校準(zhǔn)方法，因?yàn)樗鼈冞m用于大多數(shù)基于計(jì)數(shù)“脈沖”的手動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。校準(zhǔn)過(guò)程中得到的參數(shù)（校準(zhǔn)常數(shù)）需要應(yīng)用到芯片中，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的操作?？梢允褂妹钚薪缑鎸⑿?zhǔn)常數(shù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的CE RAM地址中。

1.9.2 校準(zhǔn)宏文件

確定校準(zhǔn)參數(shù)后，可以使用宏文件來(lái)簡(jiǎn)化將參數(shù)輸入到芯片的過(guò)程。宏文件是一個(gè)簡(jiǎn)單的文本文件，包含一系列用于修改校準(zhǔn)參數(shù)的串口接口命令。通過(guò)HyperTerminal程序的“Transfer” -> “Send Text File”命令可以執(zhí)行宏文件。

1.9.3 更新6511_demo.hex文件

使用io_merge程序可以將宏文件中的值更新到6511_demo.hex文件中。執(zhí)行該程序時(shí)，需要指定舊的hex文件、宏文件和新的hex文件的名稱。新的hex文件可以通過(guò)ICE端口寫入71M6511/71M6511H芯片，使校準(zhǔn)永久生效。

1.9.4 在不使用ICE的情況下更新閃存中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

可以使用串口接口命令>]U將臨時(shí)輸入到CE RAM中的數(shù)據(jù)永久保存到閃存中。同樣，也可以使用CLS命令將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中。復(fù)位后，如果EEPROM中存在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，則從EEPROM復(fù)制；否則，從閃存復(fù)制。

1.9.5 自動(dòng)增益校準(zhǔn)

從Demo Code版本3.04開始，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的自動(dòng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟包括在I/O RAM中輸入電壓和電流的操作值，將操作電壓和電流應(yīng)用到電表，通過(guò)串口接口輸入CLB命令開始校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，CE地址0x08和0x09將顯示非0x4000的值，這些值可以通過(guò)CLS命令存儲(chǔ)在EEPROM中。

1.9.6 將6511_demo.hex文件加載到演示板

71M6511/71M6511H芯片提供了一個(gè)用于將代碼加載到內(nèi)部閃存的接口，包括E_RXTX（數(shù)據(jù)）、E_TCLK（時(shí)鐘）和E_RST（復(fù)位）信號(hào)?？梢允褂肧ignum Systems的ADM51在線仿真器或TERIDIAN Semiconductor提供的Flash Download Board Module（FDBM）進(jìn)行閃存編程。在加載新文件之前，需要先擦除閃存內(nèi)存。

1.9.7 71M6511/6511H的編程接口

閃存下載器或ICE與71M6511/6511H之間的通信需要E_TCLK（數(shù)據(jù)時(shí)鐘）、E_RXTX（數(shù)據(jù)輸入/輸出）和E_RST（閃存下載器復(fù)位，低電平有效）信號(hào)。E_RST信號(hào)僅在啟用這些接口信號(hào)時(shí)由閃存下載器驅(qū)動(dòng)，其他時(shí)間應(yīng)釋放。

1.10 演示代碼

1.10.1 演示代碼描述

演示板出廠時(shí)在71M6511或71M6511H芯片中預(yù)加載了Demo Code版本3.0.4或更高版本?？梢酝ㄟ^(guò)串口接口輸入命令>i1來(lái)驗(yàn)證代碼版本。演示代碼提供了基本的計(jì)量功能，如脈沖生成、累計(jì)能量顯示、頻率和日期/時(shí)間顯示等，還可以通過(guò)串口接口訪問(wèn)和修改各種電表參數(shù)。詳細(xì)的演示代碼描述可以在軟件用戶指南（SUG）中找到。

1.10.2 演示代碼MPU參數(shù)

演示代碼中，某些MPU XRAM參數(shù)被賦予了固定地址，以便于外部訪問(wèn)。這些參數(shù)包括輸入?yún)?shù)、瞬時(shí)輸出變量、狀態(tài)字和累計(jì)輸出變量等。通過(guò)串口接口可以讀取和寫入這些變量的值。

1.10.3 涉及MPU和CE的有用CLI命令

一些重要的CLI命令可用于操作MPU數(shù)據(jù)內(nèi)存，如清除累加器、切換脈沖源、設(shè)置IMAX和VMAX值、顯示操作時(shí)間和累計(jì)能量等。此外，>]U命令可將當(dāng)前CE RAM變量存儲(chǔ)在閃存中，下次復(fù)位或上電時(shí)MPU將應(yīng)用這些變量。

二、應(yīng)用信息

2.1 校準(zhǔn)理論

典型的電表存在相位和增益誤差，校準(zhǔn)過(guò)程就是測(cè)量這些誤差并引入校正因子以消除其影響。對(duì)于三個(gè)未知量的確定，至少需要進(jìn)行三次測(cè)量；如果進(jìn)行更多測(cè)量，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均。

2.1.1 三次測(cè)量校準(zhǔn)

最簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)方法是進(jìn)行三次測(cè)量，通常包括一次電壓測(cè)量和兩次瓦時(shí)（Wh）測(cè)量。通過(guò)測(cè)量得到的誤差值，可以計(jì)算出電壓增益系數(shù)Axv、電流增益系數(shù)Axi和相位誤差(phi s)，進(jìn)而計(jì)算出新的校準(zhǔn)電壓增益系數(shù)CAL_V_NEW、PHADJ和校準(zhǔn)電流增益系數(shù)CAL_I_NEW。

2.1.2 五次測(cè)量校準(zhǔn)

五次測(cè)量方法在增益和相位誤差推導(dǎo)之間提供了更多的正交性。該方法涉及測(cè)量(E{V})、(E{0})、(E{180})、(E60)和(E{300})。通過(guò)這些測(cè)量值，可以計(jì)算出Axv、Axi和(phi_{S})，并得出新的校準(zhǔn)系數(shù)。

2.2 校準(zhǔn)程序

校準(zhǔn)需要使用校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠向被校準(zhǔn)單元施加準(zhǔn)確的電壓、負(fù)載電流和負(fù)載角度，并以可重復(fù)的方式測(cè)量單元的響應(yīng)。在進(jìn)行校準(zhǔn)之前，需要將電壓和電流傳感器正確連接到71M6511/6511H芯片，確保V3P3電源連接到電表中性線，并將每個(gè)電壓和電流波形縮放至小于250mV（峰值）。

2.2.1 三次測(cè)量校準(zhǔn)程序

校準(zhǔn)程序包括將所有校準(zhǔn)因子重置為默認(rèn)值，施加RMS電壓并記錄電表的RMS讀數(shù)，在0°和60°相位角下施加標(biāo)稱負(fù)載電流并測(cè)量Wh能量，計(jì)算新的校準(zhǔn)因子，將新的校準(zhǔn)因子應(yīng)用到電表，測(cè)試電表的準(zhǔn)確性，將新的校準(zhǔn)因子存儲(chǔ)在閃存中，以及進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.2.2 五次測(cè)量校準(zhǔn)程序

五次測(cè)量校準(zhǔn)程序與三次測(cè)量類似，只是需要在0°、60°、180°和 -60°（-300°）相位角下施加標(biāo)稱負(fù)載電流并測(cè)量Wh能量。

2.2.3 校準(zhǔn)電子表格

TERIDIAN Semiconductor提供了校準(zhǔn)電子表格，這些表格也包含在隨演示套件提供的CD-ROM中。電子表格可以幫助我們更方便地計(jì)算校準(zhǔn)因子。

2.2.4 補(bǔ)償非線性

非線性在低電流時(shí)最為明顯，可通過(guò)QUANT變量消除。QUANT的值可以根據(jù)公式(QUANT =-frac{frac{ error }{100} V cdot I}{V M A X cdot I M A X cdot L S B})計(jì)算得出，并寫入CE位置0x2F。同樣，VAR計(jì)算中的類似誤差可以使用QUANT_VAR變量消除。

2.2.5 校準(zhǔn)帶有CT和分流電阻的電表

在許多情況下，為了防止篡改，會(huì)使用兩個(gè)電流傳感器。校準(zhǔn)這種配置需要在常規(guī)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些額外的步驟。對(duì)于Demo Code版本3.04和3.05，校準(zhǔn)過(guò)程略有不同，但都需要分別計(jì)算IMAX和WRATE參數(shù)，并進(jìn)行準(zhǔn)確性測(cè)試和校準(zhǔn)因子的調(diào)整。

2.3 節(jié)能措施

在很多情況下，特別是使用電池供電時(shí)，需要將芯片的功耗降至最低?？梢酝ㄟ^(guò)禁用CE、ADC、時(shí)鐘測(cè)試輸出、仿真器時(shí)鐘等功能，以及設(shè)置閃存讀取脈沖定時(shí)、禁用LCD電壓升壓電路等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.4 原理圖信息

2.4.1 V1引腳組件

71M6511/71M6511H的V1引腳不能留空，需要使用分壓器確保V1在安全范圍內(nèi)。為了進(jìn)行調(diào)試或加載代碼，需要在R1上方設(shè)置類似JP1的接頭，通過(guò)短路跳線將V1拉高到V3P3以禁用硬件看門狗定時(shí)器。

2.4.2 復(fù)位電路

演示板提供了一個(gè)復(fù)位按鈕，用于在原型設(shè)計(jì)和調(diào)試軟件時(shí)使用。在EMI環(huán)境中使用電路時(shí)，RESETZ引腳應(yīng)配備外部組件，以確保復(fù)位的穩(wěn)定性。

2.4.3 振蕩器

71M6511的振蕩器驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的32.768kHz手表晶體，該晶體準(zhǔn)確且不需要高電流振蕩器電路。振蕩器的功耗很低，以最大化連接到VBAT引腳的電池備份設(shè)備的使用壽命。

2.4.4 EEPROM

EEPROM應(yīng)連接到引腳DIO4和DIO5，通過(guò)設(shè)置I/O RAM寄存器DIO_EEX（0x2008[4]）為1，可以將這些引腳從常規(guī)DIO切換為實(shí)現(xiàn)I2C接口。同時(shí)，需要為SCL和SDA信號(hào)提供3kΩ的上拉電阻。

2.4.5 LCD

71M6511具有片上LCD控制器，可控制靜態(tài)或多路復(fù)用LCD。通過(guò)設(shè)置I/O RAM寄存器LCD_BSTEN為1，可以啟動(dòng)片上升壓電路