71M6513/71M6513H Demo Board：開啟三相電子功率計(jì)量評(píng)估之旅

在電子工程師的世界里，對(duì)于三相電子功率計(jì)量應(yīng)用的評(píng)估是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。而TERIDIAN Semiconductor Corporation的71M6513/71M6513H Demo Board，無(wú)疑為我們提供了一個(gè)強(qiáng)大而便捷的工具。今天，就讓我們深入了解這款演示板，探索它的各項(xiàng)特性和使用方法。

文件下載：71M6513H-DB.pdf

一、入門指南

1.1 概述

71M6513/71M6513H Demo Board是用于評(píng)估71M6513/71M6513H器件在三相電子功率計(jì)量應(yīng)用中的性能的演示板。它集成了71M6513或71M6513H集成電路、串行EEPROM、仿真器端口、板載電源等外圍電路，還配備了一個(gè)調(diào)試板，可通過(guò)RS232端口與PC連接。該演示板能夠幫助我們?cè)u(píng)估71M6513或71M6513H能量計(jì)量芯片的測(cè)量精度和整體系統(tǒng)應(yīng)用。

1.2 安全與ESD注意事項(xiàng)

在操作演示板時(shí)，安全至關(guān)重要。連接帶電電壓到演示板系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致演示板上出現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)電壓。因此，在操作之前，務(wù)必移除JP2和JP3上的跳線（如果安裝了）。同時(shí)，建議使用調(diào)試板自帶的電源。此外，該演示系統(tǒng)對(duì)靜電敏感，處理演示板時(shí)需采取ESD防護(hù)措施。一旦演示板連接到帶電電壓，操作時(shí)要格外小心。

1.3 演示套件內(nèi)容

演示套件包含以下內(nèi)容：

• 帶有71M6513/71M6513H IC和預(yù)加載演示程序的演示板，有D6513T3B2（標(biāo)準(zhǔn)多相）、D6513T3C1（具有中性電流檢測(cè)功能的多相）等版本。
• 調(diào)試板
• 兩個(gè)5VDC/1,000mA通用壁式變壓器，帶2.5mm插頭
• 2m長(zhǎng)的DB9串行電纜
• 包含文檔（數(shù)據(jù)手冊(cè)、電路板原理圖、物料清單、布局）、演示代碼（源代碼和可執(zhí)行文件）和實(shí)用工具的CD-ROM

1.4 演示板版本

演示板有以下幾種版本：

• D6513T3B2（標(biāo)準(zhǔn)版）
• D6513T3C1（具有中性電流檢測(cè)功能）
• D6513T3D2（兩層PCB，具有中性電流檢測(cè)功能）

1.5 兼容性

本手冊(cè)適用于以下硬件和軟件版本：

• 71M6513或71M6513H芯片版本B03
• 演示套件固件版本3.04及3.05或更高版本
• 演示板D6513T3B2、D6513T3C1和D6513T3D2

1.6 建議設(shè)備（不包含在套件中）

• 功能演示：配備RS232端口（COM端口）的PC，運(yùn)行MS-Windows XP、ME或2000系統(tǒng)。
• 軟件開發(fā)（MPU代碼）：Signum ICE（在線仿真器）ADM - 51和Keil 8051 “C”編譯器套件CA51。

1.7 演示板測(cè)試設(shè)置

1.7.1 電源設(shè)置

演示板有多種電源選擇：

• 內(nèi)部電源（使用交流線路電壓的A相），僅適用于A相電壓超過(guò)220V RMS的情況。
• 演示板上的外部5VDC連接器（J1）
• 調(diào)試板上的外部5VDC連接器（J1）

三個(gè)電源跳線JP1、JP2和JP3（JP2/JP3僅在D6513T3B2演示板上提供）必須與電源選擇一致。JP1通常保持連接，JP2和JP3應(yīng)保持?jǐn)嚅_。

1.7.2 串行連接電纜（調(diào)試板）

連接DB9串行端口到PC時(shí)，可以使用直連電纜或“零調(diào)制解調(diào)器”電纜。直連電纜使用時(shí)，JP1和JP2插入，JP3/JP4為空；“零調(diào)制解調(diào)器”電纜使用時(shí)，跳線配置相反。

1.7.3 檢查操作

上電幾秒鐘后，演示板上的LCD顯示屏應(yīng)顯示“HELLO”消息，隨后顯示累計(jì)能量。如果J2的3和5觸點(diǎn)用跳線短接（或按下調(diào)試板上的“DISPLAY SEL”開關(guān)SW2并按住），顯示屏將顯示一系列遞增的數(shù)字（1到12），在數(shù)字10處顯示默認(rèn)日期（2001.01.01）。調(diào)試板插入演示板的J2后，調(diào)試板上的LED DIO1將以1Hz的頻率閃爍，指示CE活動(dòng)；LED DIO0將以5Hz的頻率閃爍，指示MPU活動(dòng)。

1.7.4 串行連接設(shè)置

將DB9串行端口連接到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：

• 端口速度：9600波特
• 數(shù)據(jù)位：8
• 奇偶校驗(yàn)：無(wú)
• 停止位：1
• 流控制：XON/XOFF

1.8 使用演示板

71M6513/71M6513H演示板是一個(gè)可直接使用的電表，可與外部電流互感器配合使用。使用演示板涉及通過(guò)命令行界面（CLI）與演示代碼進(jìn)行通信，CLI允許對(duì)計(jì)量參數(shù)進(jìn)行各種操作，如訪問(wèn)EEPROM、啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)序列、選擇顯示參數(shù)、更改校準(zhǔn)因子等。

1.8.1 串行命令語(yǔ)言

演示代碼提供了一種方便的方式來(lái)檢查和修改關(guān)鍵電表參數(shù)。連接演示板到PC或終端后，輸入“?”將顯示命令列表。不同版本的演示代碼提供的命令有所不同，Demo Code revision 3.05提供的命令比3.04更多。

1.8.2 使用演示板進(jìn)行能量測(cè)量

演示板設(shè)計(jì)用于與電流互感器配合使用，可立即與匝數(shù)比為2000:1的電流互感器配合使用，預(yù)編程的Kh因子為3.2。施加電壓并使負(fù)載電流流動(dòng)后，紅色LED D5每收集3.2Wh的能量總和就會(huì)閃爍一次；紅色LED D6每收集3.2VARh的能量總和就會(huì)閃爍一次。通過(guò)串行接口設(shè)置為顯示模式3（命令>M3），LCD顯示屏將顯示累計(jì)的Wh能量；設(shè)置為顯示模式5（命令>M5），將顯示累計(jì)的VARh能量。

1.8.3 調(diào)整演示板的Kh因子

演示板出廠時(shí)預(yù)編程的Kh因子為3.2。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值可以通過(guò)讀取IMAX和VMAX的值，并代入相應(yīng)公式計(jì)算得出。

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)比的電流互感器，需要根據(jù)公式計(jì)算并更換相應(yīng)的電阻，同時(shí)調(diào)整WRATE以實(shí)現(xiàn)所需的Kh因子。

1.8.5 調(diào)整演示板以適應(yīng)不同的電壓分壓器

演示板配備了用于電壓測(cè)量的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。如果需要使用不同的電壓分壓器或外部電壓互感器，應(yīng)采用類似于電流互感器的縮放技術(shù)。如果使用電壓互感器，可能會(huì)引入相移，需要進(jìn)行負(fù)相角補(bǔ)償。

1.9 校準(zhǔn)參數(shù)

1.9.1 通用校準(zhǔn)程序

71M6513/71M6513H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，需要將校準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)用到芯片中，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的操作。

1.9.2 校準(zhǔn)宏文件

校準(zhǔn)宏文件是一個(gè)包含串行接口命令序列的簡(jiǎn)單文本文件，可以使用記事本或等效的ASCII編輯器創(chuàng)建。通過(guò)HyperTerminal的“Transfer->Send Text File”命令執(zhí)行該文件，可以臨時(shí)更改CE數(shù)據(jù)值。

1.9.3 更新6513_demo.hex文件

使用io_merge程序可以將宏文件中的值更新到6513_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。新的hex文件可以通過(guò)ICE端口寫入71M6513/71M6513H芯片，使校準(zhǔn)永久生效。

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

可以使用串行接口命令“>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)到EEPROM中。

1.9.5 自動(dòng)增益校準(zhǔn)

從Demo Code revision 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，施加相應(yīng)的電壓和電流，通過(guò)串行接口輸入CLB命令，校準(zhǔn)完成后，LCD顯示“HELLO”消息。校準(zhǔn)結(jié)果可以存儲(chǔ)在EEPROM中。

1.9.6 將6513_demo.hex文件加載到演示板中

71M6513/71M6513H IC提供了一個(gè)用于將代碼加載到內(nèi)部閃存的接口。編程閃存需要特定的在線仿真器或閃存編程器。在加載新文件之前，需要先擦除閃存中的現(xiàn)有固件。

1.9.7 71M6513/71M6513H的編程接口

閃存下載器/ICE接口信號(hào)包括E_RXTX（數(shù)據(jù)）、E_TCLK（時(shí)鐘）和E_RST（復(fù)位）。這些信號(hào)以及V3P3和GND可在仿真器接頭J14上找到。

1.10 演示代碼

1.10.1 演示代碼描述

演示板預(yù)加載了Demo Code revision 3.04或更高版本的代碼?？梢酝ㄟ^(guò)串行接口輸入命令“>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、實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，允許通過(guò)串行接口訪問(wèn)和修改各種電表參數(shù)，還提供了訪問(wèn)低級(jí)別IC功能的庫(kù)，可作為代碼開發(fā)的構(gòu)建塊。

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)、輸出變量和狀態(tài)字等，可通過(guò)串行接口進(jìn)行讀寫操作。

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、設(shè)置IMAX和VMAX寄存器的值、顯示操作時(shí)間和累計(jì)能量等。

1.10.4 用于中性檢測(cè)的演示代碼（演示板D6513T3C1）

中性電流測(cè)量通過(guò)連接到輔助模擬輸入V3引腳的第四電流互感器進(jìn)行。中性電流可以通過(guò)交替多路復(fù)用周期進(jìn)行讀取，采樣率可以通過(guò)修改MPU（XDATA）地址ALT_MUX_RATE來(lái)調(diào)整。中性電流可以在顯示屏上顯示，CLI命令“M”中的相位4表示中性電流。

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)程中需要測(cè)量這些誤差并引入校正因子以消除其影響。根據(jù)測(cè)量次數(shù)的不同，校準(zhǔn)方法可分為三次測(cè)量和五次測(cè)量?jī)煞N。

2.1.1 三次測(cè)量校準(zhǔn)

三次測(cè)量校準(zhǔn)方法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)算出校準(zhǔn)電壓增益系數(shù)、PHADJ和校準(zhǔn)電流增益系數(shù)。

2.1.2 五次測(cè)量校準(zhǔn)

五次測(cè)量校準(zhǔn)方法提供了增益和相位誤差推導(dǎo)之間更好的正交性。該方法涉及測(cè)量EV、E0、E180、E60和E300，通過(guò)這些測(cè)量值可以計(jì)算出校準(zhǔn)電壓增益系數(shù)、PHADJ和校準(zhǔn)電流增益系數(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)量被校準(zhǔn)單元的響應(yīng)。校準(zhǔn)過(guò)程中，每個(gè)電表相位必須單獨(dú)進(jìn)行校準(zhǔn)。

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，施加電壓并記錄電表的RMS讀數(shù)，施加標(biāo)稱負(fù)載電流并記錄不同相位角下的Wh能量誤差，計(jì)算新的校準(zhǔn)因子，應(yīng)用新的校準(zhǔn)因子，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，以及對(duì)每個(gè)相位重復(fù)上述步驟。

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)量校準(zhǔn)程序類似，但需要在更多的相位角下測(cè)量Wh能量誤差。

2.2.3 羅果夫斯基線圈傳感器的校準(zhǔn)程序

TERIDIAN Semiconductor提供了與羅果夫斯基線圈兼容的CE代碼。校準(zhǔn)程序包括基本校準(zhǔn)和電壓抵消兩個(gè)步驟，基本校準(zhǔn)可以采用三次或五次測(cè)量的校準(zhǔn)方法，電壓抵消步驟用于消除低電流下的電壓耦合誤差。

2.2.4 校準(zhǔn)電子表格

TERIDIAN Semiconductor提供了校準(zhǔn)電子表格，可用于CT和分流器校準(zhǔn)以及羅果夫斯基線圈校準(zhǔn)。在電子表格中輸入測(cè)量結(jié)果，即可計(jì)算出校準(zhǔn)因子。

2.2.5 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的值可以通過(guò)公式計(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通過(guò)QUANT_VAR變量消除。

2.3 節(jié)能措施

在許多情況下，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引腳的組件

71M6513/71M6513H的V1引腳不能懸空，應(yīng)使用電壓分壓器確保V1在安全范圍內(nèi)。在調(diào)試或加載代碼時(shí)，需要使用跳線將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

演示板提供了復(fù)位按鈕，可用于原型設(shè)計(jì)和調(diào)試軟件。在EMI環(huán)境中使用時(shí)，RESETZ引腳應(yīng)配備外部組件，以確保復(fù)位信號(hào)的穩(wěn)定性。

2.4.3 振蕩器

71M6513的振蕩器驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的32.768kHz手表晶體，該晶體精度高，功耗低。不需要在晶體兩端放置外部電阻，電容值應(yīng)小于15pF。

2.4.4 EEPROM

EEPROM應(yīng)連接到DIO4和DIO5引腳，通過(guò)設(shè)置I/O RAM寄存器DIO_EEX為1，可以將這些引腳切換為I2C接口。SCL和SDA信號(hào)需要提供3kΩ的上拉電阻。

2.4.5 LCD

71M6513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可以啟動(dòng)片上升壓電路，為L(zhǎng)CD提供5VDC電壓。

2.4.6 光學(xué)接口

71M6513 IC配備了兩個(gè)支持光學(xué)接口的引腳OPT_TX和OPT_RX。OPT_TX引腳可用于驅(qū)動(dòng)視覺或紅外LED，OPT_RX引腳可連接到光電晶體管的集電極。

2.4.7 連接RX引腳

RX引腳的行為與651X系列計(jì)量IC的其他數(shù)字輸入略有不同。該引腳內(nèi)部鉗位到V3P3電源，輸入電壓應(yīng)避免在0.8V到1.6V之間。如果輸入電壓高于3.6V，應(yīng)使用電阻衰減器來(lái)限制輸入電壓。

2.4.8 連接V3引腳

如果V3引腳不用于傳感或測(cè)量目的，應(yīng)將其懸空或連接到VREF引腳。

2.5 測(cè)試演示板

2.5.1 功能電表測(cè)試

功能電表測(cè)試是演示板集成到演示套件之前必須通過(guò)的測(cè)試。該測(cè)試將實(shí)際的高電壓和電流信號(hào)應(yīng)用到演示板上，通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量電表的脈沖輸出，并與預(yù)期輸出進(jìn)行比較。

2.5.2 EEPROM

可以使用演示代碼的串行命令行接口（CLI）測(cè)試EEPROM。通過(guò)一系列CLI命令，可以將文本字符串寫入EEPROM并讀取出來(lái)。

2.5.3 RTC

可以使用演示代碼的CLI測(cè)試71M6513/71M6513H IC內(nèi)部的RTC。通過(guò)設(shè)置RTC并檢查時(shí)間和日期，可以驗(yàn)證RTC的功能。

2.5.4 硬件看門狗定時(shí)器

當(dāng)V1引腳的電壓為3.3V（V3P3）時(shí)，71M6513/71M6513H的硬件看門狗定時(shí)器被禁用。在編程閃存或使用ADM51在線仿真器時(shí)，需要插入跳線禁用硬件看門狗定時(shí)器。

2.5.5 LCD

可以使用演示代碼的CLI對(duì)LCD接口進(jìn)行各種測(cè)試，如啟用或禁用LCD顯示、調(diào)整LCD時(shí)鐘頻率等。

2.6 TERIDIAN應(yīng)用筆記

TERIDIAN提供了一系列應(yīng)用筆記，包括羅果夫斯基線圈、光學(xué)端口、溫度補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容?？梢月?lián)系當(dāng)?shù)氐腡ERIDIAN銷售代表獲取這些應(yīng)用筆記。

三、硬件描述

3.1 D6513T3B2板描述：跳線、開關(guān)和測(cè)試點(diǎn)

D6513T3B2演示板包含多個(gè)跳線、開關(guān)