EVAL - ADE7878AEBZ評估板：三相電能計量IC評估的得力助手

在電子工程師的日常工作中，對電能計量IC進行評估和測試是一項重要任務(wù)。今天，我們就來深入了解一下ANALOG DEVICES的EVAL - ADE7878AEBZ評估板，它主要用于評估ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A這幾款高精度三相電能計量IC。

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評估板概述

特點

• 功能完備：該評估板與配套軟件結(jié)合，可實現(xiàn)一個功能齊全的三相電能表。
• 連接便捷：通過螺絲端子能輕松連接外部傳感器，并且使用PCB插座可方便修改信號調(diào)理組件。
• 狀態(tài)指示：CF1、CF2、CF3、IRQ0和IRQ1邏輯輸出處設(shè)有LED指示燈，便于觀察狀態(tài)。
• 隔離設(shè)計：計量組件采用數(shù)字隔離，通過USB與PC進行通信。
• 參考靈活：提供外部電壓參考選項，可用于片上參考評估。
• 固件更新：支持基于PC COM端口的固件更新。

套件內(nèi)容

評估套件包含EVAL - ADE7878AEBZ評估板和USB電纜，同時還可通過在線資源獲取ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的數(shù)據(jù)手冊和評估板用戶指南。

總體描述

ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A是高精度的三相電能計量IC，具備串行接口和三個靈活的脈沖輸出。它們集成了二階sigma - delta（Σ - ?）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）、數(shù)字積分器、參考電路以及進行總（基波和諧波）有功和視在電能測量、均方根（rms）計算以及僅基波有功和無功電能測量所需的所有信號處理功能。評估板包含一個IC和NXP Semiconductors的LPC2368微控制器，電能計量IC及其相關(guān)計量組件與微控制器實現(xiàn)數(shù)字隔離，微控制器通過USB接口與PC通信。

評估板硬件

電源供應(yīng)

評估板有兩個電源域。一個為微控制器和iCoupler的一側(cè)供電，其接地通過USB電纜與PC的接地相連；另一個為iCoupler的另一側(cè)和ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A供電，其接地由相電壓VAP、VBP、VCP和VN的接地決定，必須與微控制器電源域的接地不同。微控制器的3.3V電源可由PC通過USB電纜提供，也可在Jumper JP24連接Pin 1和Pin 2時，從P12連接器獲取。ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的3.3V電源則由P9連接器提供，需確保Jumper JP11連接Pin 1和Pin 2，以保證iCouplers也能獲得相同的3.3V電源。

模擬輸入

電流輸入（P1 - P4）

評估板通過P1 - P4的螺絲端子連接電流信號。ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A可測量三相電流和中性電流，可使用電流互感器或Rogowski線圈來感應(yīng)電流，但相電流感應(yīng)不能混合使用不同傳感器，中性電流可使用不同傳感器。IC在相電流和中性電流上有不同的內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）增益，因此可使用不同比例的傳感器，只需保證PGA輸出的信號比例相同，否則會影響IC的失配功能。

• 使用電流互感器：以A相為例，需根據(jù)電流互感器的比例和系統(tǒng)最大電流來定義R1和R2負(fù)載電阻，公式為(R 1 = R 2 = 1 / 2 × 0.5 / sqrt 2 × N / I_{F S})。使用時，若使用R1和R2，需打開JP1A和JP2A跳線；打開J5A和J6A跳線啟用抗混疊濾波器。同時要注意，若電流互感器二次側(cè)開路，可能會產(chǎn)生高電壓，存在電擊危險并可能損壞電子元件。
• 使用Rogowski線圈：同樣以A相為例，Rogowski線圈不需要負(fù)載電阻，因此R1和R2不應(yīng)安裝。打開JP5A和JP6A跳線啟用抗混疊濾波器，打開JP3A和JP4A跳線引入額外的抗混疊濾波器。此外，需通過設(shè)置CONFIG寄存器的Bit 0（INTEN）來啟用IC的積分器，以補償di/dt傳感器引入的20 dB/dec增益。

電壓輸入（P5 - P8）

電壓輸入連接在P5 - P8上，可直接連接到線電壓源。線電壓通過簡單的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進行衰減后提供給IC。電壓通道的衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計使得其3 dB截止頻率與電流通道輸入的抗混疊濾波器相匹配，以防止在低功率因數(shù)下出現(xiàn)大的電能誤差。ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的VAP、VBP和VCP引腳允許的最大信號電平為0.5V峰值，雖然IC模擬輸入能承受±2V而不會造成永久性損壞，但為保證指定操作，信號范圍不應(yīng)超過相對于AGND的±0.5V。

跳線設(shè)置

評估板上有多個跳線，不同的跳線設(shè)置會影響評估板的功能和性能。例如，JP1A - JP2N用于控制電流輸入引腳與AGND的連接；JP3A - JP6N用于啟用或禁用相補償網(wǎng)絡(luò)和抗混疊濾波器；JP7A - JP9C用于控制電壓輸入的電阻分壓器和抗混疊濾波器；JP10用于選擇時鐘源；JP11用于連接iCouplers的電源；JP12用于選擇是否使用外部電壓參考；JP21用于選擇是否使用另一個微控制器管理ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A；JP24用于選擇微控制器的電源；JP31 - JP34用于選擇SPI或I2C通信。

評估板作為電能表的設(shè)置

典型設(shè)置

對于三相四線星形配電系統(tǒng)，使用電流互感器感應(yīng)相電流和中性電流，線電壓直接連接到評估板。評估板由兩個不同的電源供電，一個由PC通過USB電纜提供，用于NXP LPC2368和iCouplers的一側(cè)；另一個是外部3.3V電源，用于ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A域和iCouplers的另一側(cè)。兩個電源域相互隔離，以確保高壓測試電路和控制電路之間沒有電氣連接，外部電源應(yīng)具有浮動電壓輸出。對于三相三線三角形配電系統(tǒng)，以B相電壓作為接地參考，將ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A IC的VN引腳連接到該參考電壓。

通信設(shè)置

評估板通過USB電纜連接到PC，連接后PC會進行枚舉過程，要求安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序可從產(chǎn)品網(wǎng)站下載，根據(jù)不同的操作系統(tǒng)選擇相應(yīng)的文件夾。安裝驅(qū)動后，即可啟動評估軟件。評估板支持SPI和I2C兩種通信方式，通過設(shè)置JP31 - JP34跳線來選擇。SPI通信時，跳線閉合在Pin 2和Pin 3之間；I2C通信時，跳線閉合在Pin 2和Pin 1之間。

使用其他微控制器

評估板上的ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A可通過P11或P17連接器與另一個微控制器連接。P11與ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A處于同一電源域，P17與NXP LPC2368的電源域相連，并通過iCouplers與ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A通信。若使用P17，可能會與NXP LPC2368的I/O端口產(chǎn)生沖突，可通過閉合JP21跳線解決，然后按下S2復(fù)位按鈕重置NXP LPC2368。

評估板軟件

安裝與卸載

評估軟件可從產(chǎn)品網(wǎng)站下載，包含NXP LPC2368項目和基于LabVIEW?的程序。NXP LPC2368項目已預(yù)裝在處理器中，只需安裝LabVIEW程序。安裝時，打開LabView_projectinstallation_filessetup.exe，該程序會自動安裝所有軟件組件并創(chuàng)建所需目錄。啟動軟件時，在Start/Programs/ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A Eval Software菜單中點擊相應(yīng)選項。卸載軟件可通過Windows控制面板的Add/Remove Programs選項進行。

前面板

軟件啟動后，前面板會顯示兩個窗格。左窗格顯示通信選擇器和主菜單選項，右窗格顯示所有子菜單選項以及COM端口、下載到微控制器的固件版本和評估板上的IC等指示器。運行軟件時，首先會填充COM端口和固件版本指示器，COM端口會顯示與回波功能通信協(xié)議匹配的端口，并設(shè)置為115,200波特率、8個數(shù)據(jù)位、無校驗位、無流控制和1個停止位。默認(rèn)使用SPI端口進行串行通信，需先在硬件中設(shè)置活動串行端口。檢測到芯片后，可選擇PSM0或PSM3電源模式對ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A進行命令操作。

不同電源模式

PSM0模式（正常功率模式）

評估板上電后，設(shè)備處于PSM3睡眠模式。選擇Enter PSM0模式時，微控制器會操作ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的PM0和PM1引腳，將其切換到PSM0模式。在此模式下，可進行多種操作，如重置ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A、配置通信、測量總有功功率、總無功功率、基波有功功率、基波無功功率、視在功率、電流均方根、平均絕對值電流、電壓均方根、電能質(zhì)量等。

PSM1模式

選擇Enter PSM1模式時，微控制器將ADE7868A/ADE7878A切換到PSM1降低功率模式，此模式下僅能訪問平均絕對值電流功能。

PSM2模式

選擇Enter PSM2模式時，微控制器將ADE7868A/ADE7878A切換到PSM2低功率模式，此模式下僅能訪問相電流監(jiān)測功能。

PSM3模式

在PSM3睡眠模式下，ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，無激活的子菜單?？蛇x擇進入PSM0、PSM1或PSM2模式。

通信協(xié)議管理

評估板通過微控制器與PC進行通信，微控制器在通信過程中作為純從設(shè)備。PC發(fā)送命令，微控制器執(zhí)行命令并返回答案，PC在收到答案后再發(fā)送新命令。有兩種版本的微控制器代碼，版本0.0是最初為ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A編寫的代碼，版本0.1可在零交叉處讀取均方根值，提高了讀數(shù)的準(zhǔn)確性。評估軟件會檢測微控制器代碼的版本并進行相應(yīng)的內(nèi)部更改。文檔中詳細(xì)列出了各種通信協(xié)議命令，如回聲命令、電源模式選擇、重置、I2C/SPI選擇、數(shù)據(jù)讀寫、中斷設(shè)置和中斷引腳狀態(tài)等。

連續(xù)獲取HSDC數(shù)據(jù)

該功能可在定義的時間段內(nèi)連續(xù)獲取HSDC數(shù)據(jù)，最多可獲取兩個變量。根據(jù)獲取的是相電流和電壓還是相功率，通信協(xié)議有所不同。微控制器以4 kB的數(shù)據(jù)包形式發(fā)送數(shù)據(jù)，采用乒乓緩沖方法，連續(xù)接收HSDC數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存儲到USB內(nèi)存并發(fā)送到PC。

啟動和停止DSP

通過向微控制器發(fā)送特定命令可啟動或停止ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A的DSP。啟動時，微控制器向運行寄存器寫入0x1；停止時，寫入0x0。

微控制器固件升級

評估板附帶已安裝的微控制器固件，但也可通過Flash Magic程序或IAR J - link調(diào)試器進行固件升級。使用Flash Magic時，需將串行電纜連接到評估板的P15連接器和PC的COM端口，或使用USB - to - UART板。在Flash Magic中設(shè)置COM端口、波特率、設(shè)備、接口、振蕩器頻率等參數(shù)，選擇要下載的Hex文件，然后開始下載過程。下載完成后，提取JP8跳線，重置評估板。

控制寄存器數(shù)據(jù)文件

在All Registers Access面板中點擊Save All Regs into a file按鈕，可將IC的控制寄存器按特定順序存儲到數(shù)據(jù)文件中。該順序在文檔的Table 26中有詳細(xì)列出。

故障排除

在執(zhí)行評估軟件時，可能會遇到一些問題。例如，若評估板電源未連接，前面板主屏幕上顯示的IC名稱會出錯，且無法與IC正確通信，此時需提供電源并重新啟動軟件；若寄存器讀取結(jié)果全為FF或00，需檢查電源供應(yīng)、跳線連接和DSP是否運行；若USB連接在軟件執(zhí)行過程中中斷，重新執(zhí)行軟件時會報錯，此時需移除USB電纜，按下S2（MRESET）按鈕，然后重新連接USB電纜并重啟軟件。

評估板原理圖和布局

文檔提供了評估板的詳細(xì)原理圖，包括ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A、隔離連接、通信協(xié)議選擇、接地連接、設(shè)備接口、時鐘電路、I/O選擇、隔離電路、JTAG接口、LPC2368、電源供應(yīng)、輸出LED等部分的原理圖。同時，還展示了評估板的布局，包括頂層、第二層、第三層和底層的布局圖。

訂購信息和物料清單

文檔提供了評估板的訂購信息和物料清單，詳細(xì)列出了評估板上各個組件的數(shù)量、名稱、制造商和型號，方便工程師進行采購和了解評估板的組成。

EVAL - ADE7878AEBZ評估板為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估ADE7854A/ADE7858A/ADE7868A/ADE7878A電能計量IC。通過詳細(xì)了解評估板的硬件、軟件、通信協(xié)議和故障排除方法，工程師能夠更好地利用該評估板進行電能計量IC的測試和開發(fā)工作。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。