71M6511/71M6511H Demo Board：电子工程师的实用指南

在电子工程领域，对于新型芯片和开发板的研究与应用是不断推动技术进步的关键。71M6511/71M6511H Demo Board作为一款用于单相电子能量计量应用的演示板，为工程师们提供了一个评估71M6511/6511H芯片性能的理想平台。今天，我们就来深入探讨这款演示板的使用、校准以及硬件设计等方面的知识。

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一、入门指南

1.1 演示板概述

TERIDIAN Semiconductor Corporation的71M6511 Demo Board集成了71M6511或71M6511H集成电路，以及串行EEPROM、仿真器端口和板载电源等外设电路。同时，它还配备了一个调试板，可通过RS232端口连接到PC，方便我们对71M6511能量计芯片的测量精度和整体系统使用进行评估。板上的FLASH内存预编程了Demo Program（6511_demo.hex），该嵌入式应用程序可直接管理外设、闪存编程和CPU等底层功能。

1.2 安全与ESD注意事项

在操作演示板时，安全是首要考虑的因素。连接带电电压到演示板系统会导致板上出现潜在的危险电压，因此在操作前，务必移除JP2和JP3上的跳线（如果安装了的话），并且建议使用调试板自带的电源。此外，演示系统对ESD敏感，在处理演示板时要采取ESD预防措施，连接带电电压后操作演示板时更要格外小心。

1.3 演示套件内容

演示套件包含71M6511演示板（有4层圆形和2层矩形两种版本，2层版本又分为电容式和变压器式电源供应）、调试板、两个5VDC/1000mA通用壁式变压器、一根2m长的DB9串口线以及一张包含文档、演示代码和实用工具的CD-ROM。

1.4 演示板版本

演示板有三种版本：4层圆形PCB的演示板（编号D6511T4B2），用于展示4层设计；2层矩形PCB且采用电容式电源供应的演示板（编号D6511T4A7）；2层矩形PCB且采用变压器式电源供应的演示板（编号D6511BT4A4），后两种用于展示经济实惠的2层设计。

1.5 兼容性

本手册适用于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层演示板版本D6511T4B和2层演示板D6511BT4A4或D6511T4A7。

1.6 建议设备和测试工具

为了进行功能演示，需要配备带有RS232端口（COM端口）的PC，操作系统为MS-Windows XP或2000。对于软件开发（MPU代码），建议使用Signum ICE（In Circuit Emulator）ADM - 51和Keil 8051 “C” Compiler kit CA51。在进行校准和精度测试时，则需要使用校准系统。

1.7 演示板测试设置

1.7.1 电源供应设置

演示板的电源供应有多种选择，包括内部电源（使用交流线路电压，但仅适用于线路电压超过220V RMS的情况）、演示板上的外部5VDC连接器（J1）和调试板上的外部5VDC连接器（J1）。三个电源供应跳线JP1、JP2和JP3（JP2/JP3仅在D6511T4B2演示板上提供）的设置必须与电源供应选择一致。通常，JP1应保持连接，而JP2和JP3应保持断开。

1.7.2 串口连接电缆

对于DB9串口与PC的连接，可以使用直连电缆或所谓的“零调制解调器”电缆。使用直连电缆时，调试板上的JP1和JP2应插入，JP3/JP4为空；使用零调制解调器电缆时，跳线配置则相反。

1.7.3 检查操作

上电几秒钟后，演示板上的LCD显示屏应短暂显示“HELLO”，之后显示“3.0. 0 0 1”，最左边段的小数点会闪烁，表明71M6511内部的MPU正在工作。

1.7.4 串口连接设置

将DB9串口连接到PC后，启动HyperTerminal应用程序，并使用以下参数创建会话：波特率9600、数据位8、无校验位、停止位1、流控制XON/XOFF。连接参数可通过选择“File” -> “Properties”，然后点击“Configure”按钮进行配置。此外，CD-ROM上还提供了一个HyperTerminal的设置文件“Demo Board Connection.ht”，可通过“File” -> “Open”加载。

1.8 使用演示板

1.8.1 串口命令语言

演示板的Demo Code提供了一个方便的方式来检查和修改关键电表参数。通过串口连接到演示板后，输入“?”可查看命令列表。不同的命令可用于控制计算引擎、EEPROM、SFR等，还能进行校准、显示信息、控制电表显示等操作。例如，“?C”可获取计算引擎控制和校准的帮助信息。

1.8.2 用于能量测量

71M6511/71M6511H演示板可用于电流互感器（CT）、电流分流器或两者的组合。演示代码支持这两种操作模式，演示板通常以CT配置发货。

1.8.3 CT模式使用

演示板可立即与匝数比为2000:1的电流互感器配合使用，并且编程的Kh因子为1.0。施加电压并有负载电流流动时，红色LED D5（由引脚DIO6控制）每收集1.0Wh的能量总和就会闪烁一次，LCD显示屏设置为显示模式3（通过串口接口输入命令>M3）时将显示累计的导入能量。同样，红色LED D6（由引脚DIO7控制）每收集1.0VARh的无功能量总和就会闪烁一次，LCD显示屏设置为显示模式5（通过串口接口输入命令>M5）时将显示累计的无功能量。

1.8.4 调整演示板以适应不同的电流互感器

演示板默认适用于2000:1的电流互感器。如果使用不同匝数比的互感器，需要根据公式(V_{in }=R^{} I=R^{} I M A X / N)计算新的电阻值，并相应地调整WRATE以实现所需的Kh因子。

1.8.5 调整演示板的Kh因子

演示板出厂时预编程的缩放因子Kh为1.0，即每脉冲1Wh。为了与校准负载或电表校准系统配合使用，需要将演示板通过板底部的插片端子连接到交流电源，并将电流互感器连接到板底部的双引脚接头。Kh值可通过读取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))计算得出。通过解析公式(WRATE =(IMAX VMAX 47.1132) /left(K h^{} In{-} 8 * N{ACC } * Xright))，可以选择几乎任何所需的Kh因子。

1.8.6 电流分流器模式使用

通过一些简单的修改，71M6511/71M6511H演示板可以适应电流分流器/CT组合或单个分流器的操作。在这种模式下，整个演示板将处于线路电压，操作时必须避免触摸板或任何组件。同时，需要重新计算IMAX变量，并相应地调整WRATE以保持所需的Kh因子。

1.8.7 调整演示板以适应不同的分压器

演示板配备了用于电压测量的电阻分压器网络。如果要使用不同的分压器或外部电压互感器，可采用类似于电流互感器的缩放技术。例如，当使用电压互感器时，可根据公式计算分压器的比例，并选择合适的电阻组合来实现所需的比例。

1.9 校准参数

1.9.1 一般校准程序

71M6511/71M6511H芯片可以使用任何校准方法，本手册推荐使用三次或五次测量的校准方法，因为它们适用于大多数基于计数“脉冲”的手动校准系统。校准过程中得到的参数（校准常数）需要应用到芯片中，以实现准确的操作。可以使用命令行界面将校准常数存储在相应的CE RAM地址中。

1.9.2 校准宏文件

确定校准参数后，可以使用宏文件来简化将参数输入到芯片的过程。宏文件是一个简单的文本文件，包含一系列用于修改校准参数的串口接口命令。通过HyperTerminal程序的“Transfer” -> “Send Text File”命令可以执行宏文件。

1.9.3 更新6511_demo.hex文件

使用io_merge程序可以将宏文件中的值更新到6511_demo.hex文件中。执行该程序时，需要指定旧的hex文件、宏文件和新的hex文件的名称。新的hex文件可以通过ICE端口写入71M6511/71M6511H芯片，使校准永久生效。

1.9.4 在不使用ICE的情况下更新闪存中的校准数据

可以使用串口接口命令>]U将临时输入到CE RAM中的数据永久保存到闪存中。同样，也可以使用CLS命令将校准数据存储在EEPROM中。复位后，如果EEPROM中存在校准数据，则从EEPROM复制；否则，从闪存复制。

1.9.5 自动增益校准

从Demo Code版本3.04开始，可以进行简单的自动校准。校准步骤包括在I/O RAM中输入电压和电流的操作值，将操作电压和电流应用到电表，通过串口接口输入CLB命令开始校准。校准完成后，CE地址0x08和0x09将显示非0x4000的值，这些值可以通过CLS命令存储在EEPROM中。

1.9.6 将6511_demo.hex文件加载到演示板

71M6511/71M6511H芯片提供了一个用于将代码加载到内部闪存的接口，包括E_RXTX（数据）、E_TCLK（时钟）和E_RST（复位）信号。可以使用Signum Systems的ADM51在线仿真器或TERIDIAN Semiconductor提供的Flash Download Board Module（FDBM）进行闪存编程。在加载新文件之前，需要先擦除闪存内存。

1.9.7 71M6511/6511H的编程接口

闪存下载器或ICE与71M6511/6511H之间的通信需要E_TCLK（数据时钟）、E_RXTX（数据输入/输出）和E_RST（闪存下载器复位，低电平有效）信号。E_RST信号仅在启用这些接口信号时由闪存下载器驱动，其他时间应释放。

1.10 演示代码

1.10.1 演示代码描述

演示板出厂时在71M6511或71M6511H芯片中预加载了Demo Code版本3.0.4或更高版本。可以通过串口接口输入命令>i1来验证代码版本。演示代码提供了基本的计量功能，如脉冲生成、累计能量显示、频率和日期/时间显示等，还可以通过串口接口访问和修改各种电表参数。详细的演示代码描述可以在软件用户指南（SUG）中找到。

1.10.2 演示代码MPU参数

演示代码中，某些MPU XRAM参数被赋予了固定地址，以便于外部访问。这些参数包括输入参数、瞬时输出变量、状态字和累计输出变量等。通过串口接口可以读取和写入这些变量的值。

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数据内存，如清除累加器、切换脉冲源、设置IMAX和VMAX值、显示操作时间和累计能量等。此外，>]U命令可将当前CE RAM变量存储在闪存中，下次复位或上电时MPU将应用这些变量。

二、应用信息

2.1 校准理论

典型的电表存在相位和增益误差，校准过程就是测量这些误差并引入校正因子以消除其影响。对于三个未知量的确定，至少需要进行三次测量；如果进行更多测量，可以对结果进行平均。

2.1.1 三次测量校准

最简单的校准方法是进行三次测量，通常包括一次电压测量和两次瓦时（Wh）测量。通过测量得到的误差值，可以计算出电压增益系数Axv、电流增益系数Axi和相位误差(phi s)，进而计算出新的校准电压增益系数CAL_V_NEW、PHADJ和校准电流增益系数CAL_I_NEW。

2.1.2 五次测量校准

五次测量方法在增益和相位误差推导之间提供了更多的正交性。该方法涉及测量(E{V})、(E{0})、(E{180})、(E60)和(E{300})。通过这些测量值，可以计算出Axv、Axi和(phi_{S})，并得出新的校准系数。

2.2 校准程序

校准需要使用校准系统，该系统能够向被校准单元施加准确的电压、负载电流和负载角度，并以可重复的方式测量单元的响应。在进行校准之前，需要将电压和电流传感器正确连接到71M6511/6511H芯片，确保V3P3电源连接到电表中性线，并将每个电压和电流波形缩放至小于250mV（峰值）。

2.2.1 三次测量校准程序

校准程序包括将所有校准因子重置为默认值，施加RMS电压并记录电表的RMS读数，在0°和60°相位角下施加标称负载电流并测量Wh能量，计算新的校准因子，将新的校准因子应用到电表，测试电表的准确性，将新的校准因子存储在闪存中，以及进行温度补偿。

2.2.2 五次测量校准程序

五次测量校准程序与三次测量类似，只是需要在0°、60°、180°和 -60°（-300°）相位角下施加标称负载电流并测量Wh能量。

2.2.3 校准电子表格

TERIDIAN Semiconductor提供了校准电子表格，这些表格也包含在随演示套件提供的CD-ROM中。电子表格可以帮助我们更方便地计算校准因子。

2.2.4 补偿非线性

非线性在低电流时最为明显，可通过QUANT变量消除。QUANT的值可以根据公式(QUANT =-frac{frac{ error }{100} V cdot I}{V M A X cdot I M A X cdot L S B})计算得出，并写入CE位置0x2F。同样，VAR计算中的类似误差可以使用QUANT_VAR变量消除。

2.2.5 校准带有CT和分流电阻的电表

在许多情况下，为了防止篡改，会使用两个电流传感器。校准这种配置需要在常规校准的基础上进行一些额外的步骤。对于Demo Code版本3.04和3.05，校准过程略有不同，但都需要分别计算IMAX和WRATE参数，并进行准确性测试和校准因子的调整。

2.3 节能措施

在很多情况下，特别是使用电池供电时，需要将芯片的功耗降至最低。可以通过禁用CE、ADC、时钟测试输出、仿真器时钟等功能，以及设置闪存读取脉冲定时、禁用LCD电压升压电路等措施来实现节能。

2.4 原理图信息

2.4.1 V1引脚组件

71M6511/71M6511H的V1引脚不能留空，需要使用分压器确保V1在安全范围内。为了进行调试或加载代码，需要在R1上方设置类似JP1的接头，通过短路跳线将V1拉高到V3P3以禁用硬件看门狗定时器。

2.4.2 复位电路

演示板提供了一个复位按钮，用于在原型设计和调试软件时使用。在EMI环境中使用电路时，RESETZ引脚应配备外部组件，以确保复位的稳定性。

2.4.3 振荡器

71M6511的振荡器驱动一个标准的32.768kHz手表晶体，该晶体准确且不需要高电流振荡器电路。振荡器的功耗很低，以最大化连接到VBAT引脚的电池备份设备的使用寿命。

2.4.4 EEPROM

EEPROM应连接到引脚DIO4和DIO5，通过设置I/O RAM寄存器DIO_EEX（0x2008[4]）为1，可以将这些引脚从常规DIO切换为实现I2C接口。同时，需要为SCL和SDA信号提供3kΩ的上拉电阻。

2.4.5 LCD

71M6511具有片上LCD控制器，可控制静态或多路复用LCD。通过设置I/O RAM寄存器LCD_BSTEN为1，可以启动片上升压电路