71M6513/71M6513H Demo Board：开启三相电子功率计量评估之旅

在电子工程师的世界里，对于三相电子功率计量应用的评估是一项至关重要的工作。而TERIDIAN Semiconductor Corporation的71M6513/71M6513H Demo Board，无疑为我们提供了一个强大而便捷的工具。今天，就让我们深入了解这款演示板，探索它的各项特性和使用方法。

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一、入门指南

1.1 概述

71M6513/71M6513H Demo Board是用于评估71M6513/71M6513H器件在三相电子功率计量应用中的性能的演示板。它集成了71M6513或71M6513H集成电路、串行EEPROM、仿真器端口、板载电源等外围电路，还配备了一个调试板，可通过RS232端口与PC连接。该演示板能够帮助我们评估71M6513或71M6513H能量计量芯片的测量精度和整体系统应用。

1.2 安全与ESD注意事项

在操作演示板时，安全至关重要。连接带电电压到演示板系统会导致演示板上出现潜在的危险电压。因此，在操作之前，务必移除JP2和JP3上的跳线（如果安装了）。同时，建议使用调试板自带的电源。此外，该演示系统对静电敏感，处理演示板时需采取ESD防护措施。一旦演示板连接到带电电压，操作时要格外小心。

1.3 演示套件内容

演示套件包含以下内容：

• 带有71M6513/71M6513H IC和预加载演示程序的演示板，有D6513T3B2（标准多相）、D6513T3C1（具有中性电流检测功能的多相）等版本。
• 调试板
• 两个5VDC/1,000mA通用壁式变压器，带2.5mm插头
• 2m长的DB9串行电缆
• 包含文档（数据手册、电路板原理图、物料清单、布局）、演示代码（源代码和可执行文件）和实用工具的CD-ROM

1.4 演示板版本

演示板有以下几种版本：

• D6513T3B2（标准版）
• D6513T3C1（具有中性电流检测功能）
• D6513T3D2（两层PCB，具有中性电流检测功能）

1.5 兼容性

本手册适用于以下硬件和软件版本：

• 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 建议设备（不包含在套件中）

• 功能演示：配备RS232端口（COM端口）的PC，运行MS-Windows XP、ME或2000系统。
• 软件开发（MPU代码）：Signum ICE（在线仿真器）ADM - 51和Keil 8051 “C”编译器套件CA51。

1.7 演示板测试设置

1.7.1 电源设置

演示板有多种电源选择：

• 内部电源（使用交流线路电压的A相），仅适用于A相电压超过220V RMS的情况。
• 演示板上的外部5VDC连接器（J1）
• 调试板上的外部5VDC连接器（J1）

三个电源跳线JP1、JP2和JP3（JP2/JP3仅在D6513T3B2演示板上提供）必须与电源选择一致。JP1通常保持连接，JP2和JP3应保持断开。

1.7.2 串行连接电缆（调试板）

连接DB9串行端口到PC时，可以使用直连电缆或“零调制解调器”电缆。直连电缆使用时，JP1和JP2插入，JP3/JP4为空；“零调制解调器”电缆使用时，跳线配置相反。

1.7.3 检查操作

上电几秒钟后，演示板上的LCD显示屏应显示“HELLO”消息，随后显示累计能量。如果J2的3和5触点用跳线短接（或按下调试板上的“DISPLAY SEL”开关SW2并按住），显示屏将显示一系列递增的数字（1到12），在数字10处显示默认日期（2001.01.01）。调试板插入演示板的J2后，调试板上的LED DIO1将以1Hz的频率闪烁，指示CE活动；LED DIO0将以5Hz的频率闪烁，指示MPU活动。

1.7.4 串行连接设置

将DB9串行端口连接到PC后，启动HyperTerminal应用程序，并使用以下参数创建会话：

• 端口速度：9600波特
• 数据位：8
• 奇偶校验：无
• 停止位：1
• 流控制：XON/XOFF

1.8 使用演示板

71M6513/71M6513H演示板是一个可直接使用的电表，可与外部电流互感器配合使用。使用演示板涉及通过命令行界面（CLI）与演示代码进行通信，CLI允许对计量参数进行各种操作，如访问EEPROM、启动自动校准序列、选择显示参数、更改校准因子等。

1.8.1 串行命令语言

演示代码提供了一种方便的方式来检查和修改关键电表参数。连接演示板到PC或终端后，输入“?”将显示命令列表。不同版本的演示代码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 使用演示板进行能量测量

演示板设计用于与电流互感器配合使用，可立即与匝数比为2000:1的电流互感器配合使用，预编程的Kh因子为3.2。施加电压并使负载电流流动后，红色LED D5每收集3.2Wh的能量总和就会闪烁一次；红色LED D6每收集3.2VARh的能量总和就会闪烁一次。通过串行接口设置为显示模式3（命令>M3），LCD显示屏将显示累计的Wh能量；设置为显示模式5（命令>M5），将显示累计的VARh能量。

1.8.3 调整演示板的Kh因子

演示板出厂时预编程的Kh因子为3.2。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值可以通过读取IMAX和VMAX的值，并代入相应公式计算得出。

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电流互感器，需要根据公式计算并更换相应的电阻，同时调整WRATE以实现所需的Kh因子。

1.8.5 调整演示板以适应不同的电压分压器

演示板配备了用于电压测量的电阻分压器网络。如果需要使用不同的电压分压器或外部电压互感器，应采用类似于电流互感器的缩放技术。如果使用电压互感器，可能会引入相移，需要进行负相角补偿。

1.9 校准参数

1.9.1 通用校准程序

71M6513/71M6513H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，需要将校准参数应用到芯片中，以实现准确的操作。

1.9.2 校准宏文件

校准宏文件是一个包含串行接口命令序列的简单文本文件，可以使用记事本或等效的ASCII编辑器创建。通过HyperTerminal的“Transfer->Send Text File”命令执行该文件，可以临时更改CE数据值。

1.9.3 更新6513_demo.hex文件

使用io_merge程序可以将宏文件中的值更新到6513_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。新的hex文件可以通过ICE端口写入71M6513/71M6513H芯片，使校准永久生效。

1.9.4 在不使用ICE或编程器的情况下更新闪存中的校准数据

可以使用串行接口命令“>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到EEPROM中。

1.9.5 自动增益校准

从Demo Code revision 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，施加相应的电压和电流，通过串行接口输入CLB命令，校准完成后，LCD显示“HELLO”消息。校准结果可以存储在EEPROM中。

1.9.6 将6513_demo.hex文件加载到演示板中

71M6513/71M6513H IC提供了一个用于将代码加载到内部闪存的接口。编程闪存需要特定的在线仿真器或闪存编程器。在加载新文件之前，需要先擦除闪存中的现有固件。

1.9.7 71M6513/71M6513H的编程接口

闪存下载器/ICE接口信号包括E_RXTX（数据）、E_TCLK（时钟）和E_RST（复位）。这些信号以及V3P3和GND可在仿真器接头J14上找到。

1.10 演示代码

1.10.1 演示代码描述

演示板预加载了Demo Code revision 3.04或更高版本的代码。可以通过串行接口输入命令“>i1”来验证代码版本。演示代码提供了基本的计量功能、实时时钟功能，允许通过串行接口访问和修改各种电表参数，还提供了访问低级别IC功能的库，可作为代码开发的构建块。

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、输出变量和状态字等，可通过串行接口进行读写操作。

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数据内存，如清除累加器、设置IMAX和VMAX寄存器的值、显示操作时间和累计能量等。

1.10.4 用于中性检测的演示代码（演示板D6513T3C1）

中性电流测量通过连接到辅助模拟输入V3引脚的第四电流互感器进行。中性电流可以通过交替多路复用周期进行读取，采样率可以通过修改MPU（XDATA）地址ALT_MUX_RATE来调整。中性电流可以在显示屏上显示，CLI命令“M”中的相位4表示中性电流。

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，校准过程中需要测量这些误差并引入校正因子以消除其影响。根据测量次数的不同，校准方法可分为三次测量和五次测量两种。

2.1.1 三次测量校准

三次测量校准方法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，可以计算出校准电压增益系数、PHADJ和校准电流增益系数。

2.1.2 五次测量校准

五次测量校准方法提供了增益和相位误差推导之间更好的正交性。该方法涉及测量EV、E0、E180、E60和E300，通过这些测量值可以计算出校准电压增益系数、PHADJ和校准电流增益系数。

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被校准单元的响应。校准过程中，每个电表相位必须单独进行校准。

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，施加电压并记录电表的RMS读数，施加标称负载电流并记录不同相位角下的Wh能量误差，计算新的校准因子，应用新的校准因子，测试电表的准确性，将新的校准因子存储在闪存中，以及对每个相位重复上述步骤。

2.2.2 五次测量校准程序

五次测量校准程序与三次测量校准程序类似，但需要在更多的相位角下测量Wh能量误差。

2.2.3 罗果夫斯基线圈传感器的校准程序

TERIDIAN Semiconductor提供了与罗果夫斯基线圈兼容的CE代码。校准程序包括基本校准和电压抵消两个步骤，基本校准可以采用三次或五次测量的校准方法，电压抵消步骤用于消除低电流下的电压耦合误差。

2.2.4 校准电子表格

TERIDIAN Semiconductor提供了校准电子表格，可用于CT和分流器校准以及罗果夫斯基线圈校准。在电子表格中输入测量结果，即可计算出校准因子。

2.2.5 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的值可以通过公式计算得出，并写入CE位置0x2F。同样，VAR计算中的类似误差可以通过QUANT_VAR变量消除。

2.3 节能措施

在许多情况下，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、时钟测试输出等措施来实现节能。

2.4 原理图信息

2.4.1 V1引脚的组件

71M6513/71M6513H的V1引脚不能悬空，应使用电压分压器确保V1在安全范围内。在调试或加载代码时，需要使用跳线将V1拉高到V3P3以禁用硬件看门狗定时器。

2.4.2 复位电路

演示板提供了复位按钮，可用于原型设计和调试软件。在EMI环境中使用时，RESETZ引脚应配备外部组件，以确保复位信号的稳定性。

2.4.3 振荡器

71M6513的振荡器驱动一个标准的32.768kHz手表晶体，该晶体精度高，功耗低。不需要在晶体两端放置外部电阻，电容值应小于15pF。

2.4.4 EEPROM

EEPROM应连接到DIO4和DIO5引脚，通过设置I/O RAM寄存器DIO_EEX为1，可以将这些引脚切换为I2C接口。SCL和SDA信号需要提供3kΩ的上拉电阻。

2.4.5 LCD

71M6513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可以启动片上升压电路，为LCD提供5VDC电压。

2.4.6 光学接口

71M6513 IC配备了两个支持光学接口的引脚OPT_TX和OPT_RX。OPT_TX引脚可用于驱动视觉或红外LED，OPT_RX引脚可连接到光电晶体管的集电极。

2.4.7 连接RX引脚

RX引脚的行为与651X系列计量IC的其他数字输入略有不同。该引脚内部钳位到V3P3电源，输入电压应避免在0.8V到1.6V之间。如果输入电压高于3.6V，应使用电阻衰减器来限制输入电压。

2.4.8 连接V3引脚

如果V3引脚不用于传感或测量目的，应将其悬空或连接到VREF引脚。

2.5 测试演示板

2.5.1 功能电表测试

功能电表测试是演示板集成到演示套件之前必须通过的测试。该测试将实际的高电压和电流信号应用到演示板上，通过校准系统测量电表的脉冲输出，并与预期输出进行比较。

2.5.2 EEPROM

可以使用演示代码的串行命令行接口（CLI）测试EEPROM。通过一系列CLI命令，可以将文本字符串写入EEPROM并读取出来。

2.5.3 RTC

可以使用演示代码的CLI测试71M6513/71M6513H IC内部的RTC。通过设置RTC并检查时间和日期，可以验证RTC的功能。

2.5.4 硬件看门狗定时器

当V1引脚的电压为3.3V（V3P3）时，71M6513/71M6513H的硬件看门狗定时器被禁用。在编程闪存或使用ADM51在线仿真器时，需要插入跳线禁用硬件看门狗定时器。

2.5.5 LCD

可以使用演示代码的CLI对LCD接口进行各种测试，如启用或禁用LCD显示、调整LCD时钟频率等。

2.6 TERIDIAN应用笔记

TERIDIAN提供了一系列应用笔记，包括罗果夫斯基线圈、光学端口、温度补偿等方面的内容。可以联系当地的TERIDIAN销售代表获取这些应用笔记。

三、硬件描述

3.1 D6513T3B2板描述：跳线、开关和测试点

D6513T3B2演示板包含多个跳线、开关