王　睿　鐘慈祥　金雅珍　沈建強(qiáng)

(1.浙江省嘉興電力局，嘉興 314001； 2.浙江省寧波鄞州供電局，寧波 315100；3.浙江省紹興電力局，紹興 312000)

0　引言

自從國家電網(wǎng)公司公布《智能電能表信息交換安全認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》之后，ESAM模塊就成為了智能電能表的關(guān)鍵元器件，得到廣泛應(yīng)用的同時，因?yàn)榕浜显O(shè)計(jì)考慮不周或應(yīng)用不當(dāng)出現(xiàn)的一些問題，也導(dǎo)致ESAM的安全認(rèn)證功能失效，從而影響電能表的正常使用和電力企業(yè)的社會公信度。為此，根據(jù)實(shí)際工作中的情況，對智能電能表ESAM模塊出現(xiàn)的一些異常進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了一些技術(shù)改進(jìn)方法。希望能對后期的電能表設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供一些建設(shè)性的幫助意見。

1　應(yīng)用中的異常情況

在ESAM功能出現(xiàn)問題的情況下，智能電能表會將問題的原因即故障代碼反饋在表計(jì)的液晶顯示界面上，并且液晶的白色背光燈會點(diǎn)亮，紅色報警燈常亮，一般而言該類故障表現(xiàn)出兩種情況。

1)智能電能表在檢測或掛網(wǎng)過程中，液晶上常顯錯誤代碼“Err-02”(ESAM錯誤)，在掉電重新上電后，該現(xiàn)象又消失。在該表整個掛網(wǎng)過程中，該現(xiàn)像隨機(jī)出現(xiàn)，很難通過實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)；

2)智能電能表在檢測或掛網(wǎng)過程中，液晶上常顯錯誤代碼“Err-02”，掉電重新上電后，該現(xiàn)象重現(xiàn)，且不會因?yàn)殡娔鼙淼拈L期使用而消失。

2　應(yīng)用中的異常分析

智能表在什么情況下會報Err-02的錯誤呢？我們首先需要看一下ESAM模塊的芯片示意圖，如圖1所示：

圖1　ESAM模塊管腳定義示意圖

各管腳的定義如表1所示：

根據(jù)以上的管腳定義，ESAM模塊在每次上電后能夠正常使用，需要滿足四個條件，一是通過VCC、GND腳獲得了穩(wěn)定的電源供給，二是通過RST腳獲得了正常復(fù)位信號，三是CLK時鐘信號的穩(wěn)定，四是輸入/輸出腳的數(shù)據(jù)流能夠正常傳遞。

表1　ESAM模塊管腳定義說明

針對上節(jié)提到的后一種現(xiàn)像，這種情況極有可能是ESAM芯片損壞或者是上述引腳在生產(chǎn)焊接時斷路造成，這樣就會造成ESAM功能永久失效，只有通過重新更換ESAM模塊或重新補(bǔ)焊來解決。

對于前一種現(xiàn)像，需要從兩個方面進(jìn)行分析：

2.1　復(fù)位失敗造成的ESAM功能性故障

表計(jì)在上電復(fù)位時，由于電源波動，會導(dǎo)致ESAM芯片功能異常，繼而使得ESAM芯片不能正常工作。

ESAM模塊上電復(fù)位(冷復(fù)位)的時序如圖2所示。

圖中，ESAM模塊在電源和CLK時鐘源都加上的情況下，CPU將ESAM芯片RST腳置為低電平，準(zhǔn)備執(zhí)行復(fù)位，一旦RST的低電平保持時間tb順利度過，則此次上電復(fù)位是成功的，ESAM模塊能維持隨后的正常工作。但是在RST低電平保持期間，如果ESAM模塊的電源電壓出現(xiàn)波動，比如出現(xiàn)電源電壓跌落到ESAM模塊正常工作電壓以下后再重新上升的現(xiàn)象，那么，對ESAM而言相當(dāng)于本次復(fù)位時序被破壞，沒有形成完整的ESAM復(fù)位時序，此時ESAM可能處在異常狀態(tài)，不能響應(yīng)后續(xù)通訊請求，因此后面就不能正常工作。

如果是這種情況，表計(jì)只要重新上電，液晶顯示上的錯誤代碼“Err-02”就會消失，電能表的費(fèi)控功能恢復(fù)正常。但是一旦此種表計(jì)在掛網(wǎng)過程中某一次上電出現(xiàn)復(fù)位失敗，除非重新上掉電，否則對于該表，費(fèi)控功能將無法實(shí)現(xiàn)，因此該問題的原因還是屬于設(shè)計(jì)缺陷所致。

2.2　時鐘源引起的ESAM功能性故障

在ESAM模塊復(fù)位以及正常工作的過程中需要有穩(wěn)定的時鐘，而時鐘源是由管理芯片通過CLK腳提供。CLK腳的時鐘信號受到兩方面的影響，一是管理芯片所采用的晶振，管理芯片的時鐘源穩(wěn)定性有賴于晶振的穩(wěn)定性，采用品質(zhì)差的晶振或完全采用芯片內(nèi)部晶振，時鐘源實(shí)際值與標(biāo)稱值的偏差會較大，而且在高低溫等惡劣環(huán)境下的時鐘穩(wěn)定性相對于常溫情況下有著更大的差異，從而造成ESAM模塊的工作時序出現(xiàn)問題；二是CLK腳獲取的信號往往是管理芯片分頻后輸出的信號，由于各電表廠家所采用的管理芯片本身的差異化影響，輸出的信號波形也會有所區(qū)別，這也會造成ESAM模塊的工作時序出現(xiàn)問題。

如果復(fù)位過程中出現(xiàn)時鐘源不穩(wěn)的情況，就會造成復(fù)位時間不夠。這種情況導(dǎo)致ESAM模塊工作出現(xiàn)異常，ESAM模塊檢測不到RST腳輸入的復(fù)位信號，也就可能對進(jìn)行熱復(fù)位沒有任何效果，從而報Err-02的錯誤。即使是復(fù)位成功的情況下，也會因?yàn)闀r鐘源不穩(wěn)，導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)行ESAM通訊時出現(xiàn)無法連通或時斷時續(xù)的情況。

3　設(shè)計(jì)上的優(yōu)化建議

3.1　針對復(fù)位失敗造成的ESAM功能性故障的優(yōu)化建議

表計(jì)在運(yùn)行過程中，應(yīng)有對ESAM模塊的復(fù)位操作，考慮到僅通過復(fù)位引腳的控制有可能不能完全解除ESAM的故障，復(fù)位操作應(yīng)模擬上電復(fù)位的全過程，確保ESAM模塊復(fù)位后能完全重新啟動，這樣的話就需要對ESAM的供電電源進(jìn)行控制，即采用帶電源的復(fù)位控制電路，如圖3中設(shè)計(jì)方式所示。

圖3　ESAM模塊的電源控制電路

采用以上的設(shè)計(jì)，表計(jì)在ESAM出錯的情況下，可以同時控制電源和復(fù)位引腳，對ESAM進(jìn)行上電復(fù)位，這樣就能在不對表計(jì)進(jìn)行上掉電的情況下，對ESAM的復(fù)位故障進(jìn)行還原和恢復(fù)。

3.2　針對時鐘源引起的ESAM功能性故障的優(yōu)化建議

要維持ESAM模塊在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，通訊時序需要得到有效保證。首先提供給ESAM模塊的時鐘頻率一定要在4MHz左右，這樣的話通訊速率才能保證，這就需要保證時鐘源的穩(wěn)定，在元器件選型時，選擇品質(zhì)好的晶振，并且要對批量供貨晶振的一致性進(jìn)行管控。其次時序的波形要好，即方波的上升和下降沿時間要短，高低電平保持時要穩(wěn)定。有的通過晶振出來的波形要通過整形電路進(jìn)行處理；有的通過CPU腳分頻CPU時序出來的波形，如果要求輸出的頻率太高的話波形也會出現(xiàn)異常，需要進(jìn)行濾波甚至整形。可以在時序口加阻容低通濾波電路，由于EAMA的時序最大值在5MHz左右，我們將20MHz以上頻率的波形進(jìn)行濾除，電阻的選值在100Ω左右，我們選擇47Ω，根據(jù)f=1/2p RC，電容值為169pF。如圖4所示：

圖4　ESAM模塊的外圍電路

3.3　其他建議

對于ESAM報錯的處理機(jī)制上，建議表計(jì)在處理過程中多判斷幾次，比如連續(xù)3次操作ESAM(復(fù)位或扣費(fèi)請求沒有得到響應(yīng))有異常。則再判斷ESAM故障，可有效的減少現(xiàn)場ESAM出問題的概率。

4　結(jié)束語

伴隨著“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的建設(shè)，智能電能表作為構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，亟待在信息交互和控制方面更能體現(xiàn)出“智能”的優(yōu)勢。目前在電能表中嵌入ESAM(安全模塊)芯片成為了智能電能表設(shè)計(jì)的主流方式，本文針對智能電能表ESAM模塊在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析并針對復(fù)位失敗及時鐘源引起的ESAM功能性故障等，提出一些設(shè)計(jì)上的優(yōu)化建議，為保障智能電能表海量信息交互的安全，提供強(qiáng)有力的保障。

[1]ICS 364—2009單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S]

[2]ICS 364—2009 1級三相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S]

[3]ICS 364—2009 0.5級三相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S]

[4]JJG 596—1999 電子式電能表檢定規(guī)程[S]

[5]DL/T 645—2007 多功能電能表通訊協(xié)議[S]

[6]王耀.ESAM模塊及其在卡表中的應(yīng)用[J].城市燃?xì)猓?003，337(3)

[7]田寶民.基于ESAM的嵌入式軟件版權(quán)保護(hù)解決方案[J].電子質(zhì)量，2001(10)