智能電能表ESAM模塊的應(yīng)用異常分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

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(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(guó)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(shí)，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(wèn)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(huì)公信度。為此，根據(jù)實(shí)際工作中的情況，對(duì)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(duì)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(jiàn)。

1　應(yīng)用中的異常情況

在ESAM功能出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，智能電能表會(huì)將問(wèn)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(huì)點(diǎn)亮，紅色報(bào)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(cè)或掛網(wǎng)過(guò)程中，液晶上常顯錯(cuò)誤代碼“Err-02”(ESAM錯(cuò)誤)，在掉電重新上電后，該現(xiàn)象又消失。在該表整個(gè)掛網(wǎng)過(guò)程中，該現(xiàn)像隨機(jī)出現(xiàn)，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)；

2)智能電能表在檢測(cè)或掛網(wǎng)過(guò)程中，液晶上常顯錯(cuò)誤代碼“Err-02”，掉電重新上電后，該現(xiàn)象重現(xiàn)，且不會(huì)因?yàn)殡娔鼙淼拈L(zhǎng)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(huì)報(bào)Err-02的錯(cuò)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(gè)條件，一是通過(guò)VCC、GND腳獲得了穩(wěn)定的電源供給，二是通過(guò)RST腳獲得了正常復(fù)位信號(hào)，三是CLK時(shí)鐘信號(hào)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(shuō)明

針對(duì)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(shí)斷路造成，這樣就會(huì)造成ESAM功能永久失效，只有通過(guò)重新更換ESAM模塊或重新補(bǔ)焊來(lái)解決。

對(duì)于前一種現(xiàn)像，需要從兩個(gè)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(shí)，由于電源波動(dòng)，會(huì)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(shí)序如圖2所示。

圖中，ESAM模塊在電源和CLK時(shí)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(shí)間tb順利度過(guò)，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(dòng)，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(duì)ESAM而言相當(dāng)于本次復(fù)位時(shí)序被破壞，沒(méi)有形成完整的ESAM復(fù)位時(shí)序，此時(shí)ESAM可能處在異常狀態(tài)，不能響應(yīng)后續(xù)通訊請(qǐng)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(cuò)誤代碼“Err-02”就會(huì)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(guò)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(duì)于該表，費(fèi)控功能將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此該問(wèn)題的原因還是屬于設(shè)計(jì)缺陷所致。

2.2　時(shí)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(guò)程中需要有穩(wěn)定的時(shí)鐘，而時(shí)鐘源是由管理芯片通過(guò)CLK腳提供。CLK腳的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)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(shí)鐘源實(shí)際值與標(biāo)稱值的偏差會(huì)較大，而且在高低溫等惡劣環(huán)境下的時(shí)鐘穩(wěn)定性相對(duì)于常溫情況下有著更大的差異，從而造成ESAM模塊的工作時(shí)序出現(xiàn)問(wèn)題；二是CLK腳獲取的信號(hào)往往是管理芯片分頻后輸出的信號(hào)，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(hào)波形也會(huì)有所區(qū)別，這也會(huì)造成ESAM模塊的工作時(shí)序出現(xiàn)問(wèn)題。

如果復(fù)位過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)鐘源不穩(wěn)的情況，就會(huì)造成復(fù)位時(shí)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(cè)不到RST腳輸入的復(fù)位信號(hào)，也就可能對(duì)進(jìn)行熱復(fù)位沒(méi)有任何效果，從而報(bào)Err-02的錯(cuò)誤。即使是復(fù)位成功的情況下，也會(huì)因?yàn)闀r(shí)鐘源不穩(wěn)，導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)行ESAM通訊時(shí)出現(xiàn)無(wú)法連通或時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況。

3　設(shè)計(jì)上的優(yōu)化建議

3.1　針對(duì)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(guò)程中，應(yīng)有對(duì)ESAM模塊的復(fù)位操作，考慮到僅通過(guò)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(guò)程，確保ESAM模塊復(fù)位后能完全重新啟動(dòng)，這樣的話就需要對(duì)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(cuò)的情況下，可以同時(shí)控制電源和復(fù)位引腳，對(duì)ESAM進(jìn)行上電復(fù)位，這樣就能在不對(duì)表計(jì)進(jìn)行上掉電的情況下，對(duì)ESAM的復(fù)位故障進(jìn)行還原和恢復(fù)。

3.2　針對(duì)時(shí)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(guò)程中的穩(wěn)定性，通訊時(shí)序需要得到有效保證。首先提供給ESAM模塊的時(shí)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(shí)鐘源的穩(wěn)定，在元器件選型時(shí)，選擇品質(zhì)好的晶振，并且要對(duì)批量供貨晶振的一致性進(jìn)行管控。其次時(shí)序的波形要好，即方波的上升和下降沿時(shí)間要短，高低電平保持時(shí)要穩(wěn)定。有的通過(guò)晶振出來(lái)的波形要通過(guò)整形電路進(jìn)行處理；有的通過(guò)CPU腳分頻CPU時(shí)序出來(lái)的波形，如果要求輸出的頻率太高的話波形也會(huì)出現(xiàn)異常，需要進(jìn)行濾波甚至整形?？梢栽跁r(shí)序口加阻容低通濾波電路，由于EAMA的時(shí)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(duì)于ESAM報(bào)錯(cuò)的處理機(jī)制上，建議表計(jì)在處理過(guò)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(qǐng)求沒(méi)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(chǎng)ESAM出問(wèn)題的概率。

4　結(jié)束語(yǔ)

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(shì)。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(duì)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(duì)復(fù)位失敗及時(shí)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。

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