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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

自從國家電網(wǎng)公司公布《智能電能表信息交換安全認證技術(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，因為配合設(shè)計考慮不周或應(yīng)用不當出現(xiàn)的一些問題，也導(dǎo)致ESAM的安全認證功能失效，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)的一些異常進行了分析總結(jié)，提出了一些技術(shù)改進方法。希望能對后期的電能表設(shè)計及安全運行提供一些建設(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的液晶顯示界面上，并且液晶的白色背光燈會點亮，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)像隨機出現(xiàn)，很難通過實驗復(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)，且不會因為電能表的長期使用而消失。

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模塊或重新補焊來解決。

對于前一種現(xiàn)像，需要從兩個方面進行分析：

2.1　復(fù)位失敗造成的ESAM功能性故障

表計在上電復(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，電能表的費控功能恢復(fù)正常。但是一旦此種表計在掛網(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，費控功能將無法實現(xiàn)，因此該問題的原因還是屬于設(shè)計缺陷所致。

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，時鐘源實際值與標稱值的偏差會較大，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，也會因為時鐘源不穩(wěn)，導(dǎo)致后續(xù)進行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

表計在運行過程中，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的供電電源進行控制，即采用帶電源的復(fù)位控制電路，如圖3中設(shè)計方式所示。

圖3　ESAM模塊的電源控制電路

采用以上的設(shè)計，表計在ESAM出錯的情況下，可以同時控制電源和復(fù)位引腳，對ESAM進行上電復(fù)位，這樣就能在不對表計進行上掉電的情況下，對ESAM的復(fù)位故障進行還原和恢復(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，需要進行濾波甚至整形?？梢栽跁r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報錯的處理機制上，建議表計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“堅強智能電網(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)計的主流方式，本文針對智能電能表ESAM模塊在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的異常情況進行了詳細的分析并針對復(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，提供強有力的保障。

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