智能电能表ESAM模块的应用异常分析及设计优化

王　睿　钟慈祥　金雅珍　沈建强

(1.浙江省嘉兴电力局，嘉兴 314001； 2.浙江省宁波鄞州供电局，宁波 315100；3.浙江省绍兴电力局，绍兴 312000)

0　引言

自从国家电网公司公布《智能电能表信息交换安全认证技术规范》之后，ESAM模块就成为了智能电能表的关键元器件，得到广泛应用的同时，因为配合设计考虑不周或应用不当出现的一些问题，也导致ESAM的安全认证功能失效，从而影响电能表的正常使用和电力企业的社会公信度。为此，根据实际工作中的情况，对智能电能表ESAM模块出现的一些异常进行了分析总结，提出了一些技术改进方法。希望能对后期的电能表设计及安全运行提供一些建设性的帮助意见。

1　应用中的异常情况

在ESAM功能出现问题的情况下，智能电能表会将问题的原因即故障代码反馈在表计的液晶显示界面上，并且液晶的白色背光灯会点亮，红色报警灯常亮，一般而言该类故障表现出两种情况。

1)智能电能表在检测或挂网过程中，液晶上常显错误代码“Err-02”(ESAM错误)，在掉电重新上电后，该现象又消失。在该表整个挂网过程中，该现像随机出现，很难通过实验复现；

2)智能电能表在检测或挂网过程中，液晶上常显错误代码“Err-02”，掉电重新上电后，该现象重现，且不会因为电能表的长期使用而消失。

2　应用中的异常分析

智能表在什么情况下会报Err-02的错误呢？我们首先需要看一下ESAM模块的芯片示意图，如图1所示：

图1　ESAM模块管脚定义示意图

各管脚的定义如表1所示：

根据以上的管脚定义，ESAM模块在每次上电后能够正常使用，需要满足四个条件，一是通过VCC、GND脚获得了稳定的电源供给，二是通过RST脚获得了正常复位信号，三是CLK时钟信号的稳定，四是输入/输出脚的数据流能够正常传递。

表1　ESAM模块管脚定义说明

针对上节提到的后一种现像，这种情况极有可能是ESAM芯片损坏或者是上述引脚在生产焊接时断路造成，这样就会造成ESAM功能永久失效，只有通过重新更换ESAM模块或重新补焊来解决。

对于前一种现像，需要从两个方面进行分析：

2.1　复位失败造成的ESAM功能性故障

表计在上电复位时，由于电源波动，会导致ESAM芯片功能异常，继而使得ESAM芯片不能正常工作。

ESAM模块上电复位(冷复位)的时序如图2所示。

图中，ESAM模块在电源和CLK时钟源都加上的情况下，CPU将ESAM芯片RST脚置为低电平，准备执行复位，一旦RST的低电平保持时间tb顺利度过，则此次上电复位是成功的，ESAM模块能维持随后的正常工作。但是在RST低电平保持期间，如果ESAM模块的电源电压出现波动，比如出现电源电压跌落到ESAM模块正常工作电压以下后再重新上升的现象，那么，对ESAM而言相当于本次复位时序被破坏，没有形成完整的ESAM复位时序，此时ESAM可能处在异常状态，不能响应后续通讯请求，因此后面就不能正常工作。

如果是这种情况，表计只要重新上电，液晶显示上的错误代码“Err-02”就会消失，电能表的费控功能恢复正常。但是一旦此种表计在挂网过程中某一次上电出现复位失败，除非重新上掉电，否则对于该表，费控功能将无法实现，因此该问题的原因还是属于设计缺陷所致。

2.2　时钟源引起的ESAM功能性故障

在ESAM模块复位以及正常工作的过程中需要有稳定的时钟，而时钟源是由管理芯片通过CLK脚提供。CLK脚的时钟信号受到两方面的影响，一是管理芯片所采用的晶振，管理芯片的时钟源稳定性有赖于晶振的稳定性，采用品质差的晶振或完全采用芯片内部晶振，时钟源实际值与标称值的偏差会较大，而且在高低温等恶劣环境下的时钟稳定性相对于常温情况下有着更大的差异，从而造成ESAM模块的工作时序出现问题；二是CLK脚获取的信号往往是管理芯片分频后输出的信号，由于各电表厂家所采用的管理芯片本身的差异化影响，输出的信号波形也会有所区别，这也会造成ESAM模块的工作时序出现问题。

如果复位过程中出现时钟源不稳的情况，就会造成复位时间不够。这种情况导致ESAM模块工作出现异常，ESAM模块检测不到RST脚输入的复位信号，也就可能对进行热复位没有任何效果，从而报Err-02的错误。即使是复位成功的情况下，也会因为时钟源不稳，导致后续进行ESAM通讯时出现无法连通或时断时续的情况。

3　设计上的优化建议

3.1　针对复位失败造成的ESAM功能性故障的优化建议

表计在运行过程中，应有对ESAM模块的复位操作，考虑到仅通过复位引脚的控制有可能不能完全解除ESAM的故障，复位操作应模拟上电复位的全过程，确保ESAM模块复位后能完全重新启动，这样的话就需要对ESAM的供电电源进行控制，即采用带电源的复位控制电路，如图3中设计方式所示。

图3　ESAM模块的电源控制电路

采用以上的设计，表计在ESAM出错的情况下，可以同时控制电源和复位引脚，对ESAM进行上电复位，这样就能在不对表计进行上掉电的情况下，对ESAM的复位故障进行还原和恢复。

3.2　针对时钟源引起的ESAM功能性故障的优化建议

要维持ESAM模块在运行过程中的稳定性，通讯时序需要得到有效保证。首先提供给ESAM模块的时钟频率一定要在4MHz左右，这样的话通讯速率才能保证，这就需要保证时钟源的稳定，在元器件选型时，选择品质好的晶振，并且要对批量供货晶振的一致性进行管控。其次时序的波形要好，即方波的上升和下降沿时间要短，高低电平保持时要稳定。有的通过晶振出来的波形要通过整形电路进行处理；有的通过CPU脚分频CPU时序出来的波形，如果要求输出的频率太高的话波形也会出现异常，需要进行滤波甚至整形。可以在时序口加阻容低通滤波电路，由于EAMA的时序最大值在5MHz左右，我们将20MHz以上频率的波形进行滤除，电阻的选值在100Ω左右，我们选择47Ω，根据f=1/2p RC，电容值为169pF。如图4所示：

图4　ESAM模块的外围电路

3.3　其他建议

对于ESAM报错的处理机制上，建议表计在处理过程中多判断几次，比如连续3次操作ESAM(复位或扣费请求没有得到响应)有异常。则再判断ESAM故障，可有效的减少现场ESAM出问题的概率。

4　结束语

伴随着“坚强智能电网”的建设，智能电能表作为构建智能电网的基础单元，亟待在信息交互和控制方面更能体现出“智能”的优势。目前在电能表中嵌入ESAM(安全模块)芯片成为了智能电能表设计的主流方式，本文针对智能电能表ESAM模块在实际应用中出现的异常情况进行了详细的分析并针对复位失败及时钟源引起的ESAM功能性故障等，提出一些设计上的优化建议，为保障智能电能表海量信息交互的安全，提供强有力的保障。

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[2]ICS 364—2009 1级三相智能电能表技术规范[S]

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