STM32F103xx系列单片机介绍

STM32F103xx系列单片机介绍

STM32F103xx增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC 内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

1、结构与功能

■内核：ARM32位的Cortex?-M3CPU

?72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存储器

?支持单周期乘法和硬件除法

■存储器

?从32K字节至512K字节的闪存程序存储器（STM32F103xx中的第二个x表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）

?从6K字节至64K字节的SRAM

■时钟、复位和电源管理

?2.0至3.6伏供电和I/O管脚

?上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)

?内嵌4至16MHz高速晶体振荡器

?内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器

?内嵌40kHz的RC振荡器

?PLL供应CPU时钟

?带校准功能的32kHzRTC振荡器

■低功耗

?睡眠、停机和待机模式

?VBAT为RTC和后备寄存器供电

■2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)

?转换范围：0至3.6V

?双采样和保持功能

?温度传感器

■DMA

?7通道DMA控制器

?支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART

■多达80个快速I/O口

?26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口

?所有I/O口可以映像到16个外部中断

■调试模式

?串行线调试(SWD)和JTAG接口

■多达7个定时器

?多达3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道

?16位6通道高级控制定时器

?多达6路PWM输出

?死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动

?2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)

?系统时间定时器：24位自减型

■多达9个通信接口

?多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)

?多达3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制

?多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)

?CAN接口(2.0B主动)

?USB2.0全速接口

■ECOPACK?封装（兼容RoHS）

2、特点概述

ARM?的Cortex?-M3核心

ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，通常在8和16位系统的存储空间上得以体现ARM核心的高性能。

STM32F103xx增强型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。

嵌入式Flash存储器和RAM存储器

最新STM32F103xE型拥有高达512K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。

模拟/数字转换器（ADC）

STM32F103xx增强型产品内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC有多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，转换在选定的一组模拟输入上自动进行。

ADC接口上额外的逻辑功能允许：

1、同时采样和保持；

2、交叉采样和保持；

3、单次采样。

模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。由标准定时器(TIMx)和高级控制定时器(TIM1)产生的事件，可以分别内部级联到ADC的开始触发、外部触发和DMA触发，以使应用程序能同步AD转换和时钟。

可变静态存储器（FSMC）

FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持一下模式：Flash、RAM、PSRAM、NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。

嵌套矢量中断控制器（NVIC）

可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。

外部中断/事件控制器（EXTI）

外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

时钟和启动

在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU 时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。

Boot模式

在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

电源供电方案

VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，

电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。

电源管理

设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD 或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU 置为一个安全状态。PVD由软件使能。

电压调节

调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。

低功耗模式

STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSERC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。PLL,HSI 和HSERC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。

3.详细介绍一款实际工作中智能仪表（要求原理30%、功能20%和应用10%）。

单相费控智能电能表介绍

1、单相费控智能电能表的总体结构

在对智能电能表硬件系统进行设计时，按照各自不同的功能，我们可以将其划分为若干模块，因此在系统硬件设计时，采用模块化的设计方案。按照各部分实现的不同功能，系统硬件部分整体结构包括以下几部分：信号采样部分、电能计量部分、MCU部分、液晶显示部分、时钟部分、存储部分、电源部分、485通信部分、红外通信部分、ESAM安全块、继电器控制以及脉冲信号输出等几部分组成。系统硬件整体结构框图如下：

图1 系统硬件整体结构框图

单相费控智能电能表的基本原理是：被测交流电压和交流电流经过高精度采样后送到专用电能计量芯片（即图中ATT7053A）经过一系列数字处理，转换成与有功功率成正比的脉冲信号，并进行脉冲输出，微处理器（78K0527A）将脉冲信号依据所属时段进行分时累计，得到总电量和各时段电量，并将结果保存到E2PROM中。同时完成相关数据的显示以及与远程上位机的通讯。

⑴在整个系统中，微控制器（即MCU）部分是系统控制核心，通过SPI和I2C总线方式与外部相关模块进行通信，控制着其外围各模块的运行状态。

⑵计量模块采用高精度的电能专用计量芯片，完成对采样电压和电流信号进行相关运算和处理，实现功率测量并进行脉冲信号输出等。计量芯片是整个电能计量的核心部分。

⑶时钟模块部分能为电表提供精确的计时，微控制器通过I2C方式每间隔一定时间读取

当前的时间，并计算得出当前该时刻所对应的费率时段，从而实现分时段的电能计量。

⑷电源部分为整个电能表系统提供电源，主要是通过整流，将电表所在的供电线路中的220伏高压交流电，转换为可供系统直接使用的低压直流电。另一方面，为保证在意外或突发故障情况下整个电表系统能正常工作，在设计时为其提供备用电源，通常为锂电池，以确保整个系统的正常运行。

⑸ESAM安全模块嵌入在单相电表内，实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能，是单相电能表必不可少的组成部分。

⑹存储器部分，系统在设计时采用EEPROM，即可擦可编程只读存储器，用于大量数据的存储和记录，同时能保证在各种意外和突发事故造成的掉电情况下，用户用电数据的不消失和长期存储。

⑺LCD显示部分，对于本地费控电能表，用于显示电压、电流、功率、时间、剩余金额、阶梯电价等信息，以及电表编程状态、故障等标志。同时，LCD显示具备自动循环显示和按键循环显示两种方式。其中，自动循环显示是指按照一定的顺序显示出与用户电费密切相关的电能信息，按键循环显示是指用户可以根据需要通过按操作来显示自己比较关心的电能相关信息；而对于远程费控电能表，电费的计量在远程售电系统中完成，表内不显示与电费、电价相关信息，在国家电网相关规范中，单相远程费控智能电能表默认的显示项如下表所示：

⑻继电器控制部分用于接收远程售电系统下发的拉、合闸命令，通过继电器的通断来实现对用户用电情况的控制。

⑼红外通信部分，通过传输，完成与掌上抄表机之间的数据传输，从而实现电力部门抄表工作人员对用户电能表数据的抄读。

⑽RS485通信部分，通过485总线实现电能表数据与远程售电系统计算机的通信功能，同时，电能表中的单片机也可接收上位机下发的远程拉合闸命令，从而实现相关的远程控制功能。

⑾脉冲、拉闸、报警部分为LED状态指示灯。其中，脉冲指示灯为红色，当电能表每采样计量一个脉冲时，脉冲指示灯点亮一次；拉闸指示灯为黄色，平时处于熄灭状态，当负荷开关处于断开状态时，拉闸指示灯亮；报警指示灯为红色，正常情况下处于熄灭状态，当报警时，处于常亮状态，以提醒和警示用户相关信息。

微控制器78K0527A

在整个系统中，微控制器即MCU是核心控制部件，电能表系统中微控制器主要功能包

括从电能计量芯片读取相关电能数据以及信息的处理、累计脉冲计数、从时钟模块读取相应时间、电能数据的报警和显示、电能数据的通信和远程传输等。其性能的高低直接关系到电能功能功能的实现。因此，选择一款高性能的MCU，对整个电能表系统功能的实现，起着至关重要的作用。根据硬件系统的整体结构框图，MCU的选择应考虑到以下几个方面：

⑴要有足够大的存储空间；

⑵要有足够多的通用输入输出接口；

⑶较低的功耗；

⑷具有串行通信接口；

⑸具有功能强大的定时/计数器；

⑹较高的性价比。

综合考虑以上各方面因素，在MCCU的选择上，采用78K0系列8位微控制器，78K0系列单片机是一种功能强大，同时有着较高性价比的高性能微控制器。该系列单片机功耗低、精度高、内置上电复位清零电路以及独立源看门狗电路，广泛应用于智能仪表，工业控制，汽车电子等领域。而本系统在硬件设计时，选择78K0527A作为系统的控制核心NEC开发的78K0系列MCU的主要特性包括有时钟监视器的安全保险电路和独立于主时钟的内部时钟，看门狗计时器，片内振荡器以及低电压指示器功能。此外，一些拥有更多引脚的78K0系列MCU具有用来进行软件开发的片内调试器功能，能用真实的MCU来进行软件开发，从而使开发实际情况更加接近。78K0系列MCU工作速度20MHz，CPU处理速度比10MHz的78K0系列MCU增加了100%。78K0系列MCU有片内安全功能，能检测到由电磁干扰或静电所引起的误操作，使系统更加安全和可靠。与其他类型的单片机相比，NEC的78K0系列MCU最大特点：

⑴内置高精度的环形振荡器，在特定的温度范围内，精度可达到0.1%。

⑵功耗低，宽电压范围，抗干扰能力强。

⑶具有I2C和SPI串行总线接口。

⑷带有功能强大的定时/计数器。

⑸支持在线编程。

⑹自带仿真工具和程序烧写功能。

⑺内置上电复位清零电路，低电压侦测电路和独立源看门狗电路，无需其他外围元件的配合。

⑻多个保护模块：看门狗电路、时钟监控、低压报警等，能保证整个系统的工作可靠。

⑼低价位开发工具，便捷的开发环境。

⑽比较器/外部中断能实现硬件的禁止输出功能，反应快速，保证安全。

⑾支持通过串行通信接口，完成对产品的在线升级功能。

本设计中选用的78K0527A微控制器，具有4组8位通用寄存器，128KB的ROM，1KB 的RAM，内置单电源flash存储器，内置上电清零电路和低电压检测器、看门狗定时器、按

键中断功能、时钟输出控制器以及7通道定时器，同时，指令的最短执行时间可以在高速和超低速之间改变。

信号采样模块电路

由于电能表所在的供电线路是220伏的高压线路，而专用计量芯片所处理的信号，是一定范围内的小的电压和电流信号，因此，必须对电压、电流信号进行高精度的采样，使采样值在电能专用计量芯片所能处理的工作范围内。同时又要完成电能专用计量芯片与电能表所在的高压电力线路之间的电气隔离。在实际中，比较常见的是采用电压互感器和电流互感器来对模拟的电压和电流信号进行采样，或采用电阻分压和分流来采样模拟的电压、电流信号。

电压互感器实际上可通俗的理解为一个带有铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、绝缘体以及铁心组成。根据变压器原理可知，改变一次或二次绕组的匝数，就可以产生不同的电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将较高的电压值按特定比例转换成相对较低的电压，电压互感器一次侧通常接在一次系统中，而其二次侧通常接测量仪表、继电保护等。电流互感器依据电磁原理制成的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。其中，一次绕组匝数较少，二次绕组匝数较多，工作时串接在测量仪表电路中。电流互感器在工作时，它的2次回路始终闭合，因此，电流互感器的工作状态接近于短路。在测量交变电流的大电流时，电流互感器就起到变流和电气隔离作用。电流互感器一次侧通常接在一次系统中，而二次侧通常接地。采用电阻分压和分流的方法来采样模拟电压、电流信号，电路结构简单，成本较低，但缺点是不能实现电气隔离。综合考虑以上两种采样方式，本系统设计时，电压信号采样采用电阻分压方式，而电流信号采样采用电流互感器方式。在电压信号采样时，通过串联电阻分压方式来实现，电阻规格为104-F（105Ω）,并采用由规格为202-F（2000Ω）的电阻和333-K（0.033μF）的电容组成滤波电路进行滤波处理，最后将信号进行差分输入，以提高抗干扰能力，信号采样后接电能专用计量芯片进行电能计量的相关处理，信号输入端V3P,V3N分别接计量芯片。电压信号采样电路，如下图所示。

图2 电压信号采样电路

在电流信号采样时，采用电流互感器（英文缩写为CT）来实现，系统设计时，根据相应电能专用计量芯片的性能，采用双通道采样，采样两路电流信号。并通过由电阻和电容组成的滤波电路，进行滤波处理，最后，将采集到的信号经过两路差分输入信号端送电能专用计量芯片进行相关功率计量的处理。电流信号采样电路，如下图所示。

图3 电流信号采样电路

电能专用计量芯片的选择与计量模块

当前，在各类单相、三相电能表中，广泛使用的是各种高精度的电能专用计量芯片。在本设计中计量部分选用的是高性能计量芯片ATT7053A。ATT7053A是一颗带SPI接口的单相多功能计量芯片，工作电压范围是3.0V—3.6V，晶振频率为5.5296MHz。其整体结构框图如下：

图4 计量专用芯片结构图

⑴采用三路19位∑-△模数转换器，采样率28K/14K/7KHz可调；

⑵支持2000:1的动态范围；

⑶用户可以同时得到两个通道的有功功率、无功功率；

⑷支持有功功率、无功功率、视在功率和电能脉冲输出；

⑸能够同时得到三通道的有效值，及电压频率，电压电流相位；

⑹支持SPI，能够读取参数，校表，速度可达1Mbps；

⑺中断支持：过零中断，采样中断，电能脉冲中断，校表中断等；

⑻支持断相防窃电；

⑼片内温度传感器；

⑽NORM全速运行功耗小于4.5mA,断相防窃电降频运行功耗小于2mA；

⑾VDCIN/ADCIN功能，方便用户做电源检测和电池检测；

⑿电源监测功能：BOR，LBOR功能。

该电能专用计量芯片的工作原理是：首先通过对采样的一路电压信号，两路电流信号分别进行信号的放大，再通过模数转换，转换成数字信号，并通过滤波处理，最后送电能处理单元进行相关信号处理，完成对电压、电流有效值，功率因数，以及有功功率、无功功率、视在功率的测量，并进过功率频率转换，输出与功率成正比的脉冲信号，最后通过MCU累计脉冲计数，完成对电能的计量。

时钟模块电路

时钟模块用于显示当前日期和时间，通过I2C总线方式与MCU相连，MCU读取当前时钟信息，并根据相应的时段费率，进行电能数据的相关计算和处理。而电能的计量和计费与用户的利益切身相关，这就要求时钟部分具备较高的精度和准确度，同时时钟的功耗应较低。

I2C总线通讯方式

I2C总线是一种串行通讯的国际标准，I2C总线具有如下特征：

⑴仅要求具备两条总线线路：串行数据线（SDA）与串行时钟线（SCL）。

⑵总线上连接的各个器件都可以通过唯一的地址与长期存在的简单的主机/从机关系设计地址。

⑶真正意义上的多主机总线，当多个主机同时初始化数据传输时，可以通过冲突检测以及仲裁功能来防止数据遭到破坏。

⑷片上的滤波器可以滤去总线数据上的杂波干扰，从而保证数据的完整性。I2C总线支持任何IC生产过程，串行数据线和串行时钟线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器。SDASCL均为双向线路，通常采用一个上拉电阻连接到正的电源电压，当总线处于空闲状态时，这两条线路都处在高电平。连接到总线的器件输出级漏极或集电极必须处于开路状态，才能执行相关的线与功能。

电源模块

系统的电源模块部分，主要用于给微控制器（MCU）、时钟芯片以及相关用电部分提供电能，而电能表所在的电力线网络又是220V的高压，因此，必须进行相关相应的降压、整流、稳压以及滤波处理过程，才能用于给整个电能表系统相关用电部分供电。同时为防止供电线路故障以及其他偶然因素造成断电现象的发生，还必须给电能表系统准备备用电源，本系统在设计时选用锂电池作为备用电源。系统在电源模块电路设计时，首先对电力线电压通过变压器进行降压，然后经整流，以及三端稳压器78L05进行稳压，最后经滤波处理，得到的5伏的低压稳定电源。

存储器模块

单相费控智能电能表在实际工作中，要对用户的当前用电数据、历史用电数据、事件记录以及冻结数据等进行大量数据的存储，这就要求大容量的存储芯片，同时，又要保证用户用电数据在各种突发事件而造成的掉电事故影响下，用电数据的长时间保留。因此，在对系统存储器模块进行设计时，选用CATALYST公司生产的AT24C256。AT24C256是一个256K 位的串行CMOS可擦可编程存储器即E2PROM，与I2C总线兼容。工作电压为1.8伏到6伏，该芯片功耗低，具有写保护功能，可靠性高，64字节页写缓冲器，擦写次数高达100万次，在掉电状态下，数据可保持长达100年不变，能较好的满足费控智能电能表对存储器的要求。存储器及其外围电路如下图所示。

图5 存储器模块电路设计

LCD显示模块

单相远程费控智能电能表不需要在表内实现预付费功能，电费的计算在远程售电系统中完成，表内不显示与电费、电价相关的信息。只显示当前用户各时段的电量以及组合总电量。远程售电系统通过虚拟介质（主要是载波和RS485通信）对费控电能表下发复费率时段表、电量结算日等信息。

系统在显示部分设计时，选用THR2760型液晶显示器以及HL6024型液晶驱动芯片。其中HL6024是一种能和任意的具有低复用速率的液晶显示器接口的外围驱动器。能对任意静态或复合态的LCD，能产生高达24段的驱动信号，并且通过级联方式能轻松实现大型LCD 应用。HL6024能和大多数微控制器实现兼容，并通过两线双向的二线-串行通信总线通讯。同时，由于带自动地址增量的显示RAM，使得通讯开销可大幅度降低。

HL6024是一款1/4DUTY和1/3BIAS的通用LCD驱动显示电路，共有24各SEG输出端口和4个COM输出端口，直接和LCD相连可驱动96段液晶，当少于24段SEG和4段COM 时，不用的段可空出。当数据传送给HL6024后，HL6024根据初始地址把数据依次填入相应的RAM中，由驱动电路把相应的驱动电平信号送至液晶。

RS485通讯模块

RS485通讯接口是串行接口的标准之一，是在RS-232的基础上发展起来的一种串行通信方式，通常在要求远距离通讯时，广泛采用RS—485的串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收的方式，这就使得该通信方式具备了很强的抗共模干扰能力。

RS485通信解决了电能表数据的远程通信和控制问题，使电能表与电力部门的远程售电系统的联网成为现实。另外，由于PC机默认的是只带有RS-232的接口，通常需要通过RS232转RS485电路，从而将PC机串口的RS232信号转换成RS485信号。在国家电网公司智能电能表的功能规范中对于RS485通讯部分指出，智能电能表的RS485通讯部分要满足：

⑴RS485接口必须和电能表内部电路实行电气隔离，并有失效保护电路；

⑵RS485接口应满足DL/T645-2007电气要求，并能承受380V交流电压；

⑶RS485接口通信速率可灵活设置；

⑷RS485通信遵循DL/T645-2007协议及其备案文件。

ESAM安全模块

在国家电网的相关标准和规范中指出，ESAM安全模块必须嵌入在设备内，用以实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能。

ESAM安全模块，是英文EmbeddedSecureAccessModule的缩写，即嵌入式认证加密模块，是指一种嵌入式的安全控制模块。ESAM安全模块采用专用的智能卡芯片模块封装形式，系统是建立的在专用的高性能的安全微处理器的硬件平台基础上的，同时在安全模块内部，拥有独立的片上操作系统，除了具备防检测、抗攻击等硬件特性外，还具有安全的文件密钥管理，标准的加解密运算功能，完善的安全机制等特性。

ESAM安全模块最主要的应用模式是嵌入到某些专用设备或仪器中，一方面可作为设备的唯一标识，提供安全的硬件平台以存储密钥和相关重要数据外，另一方面，还可以利用模块内置算法完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制以及临时过程密钥导出等多种功能。可广泛应用于需要加密或身份认证功能的智能设备中。正是基于上述功能，ESAM 安全模块广泛应用于智能电表，通信设备以及网络安全等众多领域。

在国家电网公司智能电能表的功能规范中对ESAM安全认证部分指出，智能电能表的安全认证部分必须满足：

⑴通过固态介质或虚拟介质对电能表进行参数设置、预存电费、以及下发远程控制命令操作时，需通过严格的密码验证及ESAM模块等安全认证，以确保数据传输安全可靠。

⑵ESAM模块的加密算法应采用国密算法。

信号输出模块电路

在国家电网公司相关规范中，对智能电表信号输出部分指出，智能电能表的信号输出部分主要包括电能量脉冲输出、多功能信号输出以及控制输出三部分：

⑴电能量脉冲输出

①智能电能表应具备与所计量的电能量成正比的光脉冲输出和电脉冲输出；

②光脉冲输出采用超亮、长寿命LED指示灯；

③电脉冲输出必须采用电气隔离措施。

⑵多功能信号输出

智能电表的多功能信号端子应可输出时间信号、需量周期信号或时段切换信号，以便检测人员检测。其中，时间信号为秒信号，需量周期信号、时段切换信号为80ms±20ms的脉冲信号。

⑶控制输出

智能电能表可输出脉冲或电平开关信号，控制外部报警装置或负荷开关。

载波模块

电力线载波通信技术是指利用现有的输配电电力线网络作为传输介质，实现数据传输与信息交换的一种技术。电力线载波通信主要采用的是通过载波调制技术，其最大的优是无需另外架设新的通信网络线路，存在的不足主要是电力线路存在较强的噪声干扰以及电力线网络对传输信号的衰减较大。

在国家电网公司的相关规范中，对智能电能表的载波模块部分指出：

⑴智能电能表可配置窄带或宽带载波模块；

⑵智能电能表与载波通信模块之间的通讯遵循DL/T645-2007协议及其备案文件；

⑶若采用外置式载波通讯模块，为保护电能表，载波通信接口必须有失效保护电路；

⑷在载波通信时电能表的计量性能、存储的计量数据以及参数不应受到影响和改变。继电器控制模块继电器控制部分用于对用户的用电情况进行相应控制，当用户电能表剩余金额为0时，上位机下发允许拉闸命令，继电器断开，停止供电。当接收到用户续交电费信息后，

上位机下发允许合闸命令，继电器闭合，恢复供电。系统继电器控制部分电路如下图所示。

图6 继电器控制模块电路设计

二、单相费控智能电能表的主要功能

电量计量

（1）具有正、反向有功电能计量功能，能存储其数据，

（2）能存储上3个月的总电能和各费率电能量；数据存储分界时刻为月末24时。

电量冻结

电量冻结可以冻结正向（反向）有功电量，具体分为以下几种情况：

（1）按RS-485通讯规约方式冻结。

（2）定时冻结：电表按照用户约定的时间及间隔冻结电能量数据；每个冻结量保存12次。（3）瞬时冻结：在非正常情况下，冻结当前的日历、时间、所有电能量和有功功率的数据；瞬时冻结量保存最后3次的数据。

（4）约定冻结：在新老两套费率/时段转换、阶梯电价转换或电力公司认为有特殊需要时，冻结转换时刻的电能量以及其他重要数据，保存最后2次冻结数据。

（5）日冻结：存储每天零点时刻的电能量，存储60天的数据。

（6）整点冻结：存储整点时刻或半点时刻的有功总电能和无功总电量以及冻结时间，可存储96个数据。冻结内容及对应的数据标识均符合DL/T645—2007及其备案文件要求，冻结电量可通过用户卡、检查卡或其它通信接口抄出，便于进行用电量分析和线损统计。

清零

电能表只有在被授权及通过安全验证的情况下能进行电量清零操作，清除电表内部存储的电能量、冻结量、事件记录等数据。永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。

时钟

具有日历、计时和闰年自动转换功能。日历、时钟均可通过RS485、红外数据接口等进行设

置和调整，设置时需按下编程键，进入编程状态。

安全认证

对电能表进行参数设置命令操作时，需通过严格的密码验证等安全认证，以确保数据传输安全可靠。

电力参数测量及监测

智能电表能测量、记录、显示当前电压、电流（包括零线电流）、有功功率、功率因数等运行参数。测量误差（引用误差）±1％以内。

事件记录

电量的事件记录功能可以记录对电表的编程和清零操作以及电表运行状态，具体分为以下几种情况：

1、永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。

2、记录编程总次数，最近10次编程的时刻、操作者代码、编程项的数据标识。

3、记录校时总次数（不包含广播校时），最近10次校时的时刻、操作者代码。

4、记录掉电的总次数，最近10次掉电发生及结束的时刻。

计时功能

采用内置带温度补偿的硬件时钟电路，具有日历、计时、闰年自动转换功能；内部时钟端子输出频率为1Hz。电能表可接受的广播校时范围不大于5min；广播校时无需编程键和通讯密码配合；每天只允许校对一次，且应避免在电能表执行冻结或结算数据转存操作前后5min 内进行。

显示功能

该电能表采用大屏幕宽温中文字符液晶显示，具有防紫外线功能，在正常使用情况下，LCD 寿命大于10年。电能表具备自动循环和按键两种显示方式；自动循环显示时间间隔可在5～20秒内设置；液晶显示关闭后，可用按键唤醒液晶显示；

通讯功能

具有一个红外通信接口、一个RS485通信接口，通信接口物理层彼此独立，一种通信信道的损坏不影响其它信道。电能表通过通信接口可以与手持终端、数据采集器、检测设备、计算机等进行数据传输、广播对时设置、抄读、编程、管理等。通讯规约符合DL/T645-2007标准。RS485通信传输速率允许在1200bps、2400bps、4800bps、9600bps中选择，缺省设置为1200bps。RS485通信接口和电能表内部电路实现电气隔离，具有失效保护电路。通信接口通过电气性能、抗干扰试验，符合DL/T614—2007的要求。载波模块接口与RS485接口物理层相互独立，一个通信接口的损坏不影响其它通信接口正常工作。

端口输出

电能表具备与所计电能成正比的光脉冲测试输出和电脉冲测试输出功能。光脉冲测试输出装置的特性符合GB/T17215.211-2006的要求。电脉冲测试输出为光隔离无源输出,脉宽为80ms±20ms，输出装置的特性符合GB/T15284-2002的要求。电能表具备秒时间信号输出端子。

报警功能

当电表出现下列故障时,在循环显示第一项显示报警代码或报警提示，并且LCD背光灯持续点亮：当电能表出现故障时，显示出错信息码。

编程密码和安全保护

电能表应具备编程开关和编程密码双重防护措施，以防止非授权人进行编程操作。电能表仅在允许编程状态才能进行编程操作，广播校时和读表操作不受编程开关的控制。

编程开关

编程开关采用按键式设计，且只有在打开封印后方能触及到编程开关。在可编程状态下，若240分钟内没有任何操作，电能表将自动关闭编程状态。

编程密码

电能表需先通过编程密码验证才能执行编程或其他特殊操作。密码采用两级管理，每一级密码由6位阿拉伯数字组成；密码权限等级不同，可执行的操作不同。具有高等级密码权限的人员，可修改低等级密码，并执行低等级密码的所有操作。连续3次密码输入错误，电能表将自动关闭编程功能24小时。

阀控密码

电能表阀控密码支持远程停送电。

三、单相费控智能电能表的应用与发展方向

1）结算和帐务。

通过智能电表能够实现准确、实时的费用结算信息处理，简化了过去帐务处理上的复杂流程。在电力市场环境下，调度人员能更及时、便捷地转换能源零售商，未来甚至能实现全自动切换。同时用户也能获得更加准确、及时的能耗信息和帐务信息。

2）配网状态估计。

目前，配网侧的潮流分布信息通常很不准确，主要是因为该信息是根据网络模型、负载估计值以及变电站高压侧的测量信息综合处理得到的。通过在用户侧增加测量节点，将获得更加准确的负载和网损信息，从而避免电力设备过负载和电能质量恶化。通过将大量测量数据进行整合，可实现未知状态的预估和测量数据准确性的校核。

3）电能质量和供电可靠性监控。

采用智能电表能实时监测电能质量和供电状况，从而及时、准确地响应用户投诉，并提前采取措施预防电能质量问题的发生。传统的电能质量分析方式在实时性和有效性上都存在差距。

4）负荷分析、建模和预测。

智能电表采集的水、气、热能耗数据可以用来进行负荷分析和预测，通过将上述信息与负荷特性、时间变化等进行综合分析，可估算和预测出总的能耗和峰值需求。这些信息将为用户、能源零售商和配网调度人员提供便利，促进合理用电、节能降耗以及优化电网规划和调度等。

5）电力需求侧响应。

需求侧响应意味着通过电价来控制用户的负荷及分布式发电。它包括价格控制和负荷直

接控制。价格控制大体上包括分时电价、实时电价和紧急峰值电价，来分别满足常规用电、短期用电和高峰时期用电的需求。直接负荷控制则通常由网络调度员根据网络状况通过远程命令来实现负载的接入和断开。

6）能效监控和管理。

通过将智能电表提供的能耗信息反馈给用户，能促使用户减少能源消耗或者转换能源利用方式。对于装有分布式发电设备的家庭，还能为用户提供合理的发电和用电方案，实现用户利益的最大化。

7）用户能量管理。

通过智能电表提供的信息，可以在其上构建用户能量管理系统，从而为不同用户(居民用户、商业用户、工业用户等)提供能量管理的服务，在满足室内环境控制(温度、湿度、照明等)的同时，尽可能减少能源消耗，实现减少排放的目标。

8）节能。

为用户提供实时能耗数据，促进用户调节用电习惯，并及时发现由设备故障等产生的能源消耗异常情况。在智能电表所提供的技术基础上，电力公司、设备供应商及其他市场参与者可以为用户提供新的产品和服务，例如不同类型的分时网络电价、带回购的电力合同、现货价格电力合同等。

9）智能家庭。

智能家庭是指将家庭中不同装置、机器和其他耗能设备联接在一个网络中，并根据居民的需求和行为、户外的温度以及其他参数来进行控制。它可以实现供热、报警、照明、通风等系统的互联，从而实现家庭自动化和家电等设备的远程控制等。

10）预防维护和故障分析。

智能电表的测量功能有助于实现配网元器件、电能表以及用户设备的预防维护，例如检测出电力电子设备故障、接地故障等导致的电压波形畸变、谐波、不平衡等现象。测量数据还能帮助电网和用户分析电网元件故障和网损等。

11）预付费。

相对于传统的预付费方式，智能电表能提供成本更低，更加灵活和友好的预付费方式。

12）电表管理。

表计管理包括：安装表计的资产管理；表计信息数据库的维护；对表计的定期访问；确保表计的正常安装和运行；确认表计存储的位置和用户信息的正确性等。

13）负荷远程控制。

通过智能电表可实现负荷的整体联接和断开，也可以对部分用户进行控制，从而配合调度部门实现功率控制；同时用户也可以通过可控开关实现特定负荷的远程控制。

14）非法用电检测。

智能电表能检测出表箱开启、接线的变动、表计软件的更新等事件，从而及时发现窃电

现象。对于窃电高发区，通过将总表的数据和其下所有表计数据进行比对，也可以及时发现潜在的窃电行为。

15）其他。

智能电表能为用户提供电网故障、停电、电能质量、能耗、能效信息和推荐用电方案等增值服务，提高了能源市场竞争和效率，并为频率、电压和无功功率控制等应用提供了技术条件。