CN201892741U - 一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计了一种智能电表安全控制模块ESAM的检测装置，主要用于实时、准确检测ESAM的电气特性。该装置包括(1)电源模块，(2)电平转换模块，(3)电流采集模块，(4)电压采集模块和高性能单片机处理模块。电源模块包括电源输出电路和电源控制电路；电源输出电路主要提供其他模块必需的电压，并提供较高功率。使得在恶劣环境较大的功率负荷能力。该装置采用数据跟踪方式，将设备安装在ESAM和读卡器之间，提供必要的数据控制和采集，保证数据能够实时的准确的上传给上位机。PC机安装有一个相关软件，其既能够实时发送特定的APDU指令给读卡器，又能将上传的数据进行分析保存并显示出检测结果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电表检测装置，主要用于检测智能电表安全控制模块ESAM电气特性。
背景技术
目前智能电表作为电能计量和计费的主要工具，在电力行业应用已经非常广泛。表中安装了一个智能电表安全控制模块ESAM，它在智能电能表中起到重要作用：能够保证数据传输的准确性和安全性，防止数据在传输中被截获和破解。并提供预付费功能的安全存储，不会轻易被修改，有效的保护了数据；所以ESAM能够稳定运行非常重要。但在实际使用中，同时ESAM要经受相对恶劣的环境。例如在西北、东北等地区省份的一些地方，冬季出现零下30度的严寒天气，会造成安全芯片的工作不稳定性。还有ESAM会安装在强磁场高湿度的环境中。环境的恶劣，大大的制约了芯片工作的长期性和稳定性，因此ESAM在生产过程中必须进行严格的质量检测。芯片工作的不稳定性，主要集中在以下几点：
1、电源问题：ESAM规定在2.7-5.5V的电源电压下，ESAM可以正常工作。但有些ESAM在3V左右，复位无ATR信息。2、频率稳定问题：规定时钟频率CLK在1MHz-5MHz可以正常工作，但实际并非如此。在实际应用中，CLK并非稳定的波形，中间夹杂着很多毛刺，直接影响了内部时钟频率。各个频率段不能正常工作的都有。3、IO端口电压电流问题：IO端口的低电平为GND，但也有可能为0.7V，同样高电平也有这种情况。VCC管脚的电流在正常工作中为1mA左右，但由于内部模块工艺问题，有可能正常工作，但是电流却变成10mA以上，导致芯片发热。所以应该对管脚的电压电平和电流进行检测。
还有跳变沿，时序同步方面问题。在未使用该方案之前，对ESAM的检测复杂，主要是用示波器和万用表，示波器能够测量各个管脚电压及时钟频率电气参数，管脚的电流要用万用表的电流档进行测量，这样测量的缺点就是：
ESAM的5个管脚不能同时测量，不能在发现问题后，对其他管脚进行跟踪测试，不利于及时发现和分析问题。仪器搭建比较繁琐。测试环境在搭建过程中会浪费大量时间，繁琐的连接会导致搭建系统不稳定。虽然示波器监测是实时的，但是不能对大量数据进行及时存储和分析，导致存储数据和分析问题有局限性。由于ESAM量产高，用现有示波器对所有的芯片进行电气特性检测，会降低其生产能力。
实用新型内容
为了解决智能电表在恶劣的天气环境和强磁场高湿度的环境中工作的长期性和稳定性，本实用新型提供一种实时的、准确的检测ESAM的各个管脚电气特性的装置。具体方案如下：采用数据跟踪方式，将设备安装在ESAM和读卡器之间，提供必要的数据控制和采集，保证数据能够实时的准确的上传给上位机。PC机安装有一个相关软件，其既能够实时发送特定的APDU指令给读卡器，又能将上传的数据进行分析保存并显示出检测结果。
本实用新型的另一优选方式：本检测装置内部电路主要组成部分包括：电源模块、电平转换模块、电流采集模块、电压采集模块和单片机处理模块；电源模块包括电源输出电路和电源控制电路(产生2.7至5.5伏特可调电压)；所述电源模块输入电压为9伏特，输出电压为5伏特、3.3伏特和2.7至5.5伏特可调电压。
本实用新型的另一优选方式：电平转换模块和电流采集模块通过数据线连接，所述电平转换模块提供无需控制信号双向电平转换器，电压范围为：VCCB＝1.65V-5.5V，VCCA＝1.2-3.6V且VCCB＞VCCA。采用专业电平转换芯片，该芯片提供双向转换功能，可快速的切换传输方向，并将各管脚高电平和供电电压电平相同。用两种相同的芯片进行对接。其中左面的芯片将5V电压转换成2.5V，右面的芯片将2.5V转换成2.7V-5.5V可调。将各个管脚通过此方案转换后，可保证管脚高电平与Vadj同步。
本实用新型的另一优选方式：电流采集模块和电压采集模块通过数据线连接，电流采集模块采用双向、高侧、电流检测放大器，具体条件；1.电池满幅负载电流时的最大检测电压可通过一个外部检流电阻设置，增益为100V/V，共模输入电压可高达24V。电流采集模块主要是采集各个管脚的电流，通过将电流转换成ADC所能识别的模拟信号来实现。具体方法是在电源EVCC和ESAM的VCC管脚串联一个精密电阻R19，然后用电流传感芯片U9采集该电阻两端电压差，并经过运算放大后，产生ADC所能识别模拟信号。由于所检测的芯片有可能为电流超出规定值，故需要串联1个自恢复保险丝F1，来防止烧坏其周围芯片。
本实用新型的另一优选方式：电压采集模块为12位分辨率；ADC供电VCC要求：2.4V到3.6V；ADC输入范围：VCC-≤VIN≤VCC+。电压采集模块主要是采用单片机内部的12位ADC数模转换器，采样精度高，转换速度快，所采样的有效电压值为0-3.3V，而ESAM所需要测量的电压为2.7-5.5V，超出最大值，故需要将其进行分压处理，分压电阻采用精密高且温漂小的电阻进行分压。
本实用新型中，为了实现数据的实时性和准确性，采用通讯方式，将采集的参数以数据的形式传输给PC应用系统，并通过应用系统发送命令的方式，来控制ESAM电压，实现基本的控制。由于串口为9脚的RS232接口，体型大且不利于携带，故可采用专门的USB转USART芯片，可直接将数据通过USB端口上传。
与现有技术相比，本实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置有益效果是：
1、ESAM各个管脚高电平可保持VCC管脚电压一致；
2、可以检测各个管脚静态(不工作)时的电压和电流；
3、可以检测工作状态的电气特性；
4、通过PC机软件特有的算法分析数据；
5、防止不良芯片的大电流烧坏其他部件。
附图说明
图1：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-ESAM电气特性检测装置系统框图；
图2：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-检测装置内部组成框图；
图3：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-可调电压控制电路框图；
图4：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-电平转换模块框图；
图5：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-电流转换模块框图；
图6：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-CPU结构框图；
图7：实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置-AD转换时间框图。
具体实施方式
以下通过附图及具体实施方式对本实用新型提供的一种智能电表安全控制模块电气特性的检测装置做进一步更详细的说明。
实施例1
本实施例如附图1至附图7的检测装置内部电路组成包括电源模块，电平装换模块，电流采集模块，电压采集模块和单片机处理模块。电源模块主要作用是给其他模块提供必需的电压，并提供较高的功率要求，使得在恶劣环境有较大的功率负荷能力。电源控制电路主要是产生ESAM所需的供电电压，该电压为2.7-5.5V可调，图3方式实现单片机接收到PC机调整电压指令，解析后控制数字电位器U6。本装置采用专业电平转换芯片，该芯片提供双向转换功能，可快速的切换传输方向，并将各管脚高电平和供电电压电平相同电流采集模块主要是采集各个管脚的电流，通过将电流转换成ADC所能识别的模拟信号来实现。具体方法是在电源EVCC和ESAM的VCC管脚串联一个精密电阻R19，然后用电流传感芯片U9采集该电阻两端电压差，并经过运算放大后，产生ADC所能识别模拟信号。由于所检测的芯片有可能为电流超出规定值，故需要串联1个自恢复保险丝F1，来防止烧坏其周围芯片。电压采集模块主要采用单片机内部的12位ADC数模转换器，其特征为采样精度高，转换速度快。但所采样的有效电压值为0-3.3V，而ESAM所需要测量的电压为2.7-5.5V，超出最大值，故需要对其进行分压处理(图4R22和R23)，分压电阻采用精密高且温漂小的电阻进行分压。
本装置最重要的部分就是采用了高性能的单片机，实现以下功能：(1)控制数字电位器，使其能够输出所需电压。(2)用内嵌的ADC模块采用DMA模式对多路电压进行采样。DMA控制器处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样很大程度上减轻了CPU资源占有率，大大节省系统资源。经测试采用DMA后，AD总转换时间为21.55us左右，而1个ETU大约100us，故在根本上能够保证在1个ETU之内完成相应转换，
本实施例中，为了方便实现数据的实时和准确性，也可采用通讯方式，将采集的参数以数据的形式传输给PC应用系统，并通过应用系统发送命令的方式，来控制ESAM电压，实现基本的控制。由于串口为9脚的RS232接口，体型大且不利于携带，故可采用专门的USB转USART芯片，可直接将数据通过USB端口上传。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能电表安全控制模块的电气特性检测装置，其特征在于所述检测装置包括电源模块(1)、电平转换模块(2)、电流采集模块(3)、电压采集模块(4)、单片机(5)和读卡器；所述电源模块(1)与电流采集模块(3)、电平转换模块(2)和单片机(5)连接，所述电平转换模块(2)与电流采集模块(3)连接，所述电流采集模块(3)与单片机(5)的电压采集模块(4)连接，所述读卡器与电平转换模块(2)连接，所述单片机(5)与电脑连接。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述电源模块(1)包括电源输出电路和电源控制电路：输入电压为9V，输出电压为5伏特、3.3伏特和Vadj伏特；所述电源模块(1)与电平转换模块(2)通过数据线连接。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述电平转换模块(2)和电流采集模块(3)通过数据线连接。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述电平转换模块(2)提供无需控制信号双向电平转换器，电压范围为：VCCB＝1.65V-5.5V，VCCA＝1.2-3.6V且VCCB＞VCCA。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述电流采集模块(3)和电压采集模块(4)通过数据线连接。
6.如权利要求1或3所述的检测装置，其特征在于所述电流采集模块(3)采用双向、高侧、电流检测放大器，具体条件；1.电池满幅负载电流时的最大检测电压可通过一个外部检流电阻设置，增益为100V/V，共模输入电压可高达24V。
7.如权利要求4所述的检测装置，其特征在于所述电压采集模块(4)为12位分辨率；ADC供电VCC要求：2.4V到3.6V；ADC输入范围：VCC-≤VIN≤VCC+。
8.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述读卡器与与电平转换模块(2)通过数据线连接。
9.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述单片机(5)与PC机通过USB连接。
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