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　　多用戶智能電表因要計量、存儲用戶用電量，其數(shù)據(jù)存儲安全性非常重要。該文采用雙非易失存儲芯片、硬件寫保護接口電路設計、數(shù)據(jù)備份表決、數(shù)據(jù)校驗、密碼寫保護、數(shù)據(jù)回讀校驗等軟、硬件措施，提高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性及安全性。

　　關鍵詞：單片機;數(shù)據(jù)存儲;電表

　　前言（多用戶智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術 ）

　　多用戶智能電表是以MCU為核心、以大規(guī)模電量采集模塊而構(gòu)成的一種電量數(shù)據(jù)采集儀表，具有多用戶電量采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸、用戶供電控制、復費率電量計量等功能，體積小，功能強，深受集中供電場所如高校學生宿舍、智能化小區(qū)等用戶歡迎。為提高儀表使用的靈活性，存在一些可編程的參數(shù)，如儀表編號、計量戶數(shù)、通訊速率、電表脈沖常數(shù)、復費率時段時間值、各戶供電狀態(tài)等，以及其計量的數(shù)據(jù)，即各用戶的用電量。這些數(shù)據(jù)一旦受到干擾遭到破壞，不僅儀表不能正常工作，還將給用戶造成經(jīng)濟損失，引發(fā)經(jīng)濟糾紛，因此必須保證數(shù)據(jù)的可靠性、安全性、非易失性。如何保護這些要求非易失性存儲的關鍵數(shù)據(jù)不被破壞，確保數(shù)據(jù)的安全，對于多用戶智能電表設計具有非常重要的意義。

　　1多用戶智能電表的硬件構(gòu)成（多用戶智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術 ）

　　多用戶智能電表硬件設計如圖1所示。

　　儀表工作原理：各用戶的用電量，通過大規(guī)模電能計量集成電路(如BL0933、ADE7755等)將其轉(zhuǎn)化為與電量成正比的脈沖量，經(jīng)光電耦合電路后，由開關量輸入接口被CPU采入內(nèi)存中，CPU根據(jù)采集的脈沖量，對各用戶的用電量進行累加，將其存入非易失存儲器中，并由顯示電路輪流顯示出各戶的用電量。通過遠程通信接口電路(如RS485、CAN總線)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

　　為提高儀表的可靠性，在數(shù)據(jù)采集電路和遠程傳輸電路中都設計了光電隔離電路，設計了由X5045芯片構(gòu)成的獨立的看門狗電路，為實現(xiàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)的非易失存儲，儀表中采用了兩種存儲器，一種是X5045內(nèi)部的512字節(jié)的非易失存儲器;另一種是獨立的直接與CPU接口的非易失存儲器W24C16。兩種存儲器相互配合，配以軟件措施，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失、高可靠存儲。

　　影響數(shù)據(jù)安全的主要原因有以下幾個方面：

　　(1)上電、掉電、電源跌落過程中，電源沖擊對存儲器芯片的影響;

　　(2)上電、掉電、電源跌落過程中，CPU不能可靠復位，導致程序跑飛改寫數(shù)據(jù);

　　(3)程序運行過程中受到各種干擾導致程序跑飛改寫數(shù)據(jù)。

　　針對以上原因，硬件、軟件設計應采取相應措施，確保數(shù)據(jù)存儲的安全可靠。

　　2數(shù)據(jù)安全的硬件措施（多用戶智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術 ）

　　(1)采用集成看門狗芯片X5045，將其復位輸出端直接與系統(tǒng)各芯片的復位端相連，在上電、掉電、電源跌落過程中，實現(xiàn)可靠復位;同時，當程序跑飛時，及時實現(xiàn)自動復位，減少數(shù)據(jù)被改寫的可能性。

　　(2)采用多重存儲媒體

　　對于非易失數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)設計時采用了二重媒體存儲技術，一是采用X5045內(nèi)帶有SPI接口的512字節(jié)的非易失存儲器;二是外擴了一種非易失存儲器。將同一組數(shù)據(jù)，存放到兩種存儲器中，可大大減少抗擾破壞的概率。正常運行時，為提高數(shù)據(jù)讀寫速度，其運算都安排在CPU內(nèi)部進行。

　　(3)正確選擇非易失存儲器

　　多用戶電表中的數(shù)據(jù)，如用戶用電量，按每戶4字節(jié)計算(顯示范圍為：0.00～999999.99)，對16戶電表(適用于一梯兩戶、7層居民住宅、一戶一表、一路公用照明、一路備用)，所需存儲容量僅為64字節(jié)，因為總的存儲容量并不多，所以以選串行接口存儲器為宜;另外，系統(tǒng)對用戶電量的讀寫不是很頻繁，讀寫速度不要求很快，加以數(shù)據(jù)可靠性要求很高，系統(tǒng)中選擇了X5045多功能芯片和I2C總線接口的E2PROMW24C16。

　　(4)正確設計接口電路

　　數(shù)據(jù)被改寫的原因是隨機干擾信號滿足了芯片寫時序的要求，執(zhí)行了非法的寫操作。如并行接口的存儲器芯片的CS、WR同時為低電平時即可完成一次寫操作，所以其抗擾性能要低于串行的E2PROM。對于W24C16芯片，要改寫其內(nèi)部的數(shù)據(jù)，除了寫入數(shù)據(jù)時滿足一定的時序外，芯片本身具有寫保護引腳，其高電平有效時方可對其進行寫操作。該寫保護引腳一般不應直接接到電源上，應將其接到CPU的某一可編程引腳，由CPU來控制該引腳的電平信號，以防止外來的干擾。

　　3數(shù)據(jù)安全的軟件措施（多用戶智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術 ）

　　硬件措施只是有效提高數(shù)據(jù)安全性的一個方面，在程序執(zhí)行過程中，系統(tǒng)受到強烈干擾后，仍有跑飛改變數(shù)據(jù)的可能性，所以軟件設計中應采取一定的措施，以正確識別數(shù)據(jù)的有效性，對被破壞的數(shù)據(jù)采取一定的數(shù)據(jù)恢復措施，以盡可能地達到數(shù)據(jù)存儲的完整性、有效性。

　　3.1數(shù)據(jù)備份

　　在系統(tǒng)設計中，采用兩種方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份操作：1)硬件設計中選用了X5045和W24C16兩種獨立的存儲器，實現(xiàn)存儲體的備份;2)在同一存儲體中，對同一批數(shù)據(jù)存于不同的存儲區(qū)域中，一般采用3重備份方案，這樣，同一時刻數(shù)據(jù)在兩種存儲器中有6個備份。采用不同的存儲器，并同時對采集數(shù)據(jù)進行多個備份，可以大大提高數(shù)據(jù)的抗干擾性能。

　　3.2備份數(shù)據(jù)的表決

　　存于存儲器中的6份數(shù)據(jù)，CPU定期對其進行數(shù)據(jù)有效性檢驗，以觀察是否受到干擾。一般通過表決的方式，認為其中有3份以上的數(shù)據(jù)相同，便認為相同的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，同時用其覆蓋掉不相同的數(shù)據(jù)備份，以保證數(shù)據(jù)的有效性和完整性。

　　3.3數(shù)據(jù)校驗

　　一般情況下，通過備份數(shù)據(jù)表決可解決大部分的數(shù)據(jù)受擾問題，但在有些情況下，也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)表決失敗的情況。為此，還需對每一塊備份數(shù)據(jù)進行校驗，并將校驗值存于校驗數(shù)據(jù)區(qū)域中。對備份數(shù)據(jù)表決失敗的情況，再對每一塊備份數(shù)據(jù)進行校驗，比較其校驗值是否和原來的一致，若一致，則認為該備份數(shù)據(jù)有效，若不一致，則認為該備份數(shù)據(jù)已遭到破壞。校驗算法可采用和校驗、CRC校驗等。對校驗數(shù)據(jù)值亦可采用備份存儲的方法，以進一步提高數(shù)據(jù)存放的可靠性。

　　3.4寫方式控制

　　程序中有寫數(shù)據(jù)的要求，便存在數(shù)據(jù)被破壞的可能。為防止誤寫數(shù)據(jù)，程序設計中設置寫請求口令變量，正常執(zhí)行的程序欲執(zhí)行一個寫流程時，需先設置一個寫請求口令變量，才可以調(diào)用寫數(shù)據(jù)子程序。而在寫數(shù)據(jù)子程序中，只有寫請求口令變量值與該流程的標志值相同，方可進行寫操作，寫完成后將自動復位寫請求口令變量。對不正確的寫請求口令變量值，寫子程序?qū)ζ洳挥枥頃⑵鋸臀弧?/p>

　　3.5回讀寫數(shù)據(jù)校驗

對寫入串行E2PROM中的數(shù)據(jù)，為防止在寫數(shù)據(jù)過程中受到干擾造成誤寫，寫完成后，再將剛寫入的數(shù)據(jù)讀出來，與要寫的數(shù)據(jù)相比較，看兩者是否一致，如一致，則說明數(shù)據(jù)已正確寫入存儲器中，如不一致，則啟動重寫操作，直到數(shù)據(jù)寫入正確為準。

　　3.6寫入次數(shù)限制

　　串行E2PROM每個單元都有寫入次數(shù)限制，要保證在儀表的使用期限內(nèi)寫入次數(shù)不超過廠家推薦的值，保證數(shù)據(jù)可靠性。儀表預計*大計量數(shù)據(jù)為999999.99kWh，將用戶計量電能值分成兩部分進行存儲，一部分為整數(shù)電量部分，*大數(shù)據(jù)為999999，可滿足寫入次數(shù)限制;一部分為0.1kWh存儲單元，如寫入次數(shù)被限制在10萬次，則每計量10 000kWh，則需要更換存儲單元，程序根據(jù)整數(shù)電量滿10 000kWh時，便更換存儲單元。對0.01kWh計量，只有系統(tǒng)掉電時將其存入E2PROM中，正常運行時存儲在單片機內(nèi)部RAM中。X5045的存儲器分配如表1所示。

　　4結(jié)束語（多用戶智能電表中的數(shù)據(jù)安全存儲技術 ）

　　多用戶智能化電表屬于計量儀表，其測量數(shù)據(jù)的正確性和可靠性都關系到供電方和用電方的切身經(jīng)濟利益。通過采取以上軟、硬件措施，數(shù)據(jù)存放的可靠性得到很大提高。同時，要想**提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，還要對系統(tǒng)的整體設計、系統(tǒng)應用環(huán)境等進行綜合考慮，采取電源濾波、儀表屏蔽、防雷等安全措施，才能取得*佳效果。

　　參考文獻

　　[1]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1992.

　　[2]王幸之.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2000.