非接触式IC卡预收费电度表.doc

毕业设计(论文)专 业 无线电技术班 次 04611姓 名 齐会会指导老师 胡 科成都电子机械高等专科学校二00七年六月非接触式IC卡预收费电度表的设计摘要：用户使用电量的计量手段的准确程度取决于电互感器及电度表的精度。现已出现了接触式IC卡预收费电度表，它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电，实现了电费收缴管理自动化。但它不能解决无源（卡中无电源）和免接触等问题。非接触式IC卡（又称射频卡）是国外近几年发展起来的新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击空及弯曲损坏等问题；射频卡使用时没有正反面。总之，非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。关键词：非接触式IC卡 预收费电度表 单片机- 引 言 -我国民用电表的收费，一直采用人工抄表、按户收费的方式，工作十分烦琐而且容易出错。因此，电力部门一直在寻求一种方便实用的收费方法，先后试用过无线抄表系统、集中抄表系统、联网式抄表系统等，但这些系统没有从根本上摆脱抄表的麻烦，有的系统过于复杂，成本高。近年来出现的智能卡（IC卡）预付费电表系统是一种简单、实用的收费方案。智能卡预付费电表系统由电表管理系统、智能卡、智能卡预付费电表三部分组成。电表管理系统用于用电管理部门对用户发行电表智能卡、用户购电写卡、用户购电信息管理。系统由微机、 电表管理软件、电表专用智能卡读写设备等组成。它完成的功能有：电表智能卡初始化，即把一张空白卡写上特定的信息使之成为电表IC卡；将用户的预购电度数加上卡中原剩余的电数(若有的话)写入用户卡中，同时把用户新购的电度数写入数据库。电表智能卡数据库的维护包括查询、删除、转帐和打印等。智能卡用于记录用户编号、姓名、预购的电度数及用户所配电度表的工作参数、扣费方式等信息。有加密型和非加密型，可重复使用。智能卡预付费电表根据用户所预购的电度数为用户供电，并准确记录用户用电情况。在用户预购的电度数将要耗尽时给出报警信息，若用户在规定的用电范围内未重新购电，该表将自动切断用户电源直至再一次插入有预购电度数的智能卡，并认定后才能自动恢复供电。基于不同的功率计量原理，目前智能卡预付费电表有感应式和数字式两种，其中感应式由于其精度低、响应速度慢、过载能力较差、维修费用高等缺点已逐渐被淘汰，而数字式智能卡预付费电表随着制造成本的不断下降被越来越多的用户所接受。第一章 IC卡的介绍 在当今社会生活中，越来越多地使用着形形色色的“卡”，如常见的乘车卡、饭卡、和电话卡等。对于这些卡，以其记录信息的方式不同可分为光电卡、磁卡、磁条卡、条码卡和IC卡等。在上述各种卡中，IC卡具有更高的数据安全性，因而应用最为广泛，如金融财务、软件加密、社会保险、医疗卫生、商品零售、休闲娱乐、管理等各种领域。 IC卡是集成电路卡（integgrated circuit card）的英文简称，在有些场合又称之为智能卡、灵巧卡和智慧卡等。将一片专用集成电路镶嵌于符合ISO/IEC7816标准的基片中，即制成一张IC卡。当然也可以封装成纽扣、钥匙牌和各种装饰物等特殊形状。什么是IC卡？以下几种解释从不同方面对IC卡进行描述。 其外型和信用卡一样，但卡上含有符合国际标准化组织(ISO)有关标准的集成电路芯片(IC)。 由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于携带的卡片；具有暂时或永久性的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理、判断使用；具有逻辑和数学运算处理能力，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身的处理需求。 实际上，IC卡就是集成电路卡。它是一种随着半导体技术的发展和社会对信息安全性等要求的日益提高应运而生的，是一种将具有微处理器及大容量存储器等集成电路芯片嵌装于塑料基片上而制成的卡片。在IC卡的左上角封装有IC芯片，其上覆盖有6或8个触点和外部设备进行通讯。IC卡属于半导体卡。半导体卡片采用微电子技术进行信息的存储、处理，又可以分为：有接触点卡和无接触点卡。前者由读写设备的接触点和卡片上的触点相接触，进行信息的读写；而后者则与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行读写(例如, 光或无线电技术)。有接触点卡又分为：存储卡和智能卡(带微控制器）。 存储卡又可分成RAM卡(可读写)和ROM卡(只读）。此外，从功能上IC卡大致可分成三类:：存储器卡、智能卡（带微控制器）和超级智能卡。其中，存储器卡由于价格便宜、开发应用相对简单等原因，目前在各个领域已有大量的应用, 还可以再分为以下两种：普通存储器IC卡、 智能存储器IC卡等。1.1 IC卡的主要特点 （1）内含RAM、EPROM、EEPROM、CPU、I/O、保密逻辑、通讯接口等，是一个智能化的微处理系统，能存储大量信息，便于一卡多用。（2）安全性高，能脱离网络使用 由于芯片上有CPU和加密逻辑，可核对密码，发现错误时，可拒绝读写，错误超过一定次数后，可自毁卡上的数据。 IC卡采用了国际上各开发者与使用者所共同认可的半导体密码存放和软件加密技术，它可以有效的阻止卡的非法复制与数据的篡改。应用设备可以在脱离网络的情况下，不许人工干预，即可对IC卡进行鉴别，以确定该卡是否是本系统所许可的，是否可在该应用场合使用等。通过持卡人输入PIN（个人标识号），与卡内的一组密码比较，可以确认持卡人的身份。这些特点使IC卡能成为传导媒介，再加上认证和数据加密等功能，使卡能脱离网络使用。（3）具有良好的机读性 IC卡是一种电路卡，它在机器上的读写性能远优于磁卡和光卡，无需往复的机械运动即可完成人机卡之间的多次会话过程，使卡在应用中更容易进行操作和相互验证，给卡的开发者与使用者带来了极大的便利。（4）存储能力强大在一个应用系统中，系统必须对所有的持卡人建立一份身份与使用的档案。在磁卡系统中，这组档案存放在中心数据库系统内，持卡人每次使用都必须通过终端，以网络形式从数据库系统中提出那份与自己相关的档案。现在由于IC卡存储能力增加了，这份相关的使用档案可以存放在IC卡中，终端设备无需联网即可得到使用者的相关信息，交易的实时性也明显改善。2 IC卡的分类根据卡中所镶嵌的集成电路的类型不同，IC卡可分为以下几种：（1）存储器卡 卡中集成电路为EEPROM（可用电擦除的可编程只读存储器，也可写作E*2PROM）；（2）逻辑加密卡 卡中集成电路具有加密逻辑功能和EEPROM存储器；（3） 智能卡 卡中集成电路包括了中央处理器（CPU）、程序存储器（Program Memory）、 数据存储器（RAM）以及相应的操作系统软件（Chip Operation System）。 按应用领域来分，IC卡有金融卡和非金融卡。金融卡又可分为信用卡（Credit card）和现金卡（Debit card）。信用卡主要由银行发行和管理，持卡人用它作为消费时的支付工具，可以使用预先设定的透支限额资金。现金卡可用作电子存折和电子钱包，不允许透支。非金融卡往往用在各种事物的管理、安全管理场所，如身份证明，健康记录和职工考勤等。 另外根据IC卡与外界传输数据的形式分，有以下两种：（1）接触式IC卡接触式IC卡芯片中有8个触点可以与外界接触，通过接触点进行数据传递。从数据传递过程来看，接触式IC卡的数据传递是通过读卡机的触点接触卡上IC芯片进行的，触点接触的是否可靠直接影响数据传递的可靠性。从IC卡的原理可以看出，卡上电路芯片的功能越强，其电路就越复杂，自身的能量消耗就越大。接触式IC卡的工作能源是通过卡上的触点与有源读卡器接触提供，芯片的功耗不是主要问题，因此在接触式IC卡上实现CPU是较成熟的技术。（2）非接触式IC卡没有向外引出的触点。它除了含有上述三种IC卡的电路外，还带有射频收发电路及相关电路。非接触式卡中集成了接触式卡的电路和微功率无线收发电路，有的还含有内置电池。通过此无线收发电路，非接触式卡可以与相应的读写设备进行数据通信，取消了接触式卡上用以获得工作电源和进行数据通信的金属触点，操作方式也由接触插拔改变为非接触方式。 按照供电的方式不同，非接触式IC卡分为电磁感应式和微波遥控式两种。电磁感应式卡由读写设备辐射的电磁波提供工作电源，因此，非接触式卡可以做成无源的。由于电磁感应式IC卡是从读写设备辐射的电磁波中获得工作电源，因此工作的距离较近，一般小于30cm，工作频率的选择范围较大，从几百千赫到几百兆赫都可以。它可以用作电子车票、电子钥匙和电子身份证等。微波遥感式IC卡一般由内置电源提供工作电源，由读写设备遥控操作。由于卡内有电源，因此允许卡的操作距离较远。目前，微波遥感式IC卡的操作距离可以达到24m，典型寿命为3年。为了使卡及其读写设备中无线发射频率电路有较高的辐射效率，其工作频率一般选择在微波频段，如2.442.45GHz。它主要应用于超净环境和高速公路的不停车收费系统等领域。3 IC卡常使用的存储器芯片种类及特性存储器类型：1. ROM (Read Only Memory)只读存储器，一次写入后不可更改或删除。一般由芯片制造商进行掩膜写入信息，价格便宜，适合于大量的应用。2. RAM (Random Access Memory)随机存取存储器，掉电后信息丢失，卡片上需电源。一般和其它种类的存储器共同使用，作为信息处理时的临时存储。3. PROM (Programmable ROM)一次编程多次读出存储器，可由用户编程写入应用信息，价格较便宜适合于较大量的应用。4. EPROM (Erasable PROM)可在紫外线擦除之后写入信息。目前，在IC卡中已经很少应用。5. E2PROM (Electronically EPROM)电可擦除、写入存储器。如表（1）所示表一 各种卡的比较卡类型磁卡IC存储卡IC智能卡非接触IC卡（射频卡）激光记录卡存储容量50200B512 -64KB8K-64阳数B-数百M2-3MB存取介质磁介质EPROME2PROMEPROME2PBOMEPROME2PBOM激光读写方式磁头(电磁变换)电信号电信号电磁感应方式3cm1m(写入)照像制版(读出)激光CCD激光删除重写功能有有有有正开发中读出速度300BS5MBS1.2KBS20KBS读写故障原因磁场，脏，外伤静电，脏，外伤静电，脏，外伤扭曲脏，外伤安全性伪造，或存储内容被删改存储内容较难被删改存储内容很难删改存储内容很难删改好寿 命2-5年约10年约10年10年以上半永久目前，在IC卡上应用得最多的为带加密运算的微控制器（MPU+CPU）逻辑控制、管理功能、加密、解密等运算功能如：飞利浦公司的83C852等。不带加密运算的微控制器（CPU） 逻辑控制、管理等功能如：日立公司的H8系列等。第二章 非接触式IC卡目前经常接触到的IC卡有两种：接触式的和非接触式的IC卡。接触式的IC卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据;非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。接触式IC卡，它具有存储量大(以兆为单位)，保密功能强(有多重密码设置和认证功能)，可实现一卡多用。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的日槽才能完成数据交换，这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上IC卡的触脚暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。 接触式IC卡与磁卡比较: （1）其先进的硅片制作工艺完全可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的能力，而且由于硅片的体积很小，里面有环氧液的保护，外面有PCB板及基片的保护。因此，抗机械、抗化学破坏的能力也很强;（2）其容量远比磁卡大，可以作到几千字节(当前已达到2M位)，而且EEPROM可以分区，并且可以有不同的访问级别，这就为不同的信息处理及一卡多用提供了方便;（3）其加密性为磁卡远不及，首先体现在芯片的结构和读取方式上，由于容量大而且存贮器的读取和写入区域可以任意选择，因此，灵活性大，即使一般的非加密存贮器卡，采用特定的技术，也具备较强的保密性，对于加密存贮器卡，存贮区的访问受逻辑电路的控制，只有各密码核对无误后，才能进行读写操作。而且密码核对次数有规定，超过限制的次数，卡将被锁死;（4）其相关设备的成本，也是磁卡的高。因此，目前市场上广泛使用的磁卡有被IC卡替代的趋势。尽管接触式IC卡作为一种成熟的高技术产品，已给人们工作、生活的现代化程度添加了光彩，但也存在某些同磁卡一样的可靠性和操作速度慢的问题。1)使用时存在IC卡芯片触点与读写设备插座之间频繁的机械接触、容易造成二者的磨损与由于接触读写而产生的各种故障。例如，由于粗暴、倾斜或不到位插卡，非卡外物插入，以及灰尘、氧化、脱落物或油污导致接触不良等原因造成的故障;2)由于集成电路芯片有一面在卡片表面裸露，容易造成芯片脱落、静电击穿、弯曲、扭曲损坏等问题;3)卡片触点上产生的静电可能会破坏卡中的数据;4)存在因环境腐蚀及保管使用不当，而造成卡触点损坏使IC卡失效的问题;5)由于插拔卡的速度较慢，完成一次操作需要的时间比较长，这就严重影响应用在需要快速响应的场合，例如地铁、公交及高速公路的收费上。2.1 非接触式IC卡2.1.1 概述非接触式IC卡又称射频率卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。系统由控制器、读写器、IC卡组成。系统按13.56MHz的工作频率以半双工方式在读写器与IC卡之间双向传递数据。读写器将要发送的信号，编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经天线向外发送,进入读写器工作区域的IC卡接收此脉冲信号,一方面卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号;同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断，若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后经卡内天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM时所需的高压，以便对EEPROM中的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息与接触式IC卡相比较，非接触(感应)式IC卡具有以下优点:* 操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用户使用;而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需0.1秒，这就大大提高了每次使用的速度。* 抗干扰性高非接触式IC卡中有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡同时进入读写范围内时，读写设备可一一对卡进行处理。这提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。* 可靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写而产生的各种故障;而且卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中，这也进一步提高了应用的可靠性和卡的使用寿命。* 高安全性非接触式卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中，不可以更改;非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性，IC卡也要验证读写器的合法性;非接触式IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证;而且在通讯过程中所有的数据都加密;此外，卡中各个区域都有自己的操作密码和访问条件。* 适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用，能应用于不同的场合或系统，例如，企业或机关内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等;校园“一卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等，此时用户可根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。* 适应于多种要求非接触式IC卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同，如用于高速公路或一般路、桥收费，可选用作用距离为0.6m20m的系统，如用于电子钱包或公交收费，可选用作用距离仅几厘米的系统。系统配置相当灵活多样。2.1.2 非接触式IC卡的一些关键技术非接触式IC卡的工作特点，反映在设计与制造过程中存在的一些技术难点，主要集中表现在芯片的制造和卡片的封装方面。目前，深圳市清华茂物信息技术公司已可大规模、高品质地进行LEGIC卡片制作。1.射频技术非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，对射频卡的设计主要需解决:*无源设计，需由读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需直流电压;*卡内需有经特殊设计的天线，并埋装在卡内;*必须保证有良好的抗干扰性能，而且还要设有“防冲突”电路。2.低功耗技术无论是按有源方式还是按无源方式设计的非接触式IC卡，一个最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡片的寿命和扩大应用场合，可以说降低功耗，同保证一定的距离是同等的重要。因此卡内芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工艺和有关技术，如电路设计中采用“休眠模式”技术进行设计制造。3.封装技术由于非接触式IC卡中需要埋装天线、芯片和其他特殊部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性和高温高压工艺中芯片电路的安全性，需要特殊的封装技术和专门设备。4.安全技术除了卡的通讯安全技术外，还要以卡用芯片的物理安全技术和卡片制造的安全技术这二个方面再和前者构成其强大的安全体系。2.1.3 非接触式IC卡的种类可以说种类繁多，如按卡内集成电路的不同可分为:*存贮器卡卡中集成电路具有加密逻辑和电可擦除的可编程只读存贮器EEPROM。*CPU卡卡中的芯片电路包括MPU(中央处理器)、EEPROM、RAM、ROM等，片内操作系统COS装在ROM中，有的卡内芯片还集成有协处理器CAU，以提高安全性和工作速度。*低频卡卡与读写器间通信使用的频段为低频段，如125KHZ。*高频卡卡与读写器间通信使用的频段为高频段，如13.56MHZ、2.45GHZ等如按工作距离的不同可分为:*近距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几十厘米。*远距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几米到几十米。如按卡内芯片供电方式的不同可分为:*有源卡卡内带电池。*无源卡卡内无电池，工作时由读写设备通过无线方式供电。2.1.4 非接触式IC卡的应用正是由于非接触式IC卡的上述特点，使它在某些领域具有接触式IC卡无法比拟的优越性，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。特别是在地铁、公交、路桥、轮渡等收费应用中，近期将占到整个卡应用的50%以上。2.2非接触式IC卡工作原理非接触式IC卡系统由读写器和非接触式IC卡两部分组成。应用系统通过读写器对卡进行操作；读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯，并为卡上芯片提供能量；非接触式IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。非接触式IC卡通过连接IC芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量，非接触式IC卡的读写器通过发射线圈发射交变强磁场，强予IC卡能量，通过磁场的断、续编码写入数据，并通过线圈感应IC卡发生的磁场阅读IC卡发来的数据；IC卡通过交变磁场获得能量，通过检验磁场的数、续获得读写头写来的数据，并按设定的模式编码、调制，向读写头发出数据。例上海华虹集成电路公司开发的SHC1701 RF读写模块。它主要由射频和SHC1501大规模集成电路构成，共同安装在PCB板上，同时安装屏蔽罩，可完成读写器与IC卡之间的各种交互功能，包括调制/解调、加密/解密、认证、读写、加/减等，并具有同微处理器的接口。其基本结构如图1所示。非接触式IC卡与读写器的通信内容包括复位应答、防冲突、选择卡片、相互认证、对数据块的操作和中止。第三章: 预付费和自动抄表收费系统的特点31预付费电表的类型及特点预付费电表可以根据其使用的载体（记录购电量）分为电卡式、IC 卡式和磁卡式。其中，磁卡成本低廉，但其防磁性差，易损坏，且保密性不强；电卡一般为某个公司自己定做的小型板卡，其成本偏高，对发卡单位来说，通用性差，保密性值得怀疑；IC 卡则具有价格适中，便于携带，保密性好等特点。所以，目前电力管理部门大多采用IC卡预付费电表。3.1.1 电表自动抄表系统类型及特点电表自动抄表系统采用计算机通讯技术，通过某种通讯方式（如电力线载波、电话线、双绞线、无线通讯或红外方式）自动统计各个用户的用电量，并送达至远程监控和管理中心，在整个过程中，无需人工参与，方便了用户，提高了管理效率。现就自动抄表系统中所使用的通讯方式作一些简单的描述：电力载波方式电力载波方式的自动抄表系统是较早使用的通讯方式，大致分为以下几种：由分立元件组成的FSK 电力载波方式，通常通讯速率在3001200 之间，可靠性较差，且故障率较高，目前已基本上被淘汰；FSK 电力载波集成电路方案，包括SGS-Thomson 的ST7536（1200bps）,National 的LM1893（300-1200bps），它们的故障率大大地降低，但在国内应用中，其通讯误码率较高，未得到迅速发展。SSC（扩展频谱电力载波）方式的集成电路方案，主要是Intellon 公司SSCP200/SSCP300和SSCP111芯片组方案，这种通信方案抗干扰性较强，通讯速率较高（可达9600sps）,目前正处于推广应用阶段。电话线方式主要用于集中抄表以后的数据远程传输，目前大多采用现有的外置MODEM 或采用MODEM芯片方案，MODEM芯片包括一些价格低廉的DTMF芯片方案（如Motorola的MT8800/8880等），专用MODEM芯片方案（如TDK的73kxxx系列, Motorola的MC145745，AMDAM7900/7910, Zilog的Z02201/02922/02205等。双绞线方式采用此通讯方案的均为位总线方式，包括：RS485/422, 这是目前使用最为广泛的一种通讯方式，其价格低廉，通讯速率和通讯距离都能很好地满足自动抄表的要求，但其接口易损坏，通讯可靠性一般；ProfiBus 和BitBus, 其物理层与RS485/RS422 相同，加入了数据链路层，以信息包的方式传递数据，其内部软件模块完成数据打包/解包，CRC校验等任务，使可靠性大大地提高；CAN 总线，最早应用于汽车，现在已经广泛地应用于各行各业。CAN 总线较好地解决了总线冲突和仲裁，避免了接口芯片意外损坏。由硬件完成数据打包/解包，CRC 校验等任务，其通讯距离、速率和可靠性都优于基于RS-485/RS-422物理层的通讯方式，有较高的性能价格比。无线方式无线方式包括无线电和红外，这些方式目前使用较少，且无太大优势。另外，在此需要说明一下LONWORKS，该网络基于Neutron技术，集成了OSI全部的七层协议，适合多种通讯介质，包括电力载波，双绞线和无线通讯。在通讯速率、距离和可靠性上都有较强的优势，但其价格稍贵，目前国内已在此行业推广应用，有较好的发展前景。智能电表的工作原理及基本结构智能电表大体上可以分为机电式和全电子式两种: 机电式借用原感应式电度表的机芯,通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量;而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式, 进行A/D 转换, 将采样值相乘并累计, 计算用户的用电量。 机电式智能电表成本较低,主要用于单相电度表, 适合于居户使用; 全电子式电表主要用于三相电计费,针对企业应用。智能电表主要组成部分及功能如下:中央处理单元： 完成电能计算、用电监测，完成电量数据本地处理或协助数据的远程处理；用电量采集单元：机电式通过光电传感器读取转盘转数来计算用户的用电量; 而全电子式电度表采用通过A/D测量电压电流值来计算用户的用电量；数据存储单元：保存用电量及其相关的数据；显示单元： 显示用电量和一些必要的数据；负荷控制单元： 监测用户安全的、合法的用电；数据交换单元： 预付费通过IC 卡、磁卡等介质完成数据交换，自动抄表则通过通讯网络完成数据的相互传递；电源单元：由于电表的整个功率要求较小，绝大多数采用线性电源方案，提供+5V 和+12V 电源其基本结构图如下：测量电路显示单元CPU处理单元电源单元负荷控制单元数据存储单元输入输出单元（读卡方式或通讯自动抄表）电度表典型结构图3.2 发展方向预付费电表使电力资源真正成为一种商品，可以先售后用，有利于电力部门的管理和发展，也比较适合中国的国情，目前已经在全国许多地区推广应用，包括北京、南京等大中型城市。但现场使用的预付费电表的智能程度有限，而且IC 卡等转储介质自身的保密性也有限，使这种方式的保密性不高，给不法分子提供了可乘之机，有待于进一步的完善。近几年来，由于各种通讯方式在自动抄表系统中的成功应用，特别是电力载波方式（无需另设通讯电缆，尤其适合于现有居民电表的改造），使自动抄表系统得到了迅速发展。随着我国“三金工程”的发展，“个人银行帐户制”将开始实行，银行将对电、水、煤气等费用全面托收，一旦自动抄表系统接入银行计算机网络，则直接可以通过银行完成收费，大大地提高了经济效率和社会效率。自动抄表系统代表了电力收费的管理信息化、网络化的发展方向，其应用前景将越来越广阔。第四章：系统硬件设计与实现4.1 系统设计要求（1）用户持IC卡到供电部门交款购电时，供电部门把用户的IC卡放在与PC机相连的读写器上，由写卡程序在IC卡上写入与用户交款数相符的一定电度数。（2）用户把IC卡带回家，将卡掠过家中预收费电度表的读定，卡中电度数被主机读出，与预收费电度表中来剩余的电度数相加。由于机内采用备用电池，不怕掉电失去数据。（3）电表表盘转动时，由红外发射接收管把表盘数变成电脉冲送入单片机。单片机记录表盘的转数，当转数等于电表常数时，通过单片机控制使内存中的剩余电度数减去一度。（4）单片机随时监测内存中剩余电度数是否小于15度。如是，则点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器，提示用户持卡到供电部门重新购电。（5）当单片机发现用户电表中剩余电量完全用完时，控制继电器切断用户供电电源。（6）电卡按一表一卡配置，内存有相应的的卡号和用户编号，以及IC卡的传输密钥。用户反CI卡放在供电部门的读写器上时，PC机在为用户写入所购电度数的同时，记录该卡的卡号、日期和相应的款数，并写入数据库，使得供电部门可随时在PC机上查询用户购电情况，实现了供电管理部门的管理现代化。（7）系统采用VB的通讯控件通过RS232与单片机进行通讯。微机通过事先约定好的字符来实现对单片机的控制，如小区的管理中心定期通过RS232串行通讯口读取用户电度表的使用电量和剩余电度数，并制成数据库加以保存。供电部门可通过Internet对小区采集的数据进行访问和管理，从而实现了供电管理部门网络化的管理手段。（8）本装置属于二次仪表，精度主要取决于一次仪表。只要表盘转动正常，二次仪表不会引入误差。4.2 硬件电路及分支电路的设计本系统采用AT89C52为主机，在原普通单相电度表上加装一对红外发射接收管，对转盘转数进行计数，主机完成对用户用电量的记录、累加、显示和控制功能。配上一块非接触式IC卡，完成从供电管理部门到用户间的币度转换和电度数量的信息传递。非接触式IC卡预收费电度表的硬件电路结构图如图2所示。图中主控单元采用AT89C52单片机，其内有8K字节的快速擦写存储器（FLASH），无需外接程序存储器（EPROM）。外接电路主要包括：四位LED显示电路、电表表盘检测电路、控制供电的继电器电路、振铃控制电路、RS232串行通讯电路、看门狗复位电路、电源控制电路以及控制非接触式IC卡的SHC1701读写模块。P1.0 Vcc:P1.3 P0.0P1.4 ; P0.7P1.5 Reset P1.7 P3.0 ; P3.1电源显示电路测量电路继电器电路振铃电路SHC1701IC卡读/写模块看门狗电路RS-232微机图（2）硬件电路结构图4.2.1 IC卡读写模块及显示电路SHC1701 RF模块是IC卡读写器的核心单元，它由SHC1501专用电路和RF电路等组成，覆盖了所有对非接触式IC卡SHC1101的访问操作。显示部分采用数码显示，利用串行输入BCD码十进制译码驱动显示器件MC14499来完成与单片机系统的显示接口，以显示读写器工作状态、输入的数据或读出IC卡中所剩余以及出错信息等。此器件主要有1个20位移位寄存器、1个锁存器、1个多路输出器。多路输出器输出的BCD码经段译码器译码后，换成七段码（abcdefg）和小数点DP送到段驱动器输出。在供电部门存款时，将显示存入电卡中的电度数。4.2.2 测量电路方案I: 采用机械电表，通过对转盘转动圈数的记数来测量电能。在转盘上涂上大约1cm宽的“黑条”。在转盘的上方或下方设置一个红外线发射接收对管。当红外线照射在在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线，当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，单片机通过对脉冲的记数完成电能的计量。优点：不会对机械电表造成损伤。缺点：“黑条”涂料不容易选择，宽度也不容易控制，且易褪色，容易使产生的脉冲不稳定，从而影响对电量的记数。方案II； 同样选择机械电表，也是通过对转盘转动圈数的记数来测量电能。不同的是需要在转盘上打孔，在孔的上方和下方设置一个红外线发射接收对管，当有光线透过孔的时候，接收对管接收到，当光线照在其他部分时，不能被接收，这样转盘每转一圈，同样产生一个脉冲，单片机通过对脉冲的记数完成电能的计量。优点：产生的脉冲比较稳定。缺点：会对机械电表造成伤害，打孔后使转盘的转动有轻微的振动。 方案III： 选用电子式的电表，利用电能测量集成电路来测量电路来测量电能，微处理器是通过对脉冲的计数来累计所消耗的电量。优点：对脉冲的计数很准确。缺点：由于电源等引入的干扰很容易导致程序指针跳飞，可能引起不可预测的后果，诸如剩余电量等数据的丢失或改变、死机等。成本也比较高，不宜在原有电网上进行改造。综合三种方案的实用性和稳定性，选择方案II电表转盘读数头（红外发射接收管）产生的脉冲信号经一个非门输出到单片机的P1.4口，单片机实时对P1.4口进行监测。4.2.3看门狗电路基于X25045的新型看门狗电路看门狗(Watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一。本文用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中。工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但目前工控系统仍在使用廉价的普通型8051系列单片机，则看门狗电路必须由用户自己建立。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。X25045芯片简介X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图1所示。图1 X25045引脚图其引脚功能如下。CS：片选择输入；SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出； SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；Vss：地；Vcc：电源电压；RESET：复位输出。X25045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表1所示。表1 X25045指令及其含义X25045看门狗电路设计及编程X25045硬件连接图如图2所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。图2 X25045看门狗电路硬件连接图看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表2所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表2 X25045状态寄存器WD10，WD0=0，预置时间为1.4s。WD10，WD0=1，预置时间为0.6s。WD11，WD0=0，预置时间为0.2s。WD11，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。以下是C语言编写的看门狗程序部分。#include reg51.hsbit cs=P12;/*片选信号由P1.2产生*/sbit sck=P13; /*时钟信号由P1.3 产生*/sbit si=P10; /*SI由P1.0产生*/sbit so=P11; /*SO由P1.1产生*/sbit c=ACC7; /*定义位变量*/bdata unsigned char com; void tran() /*发送一字节数据子函数*/unsigned char i; for(i=0; i8; i+) ACC=com; /*将数据放入a中*/si=c; sck=0; /*sck产生一个上跳变*/com=com1; /*左移一位*/return; main()com=0x06; /*发写读使能命令*/cs=0; tran();cs=1; com=0x01; /*发写状态字命令*/cs=0; tran();com=0x00; /*定时1.4s*/tran();cs=1;.;系统正常运行的程序部分需要注意的是，在程序正常运行的时候，应该在适当的地方加一条喂狗指令，使系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。系统就不会复位。喂狗指令如下。main().;系统正常运行的程序部分cs=0; /*产生cs脉冲*/cs=1; X25045的看门狗电路使用十分方便。X25045内部还集成了512BEEPROM和电压运行监视系统，只需这样一块芯片，外加晶振和复位电路就可以组成单片机的应用系统，非常适合于便携式仪器和嵌入式系统的设计。 继电器电路继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 .继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 .作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： .1) 扩大控制范围。例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 .2) 放大。例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。.3) 综合信号。例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 . 4) 自动、遥控、监测。例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。 振铃控制电路蜂鸣器是在每次读卡操作不成功的时候发出报警指示音。由于MCU的I/O口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一 PNP 型晶体管组成晶体管驱动电路，MCU I/O口（P3.4）输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。本设计选用蜂鸣器的工作电流为10mA，其驱动电路如图3所示。4.2.6RS232串行通讯电路RS232串行通讯电路采用MAX232芯片，实现单片机与微机的数据交换。微机主要采用VB的通讯控件通过RS232与单片机进行通讯，通过事先约定好的字符对单片机实现控制。当机内的电度数用完时，单片机就置P1.5口为低电平，继电器控制电路就切断用户供电电源。标准异步串行通信接口技术RS-232C总线标准接口：RS-232标准接口的全称是：“使用二进制进行交换的数据设备和数据通信设备（DCE）之间的接口”。计算机、外设、显示终端等都属于数 据终端设备，而调制解调器则是数据通信设备。RS-232在通信线路中的连接的方式如下图所示：“RS-232C”中的RS是RECOMMENDED STANDARD的缩写。232是标识符，C表示此标准修改了三次（原来有过RS-232A、RS232-B标准）RS-232C定义了20根信号线，其中最常用的信号线的定义、分类及功能见下表：引脚号信号名称简称方向信号功能1保护地-接设备外壳，安全地线2发送数据TXDDCEDTE发送串行数据3接收数据RXDDTEDTE接收串行数据4请求发送RTSDCEDTE请求切换到发送方式5清除发送CTSDTEDCE以切换到准备接收（清除发送）6数传设备就绪DSRDTEDCE准备就绪7信号地-信号地8载波检测（RLSD）DCDDTEDCE已接收到远程信号20数据终端就绪DTRDCEDCE准备就绪22振铃指示RIDTE通知DTE，通信线路以妥电气特性：由于RS-232C是早期（1969年）为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平是对地对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平为+5V+15V之间，逻辑1电平为-5V-15V之间，因此，RS-232C驱动器与电平连接必须经过电平转换。RS-232C由于发送器和接收器之间具有公共的信号地，不能使用双端信号，因此，共膜噪声会耦合到信号系统中，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的主要原因。即使如此，该标准的信号传输速率也只能达到20KB/S，而且最大距离仅15M。只有在这种条件下才能可靠地进行数据传输。下表列出了RS-232C的主要电器性能：不带负载时驱动器输出电平V025V(-25+25V)负载电阻RL范围37KW负载电容（包括线间电容）CL+3V传号（MARK）或逻辑“1”时驱动器输出电平-5-15V在负载端-3V输出短路电流0.5A驱动器转换速率30V/us驱动器输出电阻R0300W)(在断电条件下测量)第五章：系统软件设计与实现本非接触式IC卡预收费电度表的程序采用了模块化的设计，整个系统由用户端电度表计费程序和供电部门存未及管理程序两部分组成。每部分程序又由单片机系统程序和VB用户接口程序两部分组成，单片机程序和VB程序之间采用VB的通讯控件MS