分体式单相电能表设计

摘 要 I 摘 要 本课题基于各居民楼以及宿舍公寓的电能计量和数据远传中存在的问题， 设计了一种分体式单相电能表。分体式单相电能表主要户外表（计量控制部分 MCU）和户内表（插卡输电显示部分UIU）两部分组成，外表安装在室外，内表 安装在室内，两表使用4芯通讯线连接。 系统主要构成：（1）电能计量单元：由 ADE7755 构成，它的主要作用是 通过对电压、电流的采样，实现对各个用户所用电量累积和存储，并把电量转 换成相应的脉冲信号，送进单片机进行处理。（2）单片机系统：本次主要采 用 PIC 单片机，它具有性能高、速度快、体积小、价格低和通用性强等特点。 它的主要作用是接收 ADE7755 送来的脉冲信号，转化并存储各用户的用电量， 经过相应的处理后，控制显示单元定时和轮流显示各用户的用电量，同时控制 对外通信，完成远程控制等工作。（3）采用 RS485 通信。（4）显示单元：采 用 LCD 显示，显示用户的剩余电量和用电总和。（5）接触式 IC 卡单元：实 现预付费功能。采用射频卡。实现先买电，后用电，当电量不足时断电报警， 通知用户买电。电量用尽时，自动实现断电功能。 随着我国电力行业的发展，电表也日益智能化。分体式单相电能表的电能 计量、数据处理运算、IC 卡读入、用电量显示等装置分装成户内户外两部分， 两个表内各设一套通信装置，相互间利用 RS485 进行通信。主表可按原电能表 的进出接线接入电网，另一个表放在家庭公寓内。目前，市场上的电能表有很 多问题，如计量电能存在误差，户数越多，误差越大，并且电表箱损坏严重。 分体式电能表能准确实现电能计量，实现预付费功能，并且能有效的制止窃电 现象的发生。综合上述，分体式单相电能表，功能全、体积小、性能价格比高， 符合我国农村和城市的现实状况，具有非常大的市场潜力。 关键词:分体式电能表、多用户、ADE7755 ABSTRACT II ABSTRACT This topic is based on energy metering for residential buildings, as well as dormitory apartment and remote data transmission problems, the design of a split single phase energy meter.Split single-phase energy meter outdoor table (measurement control part of the MCU) and the indoor tables (card transmission part of UIU) composed of two parts, the appearance is installed outdoors, the inner table installed in the interior, and two tables using the four core communication cable. The system main components：(1) energy metering unit: ADE7755 constitute its main role is the sampling of the voltage, current, power accumulated and stored on individual users, and power conversion into the corresponding pulse signal sent to the microcontroller for processing.(2) single-chip system: The main use of the PIC microcontroller, which has high performance, high speed, small size, low price and versatility. Its main role is to receive the ADE7755 sent the pulse signal, conversion and storage of all users of electricity consumption, after appropriate treatment, the control unit timing and cycle the power consumption of each user, while controlling external communications, and complete remote control job.(3) by RS485. (4) Display unit: LED display to show the user the remaining sum of electricity consumption and electricity.(5) contact IC card unit: pre-paid functionality. Using radio frequency card. The realization of the first to buy electricity, electricity, when the low battery power alarm to notify the user to purchase electricity. Power is exhausted, the automatic power-off function. With the development of Chinas power industry, electricity meters are becoming more intelligent. Split single-phase energy meter, energy metering, data processing operations, the IC card read into the power display devices such as packing into indoor and outdoor two parts, two tables, each with a set of communication devices, among use RS485 to communicate . The main table and out of the original energy meter wiring connected to the grid to another table in the family apartment. At present, the power meter on the market there are many problems, ABSTRACT III errors such as measurement of electrical energy, the more the number of households, the greater the error, and serious damage to the meter box. The split-type power meter accurate energy metering to achieve pre-paid function, and can effectively stop stealing phenomenon occurred. In summary, the split single-phase watt-hour meter, full-featured, small size, high cost performance, in line with the reality of Chinas rural and urban, with a very large market potential. Keywords: split meter multi-user ADE7755 目 录 IV 目 录 摘 要 ABSTRACT 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 电能表的发展历史.1 1.2 分体式电能表国内外现状.1 1.3 本文的主要研究内容.2 1.4 本课题的主要研究意义.2 第二章 电能表总体电路设计及功能.4 2.1 电能表总体设计.4 2.2 电能表功能.4 第三章 电能表各部分硬件设计6 3.1 计量端部分硬件设计.6 3.1.1 电源电路硬件设计 .6 3.1.2 计量部分硬件设计 .8 3.1.3 单片机单元设计 13 3.1.4 显示电路设计 15 3.1.5 继电器电路设计 15 3.2 刷卡端电路设计. 16 3.2.1 MF RC500 芯片概述 16 3.2.2 Mifarel 射频卡的结构和工作原理 . 19 3.2.3 单片机电路和显示单元 . 20 3.2.4 IC 卡座电路 . 21 3.3 远程通讯模块 22 第四章 分体式单相电能表软件设计.24 目 录 V 4.1 分体式单相电能表总流程图. 24 4.2 计量端程序设计. 25 4.2.1 脉冲采集程序流程图 . 25 4.2.2 显示部分流程图 26 4.2.3 中断程序流程图 26 4.3 刷卡端程序设计. 27 4.3.1 IC 卡检测电路 . 27 4.3.2 射频卡读写程序 28 第五章 形成干扰的原因和防范措施.30 5.1 干扰形成的原因及影响. 30 5.1.1 形成干扰的主要原因 30 5.1.2 对电能表的影响 30 5.2 电能表抗干扰技术. 31 结 论33 参考文献34 致 谢 35 附 录36 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 电能表的发展历史 电能表是用来测量电能的仪表，俗称电度表、火表。最初的电能表是由美 国人爱迪生利用电解原理发明的，他发明的是直流电能表。随着交流电的发现 和应用，人们又发明了交流电能表。电能表按原理划分，电能表分为感应式和 电子式两大类。 意大利人弗拉里斯提出用旋转磁场的方法来测量电量，将两个同频率但空 间和相位不同的交变磁场作用于一个可转动的导体上，导体就能旋转。这种原 理的电能表叫做感应式电能表。此后，德国人布勒泰制作成功了第一块感应式 电能表。从此，感应式电能表得到了迅猛的发展，人们在缩小感应式电能表的 体积和改善性能方面取得了长足的进步。感应式电能表的在具有成本低、操作 简单等优点的同时，也存在许多缺点，比如在准确度方面比较低、功能比较单 一等。 随着技术的不断发展，对电能表提出了新的要求，分体式电能表应运而生。 由于机械感应式电能表对非线性负荷时误差较大，精度低、功能单一等缺点， 它的发展受到了很大的限制。而分体式电能表功能齐全、精度高和通信功能， 分体式电能表得到了长足的发展。分体式电能表集中了它们的优点，得到了长 足的发展和广泛地应用。 1.2 分体式电能表国内外现状 分体式电能表和机械式电能表相比有极大的优越性，它具有强大的通讯功 能，可以应用于远程抄表，电能自动采集和计费等方面，因此分体式电能表得 到了广泛的应用。而在初期，分体式式电能表推广受到了人们的质疑，主要原 因是其使用寿命和可靠性指标方面存在较大的缺陷。初期的分体式电能表很容 易失效，机械式电能表属于机械磨损型失效，随着使用时间的加长，精度逐渐 降低，计量度数还在，其影响相对电子式电能表较小。而分体式电能表是偶发 性失效，出现故障就可能导致计量数据丢失。此外，分体式电能表还有抗干扰 第一章 绪论 - 2 - 能力差的弱点。随着电子技术的进一步发展，分体式电能表的各项性能逐步完 善。分体式电能表已经逐步广泛应用。在国外，分体式电能表的发展非常快， 欧洲许多国家已经停止感应式电能表的使用，更多使用分体式电能表。 在我国，随着电力生产对电能表的要求愈来愈高，分体式电能表渐渐地 得到广泛的应用。分体式单相电能表的主要技术指标和单块电子式电能表相当， 而功能比单表强，性能价格比高于单表。功能全、性能价格比高的特点，使分 体式电能表具有很大的市场潜力。 1.3 本文的主要研究内容 本文主要介绍了电能表技术发展和应用的现状，结合我国的国情研究设计 了一种分体式单相电能表。它以微处理器为核心，通过adc7755，实现对电能 的测量以及显示，采用PIC系列单片机设计了分体式单相电能表的数据处理系 统，并通过RS485总线实现与外界的通信及信息传输。系统分为刷卡端和计量 端，负责识别卡类型、显示是刷卡端，通过rs485连接多个计量端。负责对电 能的计量的是计量端。 1.4 本课题的主要研究意义 在我国目前使用的电能表中，机械式电能表功耗较多、体积较大、功能单 一，人工抄表需要大量的人力物力。 分体式电能表在预付费电能表中的应用，大大增强了预付费电能表的抗 攻击性能。采用分体式预付费电能表，主表可以安装在电线杆或者计量箱等用 户较难接触到的位置，增加用户对电能表本体进行攻击的难度，从而降低用户 对电能表的接线进行篡改或者对电能表薄弱部分进行攻击的可能性，增强主表 的安全性。在窃电情况日益严重的今天，分体式电能表是一种简单有效的防窃 电手段，开发和应用集多表位于一体的、多用户多功能组合式新型电能表具有 重要意义。 分体式单相电表具有以下特点： 第一章 绪论 - 3 - 1. 数字显示：LCD轮询显示剩余电量和累计用电量，清晰直观，操作户内 表的按钮可以显示所有主表信息。 2. 防窃电：计量部分安装在户外用户不能直接接触到的地方，防窃电效果 好。 3. 过电流保护：负载电流超过电表所允许的最大电流时，电表自动断电保 护。 4. 显示单元可作为独立的功能模块，当本体失效时不会影响主表的功能； 5. 具有独立的IC卡口，实现了预付费功能，装电和抄表更加方便，而且可 以鉴别卡的类型和用户； 6. 具有远程通讯接口，采用RS485进行通信，户外表安装在高处，而户内 表安放于人们方便的地方，用户可以很方便的查看自己的用电信息，当出现故 障时，可以及时的修理检测； 针对这些明显的特点，把目前分散计量的电能表数据通过单片机进行集中 采集处理，研究设计了一种适合我国城镇居民用电计量的分体式单相电能表， 它由ADE7755来测量各用户的用电量，采用PIC单片机处理数据。同时实现对 对24户用电量同时计量并显示。另外使用RS485通信将电参数远传，并且采用 IC卡，实现了预付费功能，方便了人们的生活。在电子式电能表日益成为市场 主流的今天，它将有很好的推广应用前景。 第二章 电能表总体电路设计及功能 - 4 - 第二章 电能表总体电路设计及功能 2.1 电能表总体设计 分体式单相电能表主要由两部分组成，刷卡端和计量端。 计量端以微处理器为核心，通过集成电路ade7755，实现对电能的测量以 及显示，刷卡端主要由IC卡电路和显示单元组成，识别卡的类型并显示。在刷 卡端和计量端之间，通过RS485总线实现与的通信及信息传输。 图2-1 分体式单相电能表总体结构图 2.2 电能表功能 在上述电路图中，实现的主要功能有： 1. 电能计量功能:电能计量功能对24户用电量同时计量，其中包括累计计 量和实时计量。累计计量可实现对24个用户电能的消耗量进行累计计量，而实 时计量则随时记录每个用户的用电量。 单 片 机 计量单元 显示单元显示单元 单片机 IC 卡座电路 485 通信 第二章 电能表总体电路设计及功能 - 5 - 2. 显示功能：在户内 部分中，对24用户的用电量显示。 3. 采用RS485通信，将刷卡端和计量端连接起来，进行数据传输。 4. 接触式IC卡单元：实现预付费功能。采用射频卡。实现先买电，后用电， 当电量不足时断电报警，通知用户买电。电量用尽时，自动实现断电功能。 5. 防窃电：计量端安装在户外用户不能直接接触到的地方，防窃电效果好。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 6 - 第三章 电能表各部分硬件设计 分体式单相电能表采用轮询显示的查询方式，用ADE7755对每个用户进行 电能计量，并由PIC单片机进行数据处理。分体式单相电能表可实现对24户用 电量同时计量并显示。数据处理由PIC单片机和其扩展电路来完成，实现计数 和累加、控制显示单元等处理任务。另外，采用RS485进行远传通信，连接多 个计量端。刷卡端识别卡的类型、显示等。 3.1 计量端部分硬件设计 计量端部分的硬件设计包括电源电路设计、计量部分电路设计、单片机电 路设计、显示单元电路设计、继电器电路设计。 3.1.1 电源电路硬件设计 本电能表的供电方式如图3-1所示，主电源从电网中引进，经过变压器后， 降低电压，然后经过整流电路，使交流电流变为直流电路。经过整流电路后， 然后通过滤波电路，这大大降低了输出电压中的纹波，并且尽量保留了其中的 直流成分，使输出电压更加平滑，接近直流电压。由于滤波整流电路的输出电 压是不稳定的，它随着输入电压或负载的变化而变化，因此，必须通过稳压电 路来进行稳压。以78L05为主要芯片构成了三端电源稳压电路，它具有以下几 个特点： （1）最大输出电流为1.5A （2）输出电压为5V （3）具有热过载保护和短路保护 （4）输出晶体管安全工作区保护 78L05虽然是按固定电压来设计的，但是接入适当的外部器件后，就能获得不 同的电压和电流。电源电路如图3-1所示： 第三章 电能表各部分硬件设计 - 7 - 在电路图中，电源电路分为3个部分，分别是电能计量部分电源电路、PIC 单片机电源电路和RS485通信电源电路。电源电路部分为整个电能表的运行提 供能量。 电源电路包括四个部分，通过变压器，使220v的电压降到所需要的电压， 然后经过整流电路，使交流电流变为直流电流。然后再分别经过稳压电路和滤 波电路，使电压稳定并且滤过电流中的交流部分，得到+5V的直流电源。 图3-1 电源电路 第三章 电能表各部分硬件设计 - 8 - 3.1.2 计量部分硬件设计 电能表就是用来测量用户用电量多少的仪器。感应式电能表和分体式电 能表在测量用户用电量多少上的原理是不同的。但是，它们测量的基础上却是 一样的，都是等于电功率（P）乘以时间（T） 。 我国的额定电压为220V，额定频率为50HZ。假设在任意一段时间内，用 电设备两端额定电压和额定电流分别为下面公式所示： （2-( )sin()2sin() m U tUwtUwt 1） （2-( )sin()2 sin() m I tIwtIwt 2） 在电路课本中我们知道，设备两端有功功率为功率P=IUCOS， 则，用电设备在一个周期内所用的电能为: （2- ( ) 0 cos T t Wp dtTUI 3） 由于在实际生活中，我们无法准确地测得一个周期内用电设备两端的电压 和电流有效值，相位差更是没有办法测量，所以上面的公式只能在理论中应用， 在实际测量中无法实践。 另外，还有一种传统的感应式电能表，它的原理是在金属铝转盘中产生的 感应的电流，这个电流与线圈产生磁场相互作用，这个动力来推动铝盘旋转， 以此来计算所消耗的电能。但是，它的缺点过多，比如易失真、精确度不足， 而且由于摩擦阻力，会使计量单元出现极大的偏差。长时间后，甚至对电能计 量电路造成毁灭性的灾难。 以上两种计量方法，由于都存在着严重不足，因此都被放弃了。 另外电能的测量方法有以下两种： 第三章 电能表各部分硬件设计 - 9 - 第一种是由一个A/D转换器和CPU来完成的，用户的电压和电流信号通过 采样保持器来采集，并且通过A/D转换器来转化为数字信号。PIC单片机对数字 信号进行运算求得瞬时功率。但这种方法其可靠性难以保证。 另一种方法是用ADE7755来进行电能计量，ADE7755和少量的外围器件电； 路形成电能测量电路。每个用户的测量结果以一定频率的脉冲方式输送到PIC 单片机系统集中处理。 在分体式单相电能表中，电能计量部分主要是由ADE7755芯片来完成的， 下面介绍测量原理。ADE7755芯片是由公司生产的，与原有的同系列 AD7755相比，其芯片引脚较少，采用单+5V电源供电、低功耗的CMOS芯片。 具有量程宽(负载能力可达4-6倍)，精度高，内部具有掉电、上电自动复位电路 等性能优点。当发生短路、开路和旁路的情况时，除了具有输出指示外，还能 以原精度继续计量。它是一种高准确度的电能计量芯片。与其他计量芯片比较， ADE7755具有采用低成本、低功耗、上电自动复位电路等优点。此外，它只在 A/D转换电路和基准源中使用模拟电路，所有的其它信号处理(如相乘、滤波等) 都使用了数字电路，有效的去除了尖脉冲等干扰信号，使得ADE7755在恶劣的 环境能保持极高的准确度和长期稳定性。当电路发生短路等故障时，还可以继 续计量，而精确度则保持不变。在ADE7755中，低频频率从 F1和F2两个引脚 输出，高频频率从CF管脚输出。能用于仪表校验或与MCU接口。逻辑输出 REVP能指示负功率或错线。电流通道中的可编程增益放大器(PGA)使仪表能使 用小阻值的分流电阻。内部包含一个对AVdd电源引脚的监控电路，在Avdd上 升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态;当AVdd下降到4V以下，ADE7755 也被复位，此时Fl,F2和CF都没有输出。无论电流通道的HPF接通或断开， ADE7755的内部相位匹配电路使得电压和电流通道的相位始终匹配。另外， ADE7755内部的空载阐值特性保证了它在空载时没有潜动。 ADE7755芯片有24个引脚，采取DIP和SSOP两种封装形式，ADE7755的引 脚的基本功能介绍如下: 1. DVdd引脚:电路电源引脚，电源电压为5V士5%; 2.复位引脚:当为逻辑低电平时，具有复位功能，使ADC和数字电路复位; 第三章 电能表各部分硬件设计 - 10 - 3. NC引脚:未接任何电路; 4. REFIN/OUT引脚:可接外部电源; 5. SCF引脚:行使校准功能; 6.AVdd引脚：为模拟电路提供电源; 7，8. VIP、V l N引脚:将电流以模拟信号的形式输入，具有最大差动输入 电压; 9AGND引脚:接地端; 10CF引脚:此引脚的作用是输出校准频率; 11，12. S1,S0引脚:具有转换频率的功能; 13，14. Gl、GO引脚:能增加通道1的增益; 15，16. CLKIN,CLKOUT引脚:外接时钟电路，随时断电; 17. REVP:逻辑转换引脚，当电压和电流之间的信号相位大于或等于90度时， 转变为逻辑高状态; 18. AC/DC引脚：当为逻辑高电平时，发挥滤过高电平的作用 19，20. V2N、V2P引脚:将模拟信号输入通道2，具有最大差动输入电压; 21.DGND引脚:数字电路接地端; 22，23. F2,Fl引脚:输出低频信号。 模拟和数字电路两部分电路构成了ADE7755芯片的内部结构。当ADE7755 接收被测电压、电流后，被测电流经过放大器后，再经过A/DC转换为对应的数 字信号，而被测电压则转化为相应的数字信号。被测电压、电流转换为数字量 后，接下来的信号处理都由数字电路实现，包括相位校正电路、高通滤波器、 乘法器、低通滤波器和数字/频率转换器等。ADE7755内有两个以900kHz过采 样速率采样的16位2阶A/D转换器。被测电流经可编程增益放大器(PGA)放 大后接电流通道的A/DC，并由此A/DC转换为对应的数字信号。再经相位校正 和高通滤波，进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道A/DC转换而来的 第三章 电能表各部分硬件设计 - 11 - 与被测电压对应的数字信号。两者的乘机则为瞬时功率。计算得出的有功功率 经过低通滤波器，将其中的交流分量除去，剩下的则为瞬时有功功率。 ADE7755中的存储器将瞬时有功功率进行累积，并求出平均值，即为平均有功 功率，有功功率从F1、F2，2个管脚输出，由外接的计量器存储相应的电能。 同时，ADE7755还累积瞬时有功功率，计算并得到与瞬时有功功率成正比的高 频频率，由CF引脚输出送入PIC单片机中。 图3-2 ADE7755芯片 单用户电能测量电路主要有电压和电流检测电路、ADE7755芯片和其外围 电路组成。 电能计量电路主要工作原理是，首先被测电流经过传感器，再经过放大器 后，经过滤波电路滤掉其中的直流成分。再经过A/DC转换为对应的数字信号， 送到ADE7755的电流计量管脚，即VIP管脚和VIN管脚。而被测电压则转化为 相应的数字信号，送到ADE7755的V2P和V2N端口。两者的乘积即为有功功率。 ADE7755中的存储器将瞬时有功功率进行累积，并求出平均值，即为平均有功 功率，有功功率从F1、F2，2个管脚输出，由外接的计量器存储相应的电能。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 12 - 同时，ADE7755还累积瞬时有功功率，计算并得到与瞬时有功功率成正比的高 频频率，由CF引脚输出送入PIC单片机中。 图3-3 电能脉冲的采集电路 电能脉冲还需要进行整形和分频。 电能脉冲经过TLP521-1后，一般情况下，电能脉冲都是用中断方式来处理 的。就是把脉冲信号线送入单片机的外部中断引脚，中断程序通过脉冲的上升 沿或下降来启动，以此来计数。而分体式单相电能表，有24个用户的电能脉冲 需要检测，而所采用的PIC单片机只有18个中断源。另外当用电量较大时，脉 第三章 电能表各部分硬件设计 - 13 - 冲频率加快，有可能导致PIC单片机丢失脉冲信号。对于这个问题，对脉冲的 检测方法是:查询方式采用总线查询，然后通检测是通过电平来完成。电能脉冲 通过74HC74，作用是进行二分频，这样做的目的是对脉冲进行整形;并且延长 电平保持时间，以此来满足PIC单片机对对脉冲检测的要求，然后送入PIC单片 机进行处理。 D正边沿触发器 EPBQ 74HC74 Q - Q CP D EP BQ T0.25 sT0.25 s 90ms 图3-4 电能脉冲的分频和整形 3.1.3 单片机单元设计 分体式单相电能表使用的是PIC单片机，它主要完成对数据的处理，并且 控制显示电路和其他电路。 PIC单片机是美国微芯公司所生产的单片机型号。PIC16F946-I/PT单片机 是率先采用RISC结构的微处理器。 ，它具有指令单字节化、低功耗、寻址方式 简单和驱动能力强的特点。PIC16F946-I/PT除了具有PIC单片机所有特点外， 它片内还带有64、128或256字节的EEPROM数据存储器，另外其他程序存储 器也不是传统的OPT型，而是Flash型存储器。可实现直接在电路板上擦/写程 序。在这里PIC16F946-I/PT单片机主要任务是处理ADE7755上传来的脉冲信 号，并且将其计算，储存和显示。 下面先来介绍PIC16F946-I/PT芯片： 1.MCLR/V pp管脚：复位输入端/编程电压输入管脚。当电平为低电平时， MCLR管脚实行复位功能。 2. OSC1/CLKIN管脚：时钟振荡器晶体连接端口/外部时钟输入端 3. OSC2/CLKOUT管脚：时钟振荡器晶体连接端，时钟信号输出端。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 14 - 4. RA0RA5管脚：RA是一个输入/输出可编程双向6线端口。此外还有第 2，第3功能。 5. RB0RB7管脚：RB是一个输入/ 输出可编程双向端口；做输入时内部 有可编程弱 上拉电路。此外还有第2，第3功能。 6. RC0RC7管脚：RC是一个输入/输出可编程双向端口。此外还有第2， 第3功能。此外还有第2，第3功能。 7. RD0RD7管脚：RD是一个输入/输出可编程双向端口。此外全部管脚都 具有第2功能。 8. RE0RE2管脚：RE是一个输入/输出可编程3线双向端口。此外全部管 脚都具有第2、第3功能。 9. VSS管脚：接地端。 10. VDD管脚：正电源端。 PIC16F946单片机是分体式单相电能表的关键部分，它的主要功能是接收 用ADE7755的脉冲信号，然后对脉冲信号进行处理、存储。显示信息后再对外 输出结果。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 15 - 图3-5 PIC16F946芯片的管脚图 3.1.4 显示电路设计 在PIC单片机电路中，由两种显示模式：静态显示和动态扫描。静态显示 就是用PIC单片机的I输入输出端口输出固定的值，静态显示主要优点是硬件结 构上简单，程序处理也很少。动态显示，可以同时显示多位数码管，不停的刷 新IO端口，可以实现多位是的持续显示。在硬件方面，显示单元的输入接口都 与IO接口相连，不仅如此，IO口还要与所有的数码管的公共接口相连接，在显 示的时候，作为数码管的选择端。 在计量端，所采用的显示方式比较简单，采用LCD显示。 图3-6 显示电路图 3.1.5 继电器电路设计 继电器控制电路用于对用户的用电情况进行远程控制。当用户电表提示表 内余额为0而用户又没续费购买电量时，远程上位机下发拉闸命令，这时继电 第三章 电能表各部分硬件设计 - 16 - 器断开，停止给用户供电。当接到用户续费购买电量信息时，上位机下发合闸 命令，继电器开关闭合，恢复用户用电。继电器控制电路如下图所示。 图3-7 继电器设计电路图 3.2 刷卡端电路设计 非接触式IC卡是最近几年发展起来的一项新技术，它成功地解决了无源和 免接触难题，是电子器件领域的一大突破。具有高度安全保密性、使用简单等 特点，使之在各领域的应用异军突起。文中介绍的非接触式射频卡读写器是基 于单片机SPCE061A与Philips公司的MF RC500嵌入式读写芯片设计开发的。它 能完成对Mifare1卡所有读写及控制操作，并且还可以方便的嵌入到其他系统 （如：门禁，公交）中，成为用户系统的一部分。 3.2.1 MF RC500 芯片概述 MF RC500 是 PHILIPS 公司生产的高集成度 TYPEA 读写器芯片。其主要 性能如下： 1. 载波频率为 13. 56MHz； 2. 集成了编码调制和解调解码的收发电路； 3. 天线驱动电路仅需很少的外围元件, 有效距离可达 10cm； 第三章 电能表各部分硬件设计 - 17 - 4. 内部集成有并行接口控制电路,可自动检测外部微控制器(MCU) 的接口类 型； 5. 具有内部地址锁存和 IRQ 线,可以很方便地与 MCU 接口； 6. 集成有 64 字节的收发 FIFO 缓存器； 7. 数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源。 基于以上特点,用 MF RC500 极易设计 TYPE A 型卡的读写器, 可广泛用 于非接触式公共电话、仪器仪表、非接触式手持终端等领域。 ISO/IEC 14443A 标准是“识别卡近耦合 IC 卡 Type A”的标准，用于工作 频率为 13.56MHz 的非接触近耦合 IC 卡的标准，由物理特征、射频接口、初始 化和反碰撞及传输协议这几部分组成。该标准主要规定了采用改进的 Miller 编 码的振幅健控调至作为从阅读器到 IC 卡数据传输的调制方法，从 IC 卡到阅读 器则采用副载波的负载调制方法，其调制是通过对曼切斯特编码的数据流的负 载波的振幅键控来完成的。 MF RC500 的内部由并行接口及控制电路 ,密钥存贮及加密算法 ,状态 机与寄存器,数据处理电路 ,模拟电路,调制,解调及输出驱动电路等组成 。 MF RC500 芯片的内部寄存器按页分配, 并通过相应寻址方法获得地址。 内部寄存器共分 8 页,每页有 8 个寄存器,每页的第一个寄存器称为页寄存器, 用 于选择该寄存器页。每个寄存器由 8 位组成,其位特性有四种: 读/ 写(r/ w) 、 只读(r) 、仅写(w) 和动态(dy) 。其中 dy 属性位可由微控制器读写, 也可以在 执行实际命令后自动由内部状态机改变位值。 MFRC500 芯片可直接支持各种微控制器(MCU) , 也可直接和 PC 机的增 强型并行接口(EPP) 相连接,每次上电(PON) 或硬启动(Reset) 后,芯片会复原其 并行接口模式并检测当前的 MCU 接口类型, 通常用检测控制引脚逻辑电平的方 法来识别 MCU 接口, 并利用固定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接 口。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 18 - MF RC500 为 32 脚 SO 封装,其引脚功能如表 1 所列。下面主要介绍 MF RC500 主要引脚的功能。 引脚标识特性功能描述 1OSCIN 输入晶振输入端，可外接 13.56MHZ 石英晶体 2IRQ 输出中断请求输出端 3MFIN 输入Mifare 接口输入端 4MFOUT 输出Mifare 接口输出端 5TX1 输出发送端 1.发送 13.56MHZ 载波或已调载波 6TVDD 电源 发送部分电源正端。输入 5V 电压可作为 TX1 和 TX2 驱动输出级电源电压。 7 TX2 输出发送端 2.功能同 TX1。 8NCS 输入芯片选端，选择和激活微控制端口。低有效 9 NRD 输入读选通信和数据选通端。低有效。 10 NWR R/NW 输入 写选通端。选通写数据进入芯片寄存器。低有 效 读/写端。一个周期完成后选择读写。 11DVSS 电源数字地 12-19 D0-D7 AD0-AD7 输入/ 输出 8 位双向数据线 8 位双向地址/数据线 20 ALE nAstrb 输入 地址锁存使能。锁存 AD0-AD5 至内部地址锁存 器。 地址选通。为低时锁存 AD0-AD5 至内部地址锁 存器。 21 A0 nWait 输入 输出 地址线 0。 等待控制线。结束时为高。 22A1,A2 输入地址线 1 芯片寄存器地址的第 1 位 第三章 电能表各部分硬件设计 - 19 - 地址线 1 芯片寄存器地址的第 2 位 23 DVDD AVDD 输出 5V 数字电源正端 5V 模拟电源正端 24AUX 输出辅助输出端 25RX 输入接收信号输入端 26VMID 电源内部基准电压输出端 27OSCOUT 输出品振输出端 表 1 MF RC500 主要引脚功能 MFRC500 的 E2PROM 共有 32 块, 每块 16 字节。E2PROM 存贮区分为四部 分:第一部分为块 0, 属性为只读,用于保存产品的有关信息;第二部分为块 1 和块 2, 它们具有读/ 写属性,用于存放寄存器初始化启动文件; 第三部分从块 3 至块 7, 用于存放寄存器初始化文件, 属性为读/ 写; 第四部分从块 8 至块 31 , 属性为只写, 用于存放加密运算的密钥, 存放一个密钥需要 12 字节, E2PROM 密钥存放区共可存放 32 个密钥, 实际密钥长度为 6 字节, 存放在紧 邻的 12 个 E2PROM 字节地址中。一个密钥字节的 8 位必须分开存放, 若设密 钥 8 位为 K7, K6, K0 , 则存放在两个相邻字节时为 k7k6k5k4 K7K6K5K4 和 k3k2k1k0 K3K2K1K0 , 例如密钥字节为 A0H 时, 则存放内容为 5AH 、F0H 两个字节。 MF RC500 内有定时器, 其时钟源于 13. 56MHz 晶振信号, 13. 56MHz 信 号由晶振电路(外接石英晶体) 产生。微处理器可借助于定时器完成有关定时 任务的管理。定时器可用于定时输出计数、看门狗计数、停止监测、定时触发 等工作。 3.2.2 Mifarel 射频卡的结构和工作原理 射频卡的电气部分由天线、1 个高速(106 KB 波特率) 的 RF 接口、1 个 控制单元和 1 个 8K 位 EEPROM 组成。其工作原理如下:读写器向射频卡发一组 固定频率的电磁波,卡片内有 1 个 LC 串联谐振电路,其频率与读写器发射的频 率相同,在电磁波的激励下,LC 谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在 这个电容的另一端,接有 1 个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电 第三章 电能表各部分硬件设计 - 20 - 容内储存,当所积累的电荷达到 2V 时,此电容可作为电源为其他电路提供工作 电压,将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。 每张卡有唯一的 32 位序列号,其工作频率为 13. 56 MHz , 存储量为 1 KB, 分为 16 个扇区,每扇区一组密码,各扇区的存储区域相互独立,每区可作为不同 用途(第 0 区一般不用),实现一卡多用。Mifare1 卡可擦写 10 万次以上,其密 码验证机制严密,可保证存储存信息的安全可靠;同时该卡具有防冲突机制,可 支持多卡同时操作。 Mifare1 卡有 16 个扇区,每个扇区又分为 4 块(块 0 、块 1 、块 2 和块 3) ,每 块 16 个字节,以块为存取单位。除第 0 扇区的块 0(即绝对地址 0 块) 已经固 化,用于存放厂商代码,不可更改之外,其余每个扇区的块 0 、块 1 、块 2 为数 据块,可用于存贮数据,块 3 为控制块,包括密码 A(6 字节) 、存取控制(4 字 节) 和密码 B(6 字节)。 Mifare1 卡每个扇区的密码和存取控制都是独立的,可以根据实际需要设定 各自的密码及存取控制,存取控制决定各块的读写权限与密码验证。16 扇区中 的每块(包括数据块和控制块) 的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。 3.2.3 单片机电路和显示单元 刷卡端的单片机电路微处理器是刷卡端的核心控制器件，其性能的高低直 接关系到电能表功能的实现情况。刷卡端的单片机采用SPCE061A单片机。 SPCE061A是继SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制 器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封 装。主要性能如下： 16位微处理器； 工作电压：VDD为2.43.6V(CPU), VDDH为2.45.5V(I/O)； CPU时钟：0.32MHz49.152MHz：内置2K字SRAM，内置32K FLASH； 可编程音频处理； 32位通用可编程输入/输出端口； 32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 第三章 电能表各部分硬件设计 - 21 - 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能； 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA3.6V； 14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 具备异步、同步串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator） ； 显示单元的显示电路具有液晶显示窗口，通过操作按键可以显示所有主表 信息。它可以显示卡的类型和卡内的主要信息，显示余额。 显示单元可作为独 立的功能模块，当本体失效时不会影响主表的功能。分体式单相电能表显示部 分采用了静态显示方式。液晶显示模块用来实现各种电能表数据的显示，液晶 显示模块包括两大部分：显示驱动和显示器。 3.2.4 IC 卡座电路卡座电路 IC卡电表有很多优点，它可以代替人工抄表，方便了人们的生活，能查询 电能表曾经的缴费。同时，可以使用户先买电后用电 ，解决了收费困难的问 题。另外，使用IC卡，稳定性比较好，消耗的能量小，还增加了安全性能。但 是，多数IC卡的电能表可靠性不高，安全性也非常不稳定。在现实生活中存在 着很多问题。而本次设计的分体式单相电能表逻辑方式采用数字硬件的方式， 避免了一般的电能表安全性不足的问题。 第三章 电能表各部分硬件设计 - 22 - 图 3-8 电能表 IC 卡座电路 3.3 远传通信通信模块 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 RS485 的串行总线标 准。RS485 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 的共模抗干扰能力。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。 在国家电网公司智能电表的功能规范中对于 RS485 通信部分指出，智能电 表的 RS485 通信部分要满足以下要求： 1.RS485 接口必须和电能表内部电路实行电气隔离，并有效保护电路； 2.RS485 接口应满足 DL/T645-2007 电气要求，并能承受 380V 交流电压； 3.RS485 接口通信速率可灵活设置； 4.RS485 通信遵循 DL/T645-2007 协议及其备案文件。 通信模块式连接多个计量的，它是电能表系统进行通信的模块。它包括通 信的接收、处理和发送三个方面。当通信接口接到一个系统命令时，会通知 PIC 单片机进行数据处理。当电能表要发送数据时，PIC 单片机会给通信模块 第三章 电能表各部分硬件设计 - 23 - 发送命令，通过 RS485 信道执行数据的发送。 在电路图中，RS485 通信经过 3 个光耦器件，它的作用是用来隔离 PIC 单 片机和总线电路的，这大大的提高的系统的稳定性。在 485 的 A、B 两端的器 件分别起保护作用。 在系统 RS485 通信模块设计中，采用 Maxim 公司生产的 MAX3085 通信接口 芯片。该芯片是一款标准的用于 RS485 通信的专用芯片，采用单一电源供电， 电源电压为+5V，额定电流为 300uA，采用半双工通信方式。 MAX485 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。R0 和 DI 端分别为接受器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与 单片机的 RXD 和 TXD 相连即可，RE 和 DE 端分别为接收和发送的使能端，当 RE 为逻辑 0 时，器件处于接收状态，当 DE 为逻辑 1 时，器件处于发送状态，因 为 MAX3085 工作在半双工通讯方式，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个 引脚即可，A 端和 B 端分别为接收和发送的差分信号输入，输出端。 图3-9 通信模块设计 第四章 分体式单相电能表软件设计 - 24 - 第四章 分体式单相电能表软件设计 分体式单相电能表采用 C 语言来编程，分体式单相电能表软件主要由 ADE7755 计量子程序、LED 显示子程序、IC 卡检测程序、主程序来组成的。下 面将分别介绍各软件设计原理，并随付原理图。 4.1 分体式单相电能表总流程图 开始 初始化 读寄存器 显示当前累计电量 INT0 中断 累加电量+0.01 度 累计电量写入存储器 通信 脉冲数满 0.01？ 图4-1 分体式单相电能表总流程图 Y 第四章 分体式单相电能表软件设计 - 25 - 主