（通信与信息系统专业论文）预付费售电系统研究与设计.pdf

摘要 预付费技术旨在解决水、电、气、热等公共事业收费难的问题，经过近几 年的发展，其技术水平不断提高，已逐渐产品化，并形成了一个新兴产业。预 付费电能表的出现不但实现了用电收费的自动化，而且还改变了先用电后收费 的不合理状况，使得电力部门能预先收取部分费用，有利于公共事业的发展。 但随着产品的普及推广，系统防攻击、防跟踪等数据安全性能始终是一个突出 的技术问题，如果这个问题解决不好，存在技术隐患，就有可能给电力部门造 成严重的经济损失，产生不良的社会影响。 数据安全是所有i c 卡预付费产品系统的关键技术问题，但目前市场上的 众多预付费产品系统的数据安全都不够理想，为此我们从电能表内部软件设计， i c 卡密码安全、卡上数据加密和数据校验、数据库安全等几个方面进行研究， 提出一套综合数据安全方案，能有效防止系统数据遭受被动攻击和主动攻击。 本文在对i c 卡预付费产品系统进行总体介绍的基础上，着重论述了该系 统的软件设计部分，即i c 卡预付费售电管理系统。详细介绍了作为传输载体i c 卡的特点，通过深入研究i c 卡密码安全技术，提出了一种采用d e s 算法产生 中间密码供i c 卡携带，预付费售电系统数据库和电能表r a m 中存储伪密码， 由中间密码和伪密码进行运算得到i c 卡密码的方法保证i c 卡密码的安全，通 过一系列加密处理，对i c 卡内的数据进行了有效保护。在软件设计上，采用了 结构化系统分析的方法，完成了对整个预付费售电系统的研究、设计与实现。 论文分为两部分：前一部分在介绍预付费电能表的国家标准和技术指标 后，简单介绍预付费电能表的硬件及软件实现，后一部分介绍了i c 卡预付费售 电系统的设计与实现过程。采用关系数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 为后台数据库， v s 2 0 0 5 为开发平台，面向对象的编程开发语言c 撑n e t 开发出一套基于w e b 的预付费售电管理系统，实现利用i c 卡对电能表进行预售电和管理的功能，提 供了友好的用户界面、清晰的菜单窗口和强大的管理功能。 关键词：电能表，预付费系统，i c 卡，数据安全 a b s t r a c t p r e p a y m e n tt e c h n o l o g yi su s e dt os o l v et h ed i f f i c u l t yi nc o l l e c t i n g 也ef e e o ft h e p u b l i cs e r v i c e s ，s u c ha sw a t e r , e l e c t r i c i t y , g a sa n dh e a t t h el e v e lo f t h i st e c h n i q u e h a sb e e ni m p r o v e dc o n s t a n t l yi nt h ep a s tf e wy e a r s ，i th a sp r o d u c e dg r a d u a l l y , a n d h a sf o r m e dan e wi n d u s t r y t h ea p p e a r a n c eo fp r e p a y m e n tm e t e rn o to n l yr e a l i z e d t h ec h a r g ea u t o m a t i o no f u s e de l e c t r i c i t y , b u ta l s oc h a n g e di ne l e c t r i c i t yc h a r g e sa f t e r t h ef i r s to ft h eu n r e a s o n a b l es i t u a t i o n ，m a d et h ee l e c t r i c i t yd e p a r t m e n tc a ng e tp a r to f t h ep r e c h a r g ea n di sc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n to fp u b l i cu t i l i t i e s b u tw i t ht h e p o p u l a r i t yo ft h ep r o m o t i o no fp r o d u c t s ，s y s t e m sa t t a c kp r e v e n t i o n ，a n t i 。t r a c k i n g p e r f o r m a n c eo fd a t as e c u r i t yh a sa l w a y sb e e na no u t s t a n d i n gt e c h n i c a li s s u e ，i f t h i s i s s u ei sn o tr e s o l v e dw e l la n dt h e r ee x i s tt e c h n i c a lp r o b l e m s ，i ti sl i k e l yt oc a u s et h e p o w e rs e c t o rt os e r i o u se c o n o m i cl o s s e sa n dm a k ean e g a t i v ei m p a c to ns o c i e t y d a t as e c u r i t yi st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ep r o b l e mo fa l lt h ei cc a r d p r e p a y m e n tp r o d u c ts y s t e m s ，b u tt h em a j o r i t yo ft h ei cc a r dp r e p a y m e n tp r o d u c t s v s t e m so nt h ec u r r e n tm a r k e th a v e n ts o l v e dt h ed a t as e c u r i t yp r o b l e mp e r f e c t l y i n t h i sp a p e rs e v e r a lt o p i c sa r ei n v e s t i g a t e d ：i n t e r n a ls o f t w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r i c m e t e r ，t h ep a s s w o r ds e c u r i t yo ft h ei cc a r d ，e n c r y p t i n ga n dc h e c k i n gt h ed a t ao n t h e i cc a r d ，t h es e c u r i t yo ft h ed a t a b a s e ，a n dan o v e lc o m p r e h e n s i v ed a t as e c u r i t yd e s i g n s c h e m ei sp r o p o s e d ，s ot h a td a m a g e sb yp a s s i v ea n da c t i v ea t t a c k sc a nb e e na v o i d e d t h ep a p e rm a i n l yd i s s e r t a t e sw i t ht h es o f t w a r eo ft h es y s t e m i c c a r d p r e p a y m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c i n g t h ew h o l ei cc a r d p r e p a y m e n tp r o d u c t ss y s t e m ，a n dd e t a i l e d i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro fi cc a r d t h r o u g hd e e pr e s e a r c h i ni cc a r dp a s s w o r ds e c u r i t yt e c h n o l o g y ，am e t h o di s p r o p o s e d i n t h i sp a p e rw h i c hu s ed e sa l g o r i t h m t o g e n e r a t e am i d d l e c o d e ， p r e p a y m e n tv e n d i n gs y s t e md a t a b a s ea n d a m m e t e rr a ms t o r ep s e u d o - c o d e ，t h e ng e t c a r dc o d eb yo p e r a t i n go nm i d d l e c o d ea n dp s e u d o c o d et oi n s u r et h es e c u r i t yo ft h e c o d eo fi cc a r d ；m e a n w h i l e ，t h es t e po fd a t a e n c r y p t i n gw o u l dm a k et h ed a t ao fi c c a r dm u c hs a f e r b vt h em e a n so ft h es t r u c t u r a ls y s t e ma n a l y s i s ，t h er e s e a r c h ，d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h ew h o l ep r e p a y m e n tv e n d i n gs y s t e mi sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y i i t h ep a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ef o r m e rp a r ti n t r o d u c e st h en a t i o n a l s t a n d a r d sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r so fp r e p a y m e n tm e t e r , ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h e p r e p a y m e n tm e t e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h el a t e rp a r ti n t r o d u c e st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h ei cc a r d p r e p a y m e n tv e n d i n gs y s t e m i ti s b a s e do nr e l a t i v e d a t a b a s es q ls e r v e r2 0 0 0 ，a n du s e sv s 2 0 0 5a st h ep l a t f o r mo fd e v e l o p m e n t t h e o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec 拌n e td e v e l o p saw e b - b a s e dp r e p a y m e n t v e n d i n gs y s t e m ，w h i c hw i l lr e a l i z et h eu s eo f i cc a r d sf o rp r e - s a l eo fe l e c t r i ce n e r g y m e t e ra n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，a n df r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，f r e s hm e n uw i n d o w ， s t r o n gc o n t r o lf u n c t i o na r ea l s op r o v i d e dt ou s e r k e y w o r d s ：e l e c t r i cm e t e r ，p r e p a y m e n ts y s t e m ，i cc a r d ，d a t as e c u r i t y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：二阻日期：三 碰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 车亟同飙经鱼么 武汉理i ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及来源 电力作为国民经济发展所必需的重要能源，不仅在人口集中的大城市得到 充分的使用和完善的管理，而且作为群众生活的重要能源在广大的小城镇和乡 村同样需要合理高效的管理使用。因此，如何合理利用电力能源是摆在国家、 企业和用户之间霞大而严峻的课题。 但是，在我国现阶段，一方面是电力事业在蓬勃发展，另一方面则是行业 的管理水平相对落后。长期以来，电能都是先用电后付费，用电管理依靠人工 抄表，由收费员到各家收费或用户去指定地点缴费。这种传统的收取电费的做 法需要的工作人员多，费时、费力，效率低，而且经常出现用户欠缴、迟缴或 漏缴电费等问题。用户“先用电”意味着电业管理部门需预付巨额的电费，但 是已用电费的按时收取容易受到诸多因素的影响，这将给管理部门带来经济损 失。传统电表由于自身的原理和结构，也给盗电者以可乘之机。所以用电管理 方式的改革是用电制度改革的必然要求。 随着用电制度改革的进行和公众对电力消费的需求越来越高，研究和利用 现代化智能技术对用电实行自动监控，减轻电力公司因“先供电后收费 造成 的资金压力，减少每月抄表、收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现 代化的科学技术手段改变用电管理体制的落后现状，势在必行。预付费电能表 使电力公司能预先收取部分费用，有利于公共事业的发展。经过我国科技工 作者的不懈努力，研制出i c 卡预付费电能表为我国电力行业管理水平的提高提 供了可靠的保障。改用先付费后用电的方法，使电能成为真正的商品1 2 j ，显示 出良好的发展前景，具有很好的经济效益与社会效益。 1 2 课题研究的目的及意义 i c 卡式预付费电能表是把以大规模集成电路技术为基础的i c 卡与高精度 的阀门式数字电表相接合的新型智能式电表，它可以从根本上解决困扰电力行 武汉理工大学硕士学位论文 、i p 多年的收电费难的问题，同时该表还具有随时查询购电量、自动监控等多种 功能。另外，i c 卡式电表对于节电管理也有一定的意义，据不完全统计，使用 一年以上的用户，平均节电达到2 0 。综合考虑我国电力行业的现状和i c 卡式 预付费电表的特点，可以得出这样的结论，即该产品在相当长的时间内市场发 展前景十分广阔，是一个具有经济效益的产品。 采用预付费电表后，可以改变用电收费及管理的现状，达到以下管理目标： 1 、智能电表代替传统电表后，用i c 卡或c p u 卡实现预付费，实现了先付 费后用电，持卡结算的理想管理模式，使电力公司应收费用及时到位。 2 、建立电力公司计算机信息管理系统，实现对供电、用电用户及电力公司 员工的科学化管理；建立完善的财务核算管理，使电力公司的同常工作和管理 流程化、自动化、科学化，提高电力公司的服务质量和竞争力。 3 、减轻工作人员的劳动强度，减少现金交易，减少人为差错和杜绝贪污案 件的发生。 4 、提供方便的查询统计功能，掌握用户消费与电力公司售电动态，便于全 面、及时的了解情况，为决策提供依据。 i c 卡预付费售电系统就是为电费收缴管理部门及其下属各收费站研制开发 的针对i c 卡式电表用户的电费计费、收缴、查询、票据处理以及为管理者提供 的用电监管和决策分析的完整、准确的管理系统。该系统的使用使整个收费过 程自动的进行，节省了大量的人力劳动；另一方面，完善了电能表和用户信息 的管理，使电能表和用户资料的管理制度化并为管理者的决策提供了可靠的依 据。因此，设计和开发此套预付费售电系统，具有深刻的实际意义。 1 3 国内外发展水平与现状 国际上预付费电表经过了投币、磁卡、电钥匙、i c 卡的发展过程。i c 卡预 付费电表白2 0 世纪8 0 年代在西欧推出以来，首先在我国东北地区开始使用【3 j ， 9 0 年代在我国开始逐步推广。以湖北襄樊为例，自2 0 0 0 年使用第一台i c 卡预 付费电能表以来，该地区使用i c 卡预付费电能表已达到1 1 7 7 5 台。全电子式i c 卡预付费电表，具有体积小、造型美观、精度高、长期使用误差不会改变等特 点，它将电能计量和收费结合起来，是电表行业主要的发展方向。2 0 0 6 年，一 方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度，另一方面由于制造厂商技术方 2 武汉理一r 大学硕十学位论文 面的不断改进，以及技术条件的统一，使预付费电能表的性能尤其是安全性和 可靠性方面已逐步趋于完善，使预付费电能表市场需求再次升温。 目前预付费售电系统在收费管理模式上，发达国家以人工或自动抄表收费 方式为主，原因是金融业高度发达，发生欠费的情况较少，同时管理部门有资 金实力可以建立远程网络抄表系统，具有较强的自动化管理水平【4 l ，而发展中 国家正处于从人工抄表收费方式向i c 卡收费方式过渡，原因是人口众多，人工 管理方式已逐渐无法满足社会发展需要，而管理部门还不具备资金和技术实力 推行网络化的自动抄表收费管理系统，i c 卡收费方式恰好成为最佳选择。 目前i c 卡预付费电能表已在我国大部分城市得到应用，它有效地提高了电 力部门对用户进行科学管理的能力，减少了大量的繁重劳动，根本上解决了电 费的拖欠问题。目前我国国内电能表厂家约有6 0 0 多家，各个厂家生产的电能 表卡处理过程，数据加密处理等都不尽相同，因此很难做到统一管理。虽然2 0 0 4 年湖北省电力公司发行了单机版和网络版售电系统，但大部分地区仍然以各厂 家的售电系统为主。并且目| j 大多数i c 卡预付费电能表售电系统仍为单机版， 这种类型的管理软件有许多的弊端1 5 j 。 单机版管理软件，只能同时供一位管理员进行系统操作与管理，且必须在 指定的机器上进行操作，无法实现数据信息的共享，一个地区的用户只能在一 个售 乜站进行买电，已成为方便用户购电的一大障碍，不利于电力部门的统一 管理。为了解决单机版软件的缺陷，适应当前计算机技术的飞速发展，开发网 络版的预付费售电系统势在必行。 1 4 预付费电能表的标准及技术指标 1 4 1 预付费电能表的国家标准 早在1 9 9 6 年，经机械工业部批准，国内发布了机械行业标准“预付费电 度表标准”( j b t 8 3 8 2 1 9 9 6 ) 。随着技术的发展，i c 卡预付费技术日趋成熟，为 了更好地满足制造商和用户的需要，参照i e c 技术规范，又制定了新的国家标 准。国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 1 年1 0 月8 号批准发布了“i c 卡预付费 售电系统标准”( g b t 1 8 4 6 0 2 0 0 1 ) 。该标准规定了i c 卡预付费售电系统的组 成、基本定义、基本功能和基本流程，规定了i c 卡中的基本数据定义、数据传 武汉理i ：人学硕士学位论文 输方式、安全保证和管理流程，规定了电能表的计量和控制特性。 按照g b t 1 8 4 6 0 2 0 0 1 的要求，预付费电子电能表应该具有以下功能： l 、实现用户先买电后用电的功能 当电能表内剩余电量或剩余金额小于或等于系统所设定的报警电量或报警 金额时，电表应该能够以声、光或其它方式提醒用户；当剩余电量为零或剩余 电量为协议透支电量时，电表应该发出断电信号，并控制负荷开关自动切断。 只有当用户输入新的购电量后，电能表才能自动恢复，输入的本次购电量与表 内的剩余电量应该能够叠加。 2 、具有显示电量的功能 电能表应该能显示累计所用的电量、剩余电量或剩余金额等信息。 当供电线路停止供电时，剩余电量或剩余会额以及其它需要保护的信息不 能丢失。 3 、具有读写i c 卡的功能 用户将i c 卡插入后，电能表除了可以读取卡上的信息，还应该自动将当 前剩余电量或剩余金额、表的状态等信息返写到i c 卡中，以供i c 卡预付费管 理系统查询。 电能表应能接受由售电管理系统制做的检查卡的检查，并能将当前表的状 态信息返写到检查卡中。 4 、具有识别有效卡的功能 当用户使用非法卡或进行非法操作时，电能表应该能够辨其真伪，具有一 定的防护功能，在撤消非法卡或进行非法操作以后，电能表应能继续j 下常工作 而且不会丢失数据。 如果用户原i c 卡丢失，经过补遗操作后，电能表应能接受新补的i c 卡， 拒绝原i c 卡。 1 4 2 预付费电能表的主要技术指标 预付费电能表的主要技术指标有： 1 、工作电压：2 2 0 v + 2 0 ，5 0 h z 2 、基本电流：1 0 a ( 4 0 a ) 3 、最大电流：4 0 a 4 、启动电流：5 0 m a ，具有防潜动逻辑设计 4 武汉理r 大学硕十学何论文 5 、电表常数：16 0 0 i m p k w h 6 、计量精度：1 0 级 7 、工作温度：一3 5 。c + 5 5 。c 8 、功耗：0 4 w 9 、字轮位数：6 位( 含一位小数) 1 5 论文研究内容和组织结构 1 5 1 论文研究内容 由于目前我国i c 卡预付费系统还处于起步阶段，因此该系统设计的总体思 路拟从企业的经济和技术现状出发，充分结合生产、生活实际，使其达到充分 的实用性。 在充分考虑用户需求的情况下，首先对预付费电能表进行开发设计，提出 一种中间密码的方法对i c 卡的密码进行安全处理。以v s 2 0 0 5 为开发工具，使 用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 作为后台数据库实现了基于w e b 的预付费售电管理系 统。 1 5 2 论文组织结构 整篇论文分为5 章，内容组织如下： 第l 章，绪论。主要介绍了课题的研究背景、研究目的及意义、国内外发 展现状，并对预付费电能表的国家标准及主要技术指标做了简单介绍。 第2 章，i c 卡预付费电能表的设计。介绍了预付费电能表系统的组成及结 构，并介绍了电能表的硬件和软件设计。 第3 章，i c 卡预付费售电系统分析。介绍了系统结构设计以及数据库设计。 第4 章，i c 卡预付费售电系统的实现。在第3 章的基础上，本章详细介绍 了预付费售电系统的实现过程，包括：平台的选择，数据库的实现，串口通信 的实现，爿：且对系统安全技术进行了研究。 第5 章，总结与展望。对本文的工作进行了总结，并提出了进一步需要解 决的问题以及研究方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章i c 卡预付费电能表的设计 2 1 预付费电能表系统组成 预付费电能表是以i c 卡作为电能量值数据传输介质，在电能表中加入负荷 控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算的智能型电能表。 1 ) 预付费电能表系统组成 预付费电能表系统主要包括全电子电能表、i c 卡、读写卡器和售电管理系 统等。在该系统中，电子电能表处于底层，通过i c 卡和后台预付费售电管理系 统构成预付费电能表系统。如图2 1 所示： 图2 1 预付费电能表系统的组成 2 ) 预付费电能表系统的功能 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 预付费电能表 预付费电能表是把以大规模集成电路技术为基础的i c 卡与高精度的阀门 式数字电表相接合的新型智能式电表，其利用电能测量集成电路对电压、电流 采样信号进行计算处理，并输出与电功率成正比的频率( 脉冲) 信号，微处理 器通过脉冲来计算所消耗的电量。 ( 2 ) 售电管理系统 售电管理系统主要完成对i c 卡的读写，用户开户、充值，报表统计以及系 统的维护等多种功能。 ( 3 ) i c 卡 i c 卡用于存放由售电管理系统写入的密码、用户信息、当前电量、剩余电 量、累计电量、购电次数等，还能够存放由电能表返写的累计用电量等信息。 ( 4 ) 读写卡器 读写卡器既要与i c 卡进行通信，实现对i c 卡的读写操作，又要与售电管 理系统进行通信，实现预售电的功能。 2 2 预付费电能表的系统结构 预付费电能表的硬件结构如图2 2 所示。 i 电胜米样 电能测量 报警电路 单元 i 电流采样l 微 处 显示电路 控制继电器断电机构 理 l c 卡接口电路 过功率保护 器 电源 电量存储 图2 2 预付费电能表的硬件组成 7 武汉理t 大学硕十学位论文 预付费电能表通常由微处理控制电路、电能测量电路、显示电路、报警电 路、电量存储电路、i c 卡接口电路、过功率保护电路、电源等几部分组成。 1 ) 微处理器控制电路 微处理器控制电路是整个电能表的心脏，是决定电能表性能的关键因素1 6 】。 微处理器可以实现对采集的电能脉冲进行累计转换为实际用电量，可以完成对 i c 卡的数据和内存数据的读写控制，可以实现对显示电路、报警电路的控制， 可以实现对磁保持继电器的驱动等功能。 2 ) 电能测量电路 电能表的主要技术性能就是计量的精度，而电能计量的准确性取决于电能 测量电路。在全电子电能表中，电能测量电路通常采用电能专用集成电路芯片， 该芯片集成了乘法器、积分器、电压频率转换器、计数器及控制逻辑等组件【7 j ， 电能测量芯片将输入的模拟电压信号和模拟电流信号相乘，并将乘积转换为与 其成f 比的频率信号输出。微处理器只需要对该芯片输出的脉冲信号进行累计 计数，就可以计量出所消耗的电能。 3 ) 显示电路 显示电路用来显示电表内的剩余电量及i c 卡的有关操作信息，以便用户能 及时了解电能表的工作情况。 显示电路可以采用电子显示器或机电计数器。电子显示器由l e d 数码管或 l c d 液晶显示板与相应的驱动电路构成。l e d 数码管价格便宜，对环境适应能 力强，但耗电量大，寿命短；l c d 数码管具有省电寿命长的优点，但价格相对 较贵，对环境温度要求也比较高。 机电计数器为连续转动的字轮，每个字轮分成1 0 个分度并标有数字，表示 小数的字轮与整数的字轮有所区别，机电计数器常用步进电机驱动。 4 ) 通信接口电路 通信接口电路用来与其它没备进行数据交换，如抄表，进行实时监控等， 常见的接口有r s 2 3 2 、i c 卡、红外通信、电力载波、射频通信等。 在i c 卡预付费电子电能表中，通信接口电路就是i c 卡座接口电路怫j 。i c 卡座是i c 卡与电能表连接的硬件接口电路，卡座包括i c 卡与p c b 板相接触的 电气触点，固定和弹出卡的机械装置，与系统连接的安装座，与内部电路连接 的电气终端等。卡从插口插入并且插到位时，8 个弹簧片触点与i c 卡上的对应 触点相接触，微处理器利用其中的几个触点串行存取i c 卡信息。 武汉理i ：人学硕十学位论文 5 ) 电量存储电路 电量存储电路用于存储数据，包括用户的基本信息、电表常数、用电量、 剩余电量和控制程序等数据。 如果选用单片机作为微处理器，由于单片机的片内存储容量有限，掉电时 会丢失随机存取的数据。为了安全的存储更多更重要的信息，单片机应该外接 内存芯片。 由于电可擦除可改写的内存芯片( e e p r o m ) 中的数据可以长期保存，又不 受外界停电的影响，所以一般采用e e p r o m 作为电量的存储芯片。 6 ) 控制继电器断电机构电路 断电机构是预付费电能表的一个重要部件，当表内的剩余电量为零，或者 剩余电量为协议透支电量时，断电机构将自动切断电源。根据负荷电流的大小， 断电功能可以由内部继电器实现，也可以由内部继电器驱动外部断路器实现。 断电机构一般都配有主、辅同步联动的两种触点。主触点控制供电，辅助 触点接微处理器，用来判断工作是否正常，进行自珍断。如果断电机构有故障 无法跳闸，则累计透支电量，以保证计量的准确性。 2 3 预付费电能表的硬件设计 电能表数据采集单元采用a d i 公司的脉冲输出高精度电功率测量芯片 a d e 7 7 5 5 完成电能检测【9 1 。本章介绍a d e 7 7 5 5 的芯片结构和工作原理，以及 电能表的信息处理核心p i c l 6 f 7 4 的主要特点，给出计量单元与信息处理单元电 路设计方案。 2 3 1 单相电能计量芯片a d e 7 7 5 5 a d e 7 7 5 5 是a d i 公司最新推出的脉冲输出高精度电功率测量芯片，相对于 其前身a d 7 7 5 5 提升了更加优良和精确的计量性能【l0 1 ，在电量测量中具备更实 用的价值。它将有功功率的信息以频率的形式输出，在5 0 6 0 h z 输入信号时一 般都能满足i e c 6 8 7 1 0 3 6 标准规定的测试精度要求，在1 0 0 0 ：l 的输入动态范 围内，测试误差小于0 1 。a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基准源中使用模拟电路，所 有其他信号处理( 如相乘和滤波) 都使用数字电路，这使a d e 7 7 5 5 在恶劣的环 境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 ) a d e 7 7 5 5 芯片结构 a d e 7 7 5 5 的内部电路结构原理图如图2 3 所示，它主要由信号输入和信号 处理两部分组成。 g o g l 狮 儿 v i n 。卜 矧+ 7 、_ _ 一一 a a g n d m p o w e rs u p p l y m o n l t o r 哗盥 一、4 k f i 2 5 v r e f e r e n c em v v a d c a d e 7 7 5 5 a c | d cd d g n d nm _ jp h a s e c o r r e c t i o n ! ! 竺：冈南h p flp r 黼g 广_ 1 广1u u f ，山v k - 一h 卜 二i n i v 。 m u l t i p l i e r ( _ 卜叫l p f d i g i t a l - t o - - f r e q u e n c yc o n v e r t e r 盐余搽尚尚尚高孔龠偷禽俞龠菇 碰，c g 一c l k i n 一面葡一s ir e v p 图2 3a d e 7 7 5 5 的内部电路结构 至h 兰八! c ff lf 2 9 电流输入通道中的增益可编程放大器可根据引脚g o 和g 1 的输入信号来选 择不同的放大倍数i l 。通过g o 和g 1 来选择通道1 增益的方法如表2 1 所示。 两个1 6 位的a d 转换器采用一结构，采样频率为9 0 0 k h z ，这种模拟输 入结构可使得芯片在很大的动态范围内直接与传感器相连接，因而简化了与传 感器的接口设计。芯片的r e v p 脚能够检测电路的正负功率，其逻辑状态随c f 输出脉冲同时变化，即在c f 产生一个脉冲的同时检测正负功率，这样可以有 效地防止用户利用反接线进行窃电。信号处理部分包括相位校正环节、高通滤 波器( h i g hp a s sf i l t e r ，h p f ) 、乘法器、低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ，l p f ) 币n 数字 频率转换电路等。 1 0 _lll上da a 戤 、f g 一淼 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 通道l 增益选择 2 ) a d e 7 7 5 5 工作原理 电能测量的有功电能可简单描述如下。 若电压甜( ，) 和电流以) 均为正弦波，表达式为 “( f ) = u ms i n ( r o t ) = 2 u s i n ( c o t )( 2 - 1 ) i ( t ) = ls i n ( r o t - q , ) = 2 i s i n ( c o t 一妒)( 2 2 ) 式中，z f ( f ) 为t 时刻电压瞬时值，f ( f ) 为t 时刻电流瞬时值，为电压峰值， l 为电流峰值，u 为电压有效值，为电流有效值，伊为电压与电流相位差，c o 为角频率。 则瞬时功率p ( ，) 为 尸( ，) = u ( t ) 水i ( t ) = x 1 2 u s i nc o t 拳4 2 1s i n ( c o t 一妒) = 2 木us i nc o t 木i s i n ( c o t 一妒) ( 2 3 ) 平均功率p 为 尸= 拍川( ，) d t = - f 1r 【堋s ( 2 c o t 捌+ c o s q ， d t = u c o s ( 缈) ( 2 4 ) a d e 7 7 5 5 采用电流和电压信号直接相乘的方法获得瞬时有功功率，再由瞬 时功率信号求出平均有功功率。从锰铜片分流电阻和电阻分压网络传来的电流 和电压信号，被送入电流通道v 1 n ，v 1 p 和电压通道v 2 n ，v 2 p ，分别由两个 1 6 位的2 阶一型a d 转换器转换成数字信号，电流通道中的高通滤波器用 于滤除电流信号中的直流分量，以便消除直流分量对有功功率计算的影响。电 武汉理丁大学硕十学位论文 压信号与电流信号通过乘法器相乘后，输出信号经低通滤波器滤除其中的交流 分量，剩下的直流分量即为瞬时有功功率。此信号经过数字频率转换器转换成 与平均有功功率成比例的低频脉冲信号并从f l 和f 2 端输出，同时从高频c f 端输出与瞬时有功功率成比例的脉冲信号。f 1 和f 2 端输出的脉冲频率加g 和c f 端输出的脉冲频率厶为【1 3 1 疗。一8 0 6 x k 匕g 互一4 加铲硫_ 允f = k f r e q ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，k 、k 分别是电流、电压通道差动输入电压有效值，g 是片内p g a 增益，e f 是片内基准电压( 2 5 v + 8 ) ，系数k 和鼻一。可由主时钟c l k i n 的频 率和引脚s 0 、s 1 、s c f 的状态来决定，其关系如表2 2 所列。 表2 - 2c f 最大输出频率 电能表的m c u 在内部定时器设定的积分时间内对芯片的高频输出脉冲计 数，平均功率正比于平均频率，用户所耗电能为 1 2 武汉理上人学硕士学位论文 w ：p f ：兰，：刀 f 式中，为电能，p 为平均功率，t 为积分时间，n 为脉冲个数。 2 3 2 计量单元电路设计 ( 2 7 ) 当前，电子式电能表主要有两种采样方式：一种是用互感器采样，一种为 直接采样。采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的 电压信号和电流信号；直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压 信号，而用电阻温度系数非常小的锰铜片进行电流直接采样【14 1 。 采用互感器采样的优点是抗干扰性较强，线路简单，成本低。但是，它的 启动电流、线性范围、功耗和精度等指标皆不如直接采样，尤其是小电流时更 为突出。采用电流互感器采样，由于激磁电存在，若不采取补偿措施，互感器 本身误差就可能超过5 。而采用专用的锰铜片进行直接电流采样的电能表误差 可调整至t j + o 5 。 电量测量采用美国a d i 公司的a d e 7 7 5 5 作为测量芯片，它是一种量程宽、 精度高，内部具有掉电、上电自动复位电路的高准确度电能测量专用集成电路。 a d e 7 7 5 5 为低功耗的c m o s 芯片，除a d c 、滤波、乘法电路外，内部都采用 数字电路，可有效去除尖脉冲等干扰信号，使得它在恶劣的环境条件下仍能保 持极高的准确度和长期的稳定性。 a d e 7 7 5 5 的计量电路如图2 4 所示。电压采样信号通过电阻分压网络后连 接到a d e 7 7 5 5 取样的电压计量通道( v 2 n 、v 2 p ) ，电流采样信号通过锰铜片后 变成电流信号送入a d e 7 7 5 5 的电流计量通道( v i p 、v i y ) ，f 1 和f 2 端输出的脉 冲频率，c f 端输出的高频脉冲经过光耦，送入微控制器进行计量处理。a d e 7 7 5 5 的线性度为0 1 保证了计量的准确性。 考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载，电能表电压通道的标 称电压设在半满度值( 最大差动峰值电压为6 6 0 m v ) ，以便对表计脉冲常数进行 校验；同时，电流通道在最大负载时也不应超过半满度值( 最大差动峰值电压为 4 7 0 m v ) ，这样设置可允许对电流信号和高峰值因数信号进行累计。 武汉理下大学硕十学位论文 v c c 图2 4 计量单元电路 2 3 3 信息处理单元电路设计 电能表的微控制器选择p i c l 6 f 7 4 ，它是一款精简指令型( r i s c ) 高性能的 c p u ，仅有3 5 个单字节指令，其带有8 路8 位a d ，双路p w m 输出，3 个定 时计数器，带u a r t 接口，1 9 5 个字节r a m ，4 k x l 4 b i t 的f l a s h 存储器，适合 于许多要求高集成度、低成本的场合，可满足多方面的性能要求。其架构属于 哈佛结构，即数据存储器和程序存储器是分开的，数据存储器是由特殊功能寄 存器和通用寄存器组成。 信息处理单元硬件电路如图2 5 所示。a d e 7 7 5 5 的c f 输出端输出正比于 平均有功功率的高频脉冲，其经过n e c 2 5 0 1 光耦后将信号输入到单片机内，总 电量( t o l ) 、剩余电量( r e m ) 、用电量( u s e ) 连接发光二极管，配合指示数码管 显示各种电量数据，h n c 、c s i o 、c s c k 、c r e s 连接i c 卡座硬件单元，控制 i c 卡的读写。a g 、d o t 、l 1 l 6 连接6 个数码管，控制数码管的段选和位选 信号。s d a 、s c l 连接2 4 c 0 4 铁电存储器，控制存储器的读写。j o n 、j o f 连 接继电器、输出继电器的开关信号。b e e p 连接蜂呜器，输出报警信号。 电能表根据表计常数计算获得低频脉冲输出频率，将此低频脉冲作为电表 的脉冲灯输出，即累计一定量的高频脉冲数后，点亮一次脉冲灯。 1 4 图2 - 5 信息处理单元硬件电路 2 4 预付费电能表的软件设计 预付费电能表的主程 微处理器初始化后， 入卡中信息，判断输入的 序 控 命 流程如图2 - 6 所示。 制程序首先检查是否有卡插入，若有卡插入，则读 令。 读入的信息为购电数据，首先对卡内 和卡是否对应，然后根据购电次数判断该 的购电卡后，再将购电量追加到电能表中， 中。 1 5 数据进行解密，根据用户编号判断表 卡是否为有效购电卡，若判断为有效 最后将电能表内的信息返写到i c 卡 武汉理t 大学硕十学位论文 1 、 开始 置禁写e 2 标志字 丫 j 关中断 0 n 卜 卡处理子程序 初始化端口和各个寄存器 yj r 置显示标志e e e 士 e i 延时，等待芯片可靠复位 nr 脉冲处理子程序 断开继电器 。i y r t n 。4 。“1 9 。“习nke 2 错误子程序 y n 么，目7 0 z 足宙训财罗 1 1j 1 显示子程序 ， 念y 断开继电器置显一 。 t 示标志e e e e 读出e 2 中3 2 字节 j nr 继电器子程序 t ：y + 比较剩余电量和透支电量 并写相应字节状态字 0n 董 2 2 9 m s 予程序 开中断 y 0 n 6 0 s 子程序 图2 - 6 电能表软件控制程序 1 6 武汉理t 大学硕十学位论文 第3 章i c 卡预付费售电系统分析 3 1 系统结构设计 系统的硬件结构主要包括计算机、读卡器、打印机和i c 卡，各个硬件连接 如刚3 i 所不： 打印机连接计算机并u 培 图3 1 硬件连接图 读 器连接计算机串u 在本系统设计时采用了结构化系统分析方法：以自上而下的流程把系统主 要的功能逐渐分解为具体的、简节的功能，然后对每个模块进行独立的设计。 这样就把一个大的复杂的系统分解为小的、易于管理的系统，大大的提高了” 发效率【。5 l i ”i 。 3 1l i c 卡及读写卡器的选取 i c 卡( i n t e g r a t e d c i r c u i t c a r d l 是集成电路卡的简称”7 儿1 ”，其概念足在7 0 年 武汉理i ：人学硕十学位论文 代初提出来的。1 9 7 0 年法国人r o l a n dm o r e n o 第一次将i c 芯片放于卡片中，1 9 7 6 年法国b u l l 公司首先制造出i c 卡产品，并将这项技术投入使用。i c 卡技术 将微电子技术和计算机技术结合在一起，经过2 0 多年