【河南理工大学毕业设计】基于IC卡的智能电能表设计

1、摘 要国家电网于2009年5月首次向社会公布“智能电网”发展计划以来，智能电网开始逐步的走进了人们的生活，智能电网作为未来电网发展的大趋势，在智能电网的改造和建设中，智能电力设备将会从中受益，智能电能表是智能电力设备中必不可少的设备，目前普遍采用的单相电能表技术虽然成熟，运行稳定，电能计量准确，但是其智能管理和安全保密性却很难满足智能电网建设和管理的需要，因此费控智能电能表的研发对智能电网的改造和建设具有重要的意义。本文以低功耗高性能的ATMEL公司生产的Atmega16单片机为核心，配以ADI公司的高精度电量测量芯片ADE7755，SLE4442卡等外围电路设计的IC卡预收费电度表控制系统，

2、采用硬件和软件相结合的方法，通过C语言编程实现IC卡在电表终端的持卡消费。本系统所涉及的主要内容有:IC卡的基础知识;硬件的选用、硬件设计和功能分析:主程序、掉电中断子程序、AT24C02读写子程序、SLE4442卡子程序和显示子程序的软件设计以及数据安全设计。通过对系统中涉及的硬件的选用和组合使整个系统的功耗和稳定性达到较好效果。通过对IC卡的选用和内部存储器的合理分配以及对程序的合理设计增强了IC卡中数据的安全性。关键词：IC卡；电度表；ADE7755；单片机 Abstract Since the state grid first publicize the development pla

3、n of smart grid in May 2009, Smart grid steps into peoples life gradually, Smart grid as a trends of grid development in future, smart power equipment will benefit from the reform and construction of smart grid, smart electricity is a indispensable equipment of smart power equipment. The current pol

4、y-phase electricity although has the characters of mature technology, stable operation and power accuracy, but it defects in smart management and safety confidentiality, therefore the smart electricity will have the important significance of the reform and construction of smart grid.Based on low-pow

5、er, high-performance production ATMEL Corporation Atmega16 as the core, coupled with ADIs high-precision measurement of electricity chip ADE7755. ALE4442 cards and cards and other external circuit design of IC card charges meter control system, The controlling system of the prepaid electrodynamic me

6、ter with 1C card combines hardware and software knowledge and accomplishes consumption of the electrodynamic meter terminal with IC card through assembly language programming. Main program, brownout interrupt subroutine, AT24C02 read and write subroutines, SLE4442 card and display subroutine subrout

7、ine design and software design and data security, system of the hardware primarily to analyze with the function;The main procedure,the IC card break-sub-procedure,the customer card sub- procedure, the pulse break-sub-procedure and the display-sub- procedure design.and data security.The system in con

8、sumption and stability is optinal effect through selection hardware.The cards security with data is enhanced through programming in reason. Key words:IC card; the electrodynamic meter;ADE7755;microchip computer目 录1 引言31.1 研究背景31.2 IC卡电度表发展现状31.3 本文研究的主要内容32 系统的方案论证3电能计量系统方案设计32.1.1 电子式电能表的测量原理32.1.2

9、 方案的选择32.2 IC卡系统方案设计32.3 系统总体方案设计33 系统的硬件设计33.1 电量检测电路3电量测量芯片的选择3电量测量芯片ADE77553电量采集电路硬件设计33.2 IC卡接口电路33.2.1 IC卡的选择33.2.2 SLE4442卡33.2.3 IC卡接口电路33.3 数据存储电路33.4 用电控制电路33.5 报警电路设计3显示电路设计3掉电检测电路3电源电路设计3单片机最小系统设计33.9.1 Atmega16单片机介绍3最小系统电路34 程序的软件设计34.1 掉电中断子程序的设计34.2 AT24C02读写子程序设计34.2.1 向AT24C02中写入数据的设

10、计34.2.2 从AT24C02中读取数据的设计34.3 显示子程序的设计34.4 数字滤波的设计34.5 SLE4442卡子程序34.5.1 写数据程序34.5.2 读数据程序34.5.3 密码校验程序34.6 系统主流程图35 误差的定性分析及改进措施35.1 空间电磁场的抗干扰设计35.2 模拟通道与数字通道之间抗干扰设计3电源和接地系统的抗干扰设计35.4 印刷电路板抗干扰设计36 结 论3致 谢3参考文献3附录31 引言1.1 研究背景IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的英文简称，在有些国家也称之为灵巧卡（Smart Cart）、智慧卡（Intell

11、igent Card）、微芯片卡（Microchip Card）等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。IC卡的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝（Karnataka Arimura）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID(Identification Card）。1974年，法国的罗兰莫雷诺（Roland Moreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔（Bull）公司研制出世界第一枚IC卡。1984年，法国的PTT（Posts Telegra

12、ph sand Telephones）将IC卡用于 卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（ISO，International Standardization Organization）与国际电工委员会（IEC International Electro technical Commission）的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。IC卡较之以往的识别卡，具有以下特点：一是可靠性高IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息可保存100年以上，读写次数在10万次以上，至少可用10年；二是安全性好

13、；三是存储容量大；四是类型多。从全球范围看，现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡已在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益和经济效益。2010年，全国IC卡发行量约为亿张，其中电信占据了大部分市场份额。公用 IC卡亿多张，移动 SIM卡超过4200万张，其它各类IC卡约6000万张。2011年IC卡总出货量约亿张，较上年增长26%；发行量约亿张，较上年增长40%。从应用领域来看，公用 IC卡发行超过亿张，SIM卡发行5500

14、万张，公交IC卡为320万张，社保领域发卡为1400万张，其它发卡为8000万张。尽管IC卡的发行量保持了较高的增长率，但市场销售额在IT市场中的比重还很小。据CCID统计，2011年我国计算机市场销售额约2502亿元，而IC卡市场销售额不到21亿元。IC卡市场还构不成我国IT业的亮点，对IT市场的拉动作用并不明显。这一方面制约IT企业对IC卡技术的投入，另一方面，也预示着我国IC卡市场的巨大发展空间。随着政府管理和支持力度的加大、技术研发水平的提升，IC卡市场竞争格局将发生深刻的变化。由于高端芯片、核心模块、金融POS机、生产设备等被国外企业所掌握，造成国外品牌对一些细分市场的相对垄断。随着

15、政府智能卡项目的启动，移动通信市场的逐步开放，国内企业技术实力和工艺流程的优化，使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制，而国内品牌将会有快速的发展。2010年乃至今，是我国IC卡应用向纵深发展的时期。我国IC卡市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，IC卡市场将逐步走向成熟，进入微利时代。在这种形势下，单纯的发卡量和新产品的数量并不能衡量IC卡产业与市场的发展水平，市场发展的程度最终取决于IC卡的应用水平及其带来的社会效益。从可持续发展的角度讲，加强行业规范，推动IC卡企业由产品和技术型转向应用和服务型，将成为我国IC卡市场发展的重要趋势。在此后的三十多年里，随着超大规模集成电

16、路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展，IC卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的应用1。根据镶嵌的芯片的不同划分为：（1）存储卡：卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-only Memory），以及地址译码电路和指令译码电路。为了能把它封装在的塑料卡基中，特制成的薄型结构。存储卡属于被动型卡，通常采用同步通信方式。这种卡片存储方便、使用简单、价格便宜，在很多场合可以替代磁卡。但该类IC卡不具备保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。常见

17、的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64。（2）逻辑加密卡：该类卡片除了具有存储卡的EEPROM外，还带有加密逻辑，每次读/写卡之前要先进行密码验证。如果连续几次密码验证错误，卡片将会自锁，成为死卡。从数据管理、密码校验和识别方面来说，逻辑加密卡也是一种被动型卡，采用同步方式进行通信。该类卡片存储量相对较小，价格相对便宜，适用于有一定保密要求的场合，如食堂就餐卡、 卡、公共事业收费卡。常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。（3）CPU卡：该类芯片内部包含微处理器单元（CPU）、存储单元（RAM、ROM和EE

18、PROM）、和输入/输出接口单元。其中，RAM用于存放运算过程中的中间数据，ROM中固化有片内操作系统COS（Card Operating System），而EEPROM用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。CPU管理信息的加/解密和传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区（也可用高一级命令解锁）。CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但CPU卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为IC卡发展的主要方向。CPU卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上比较著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberg

19、er等（4）超级智能卡：在CPU卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源，即成为超级智能卡，有的卡上还具有指纹识别装置。VISA国际信用卡组织试验的一种超级卡即带有20个健，可显示16个字符，除有计时、计算机汇率换算功能外，还存储有个人信息、医疗、旅行用数据和 号码等。1.2 IC卡电度表发展现状95年前，主要为电钥匙IC卡，以93C46和24C01为主IC卡为可擦写存储芯片（EEPROM）或一般存储卡，IC卡存储方便、使用简单、价格便宜，安全性不高，存在被破解的可能性，用户以物业小区为主。95年99年，主要为 卡式IC卡，以存储卡（24C01）和逻辑加密卡（4442、4428）为主其中逻辑加密卡

20、（4442、4428）的安全性得到进一步提高，内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行操作。用户从单纯物业小区扩展到电力行业管理部门，开始大规模普及使用。98年至今，主要为金融级IC卡，以CPU卡（CPU卡和SAM模块为加密介质）为主CPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器，存储器，时序控制逻辑等外，还带有算法单元和操作系统，存储容量大，处理能力强，信息存储安全等特性。率先在北京供电局全面推广，并在河南、湖南等城市开始推广。IC卡预付费电度表为电力部门的收费及抄表带来了极大的方便和收益，也为生产厂商带来了利润；作为IC卡预付费

21、电度表各生产厂家应充分借鉴该案件所带来的众多思考，积极进行自我反思，防微杜渐，积极淘汰问题产品，做到对企业自身负责、对行业发展负责、对社会负责！共同维护电度表行业的健康发展！特点：(1)不需要人工抄表，有利于现代化管理。IC卡电表的使用避免人工抄表上门收费给客户带来的诸多不便，且历史购电数据均可以保存，便于客户查询。(2)充分体现了电力的商品属性。实行先买电后用电，客户可以根据自己的实际需要有计划地购电、用电，不会因欠费而发生滞纳金，增加不必要的开支。(3)解决了收费难的问题。能很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问题。1.3 本文研究的主要内容该IC卡预付费电度表是以标准

22、的单相电子式电度表为基表改装而成，采用具有加密逻辑的存储器卡作为预付费传递媒介，以单片机作为处理和控制系统的核心。使传统型电度表的功能得以更新。用户从电力部门购买的电费通过IC卡传递给电度表，单片机将新购电费与表内剩余电费相加得到新的剩余电费，存于EEPROM芯片中。电度表通过计量芯片把功率转换成电脉冲信号，送单片机计数。计数值的大小反映了用电量大小，当用电量达到一个计费单元，单片机计费一次，从剩余电费中扣除用去电费，并对用去电费进行累加。该电表具有以下功能：（1）预付费功能：通过IC卡实现先买电后用电；（2）数字显示功能：购电量、剩余电量、累计用电量随时可供查询。（3）预告功能：当剩余电量小

23、于设定的警告门限时，点亮提示用电量将尽的发光二极管和驱动提示扬声器发出声音，提醒用户及时购电；（4）监控功能：剩余电量为零时，自动切断用电回路；（5）数据保护功能：电网停电时，数据自行保持；（6）防伪卡功能：一表一卡，购电IC卡采用具有加密逻辑的存储器卡，加上软件算法和“动态”密码技术，严格有效地防止伪造和复制购电卡的行为；2 系统的方案论证电能计量系统方案设计 2.1.1 电子式电能表的测量原理 作为电能表，最重要的功能就是电能测量。有功电能测量可简单地描述如下8：设在时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： (2-1) (2-2)其中，为时刻电压瞬时值；为时刻电流瞬时值；为电

24、压峰值；为电流峰值；为电压有效值；为电流有效值；电流与电压相位差；角频率。则在一个周期内平均有功功率为： （2-3）一个周期内的电能W为 （2-4）各种乘法结构的电能测量单元都是以式(2-4)为理论基础形成的。实际上用户负荷是不断变化的，无法快速而准确地测得每个周期的电压有效值、电流有效值，以及电压向量与电流向量之间的相位差，所以无法直接按式(2-4)计算电能。电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。下面简单介绍一下电子式电能表的测量原理，并介绍基于A /D转换器的数字乘法器的工作原理。电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与

25、电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数。它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。由此大体可分为模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。数字乘法器则以微处理器为核心的高精度A/D型为代表。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。下面简单介绍一下数字乘法器。数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心，将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由A/D转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进

26、行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能。图2-1 分时采样与采样点功率 利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图2-1为分时采样与采样点功率。从图2-1可以看到各采样点功率为 (2-5) 一个周期T内平均功率为 (2-6)即各采样点功率为 （2-7）则一周期内平均功率为 （2-8）令，则一个周期内的电能为（2-9）若0，则有 （2-10）式（2-9）说明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电能。式(2-10)是一个数值计算公式，由微处理器可以轻松完成。这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。如果100采样一次，而工频50Hz的

27、交流电压、电流的周期就是20ms，则一个周期内可采样200次。研究指出，利用高精度A/D转换器，增加采样次数就可以将电能计算得很准确。这种测量方法的误差来源主要有采样频率、A/D转换器的转换精度，取样电路及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和相位误差。误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，因为数据采集、计算、积分等都是通过数字电路来实现的。由于计算机技术的发展和ASIC技术的应用，使开放专用芯片的工作相对容易。这种专用电能计量模块不仅集成了乘法

28、器、P/f变换电路，而且还包含有其他电路，如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等，采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表。数字型乘法器以A/D变换原理也分为两类；用逐次比较型A/D进行采样的数字乘法器和用原理进行A/D转换的数字乘法器。2.1.2 方案的选择方案一 机械电子式前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。具体方案是在转盘上涂上大约1cm宽的“黑条”，在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射。当红外线照在其他部分时，被反射，接受管能接收到红外线。这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，

29、再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观，读数容易，但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多、笨重。方案二 模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加，如图2-2所示。这种方案对信号的采样速率快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大。这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。I/U变换 UUU变换A/D转换A/D转换CPU

30、IC 卡座控制键盘液晶显示器IU 图2-2 方案二的系统框图方案三 电压频率转换式采用电压频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。无须专门的A/D转换器，大大减少了硬件成本。CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差（），经过查表得功率因数计算,便得有功功率,再定时累加就是电能值。系统框图如图2-3所示。液晶显示器控制键盘IC卡座CPUI/U变换过零检测过零检测V/F转换模摸拟开关IU 图2-3 方案三的系统框图这种方案的CPU

31、要实现读写卡控制、求功率因数（）、电能计算等功能，负担较重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。方案四 功率累加式将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的模拟电压（或电流），再经过V/F变换（或I/F变换）变成频率信号。单片机对频率信号f进行累加，即可得出电能。系统框图如图2-4所示。CPU液晶显示器键盘IC卡座I/F转换器低通滤波器模拟乘法器I/U变换IU图2-4 方案四的系统框图这种方案不但兼有方案三的优点，而且对CPU的要求低，采用MCS-51系列单片机完全可以胜任。而且，现在已有集成电路（如：BL0932、SM9903）将模拟乘法器、低通滤

32、波器和V/F变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。 基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。其中，模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器采用集成电路ADE7755。CPU采用Atmega16，它内部有16KB的程序存储器，应用于此系统绰绰有余。2.2 IC卡系统方案设计 方案一非加密存储器卡非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片。非加密存储器卡的特点：卡内嵌入的芯片多为通用EEPROM。无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。卡片制造中也很少采取安全保护措施。多采用2线串行通信协议（I2C总线协议）。3非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但由于

33、本身不具备信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。方案二加密存储器卡加密存储器卡（Security Cards接触型）的芯片由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成。加密存储器卡的特点：具有安全控制逻辑，安全性能较好。同时采用ROM、PROM、EEPROM等存储技术。从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施。为提高安全性，加密存储器卡的存储空间被分为多个不同的功能区。加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。在访问存储器前，需要核对密码。只有密码正确，才能存取数据。允许连续密码核验的错误次数很少（一般在十次以内），可以有效防止

34、非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。这类器件保密性较好，应用较广泛。此方案保密性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。方案三 CPU卡CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU。CPU卡的特点：CPU一般均为兼容于8位字长单片机等（如MC68HC05、Intel8051等）的微处理器。它将在COS(Chip Operation System，片内操作系统）控制下，实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。ROM用于存放COS,3KB16KB。RAM用于存放中间处理结果及作为卡

35、与读写器间信息交换的中间缓冲器，128B1KB。EEPROM则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密码、应用文件等，1KB16KB。CPU卡（Smart Cards接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。CPU卡有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性要求特别高的场合。此方案保密程度高，适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统。所以在对以上三种方案的比较后，我在本设计中，选用第二种方案，以逻辑加密存储器卡作为售电的传输媒质，具体型号是SLE4442。2.3 系统总体方案设计本次设

36、计的IC卡预付费电度表是以标准的单相电子式电度表为基表，采用具有加密逻辑的存储器卡SLE4442作为预付费传递媒介，以单片机作为处理和控制系统的核心， 主要包括掉电检测及掉电保护电路、用电检测电路及窃电检测、IC卡接口电路、功能键及显示电路、报警电路、用电控制电路、数据存储电路。如图2-5所示。图2-5 系统总体结构图3 系统的硬件设计 3.1 电量检测电路电量测量芯片的选择IC卡预收费电度表的技术核心就是使用专用电能测量芯片。电量测量单元的任务就是保证系统在各种负载条件下和各种电源质量时，都能以较高的精度准确的测量有功电量。目前国内生产该种功能的芯片的公司有：上海贝岭、苏州华芯、深圳国微等多

37、家公司;国外计量IC公司有美国ADI公司，南非Sames公司等;其中ADI公司先后推出了ADE7750,ADE7751,ADE7755等系列产品，而且性价比优于国内产品。因此本设计采用该公司的ADE7755.电量测量芯片ADE77551. ADE7755简介ADE7755是美国ADI公司生产的一种用于功率测量或电能计量的专用高精度集成电路，其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。ADE7755为+5V单电源供电，低功耗的CMOS芯片;具有量程宽(负载能力高达46倍Ib)、精度高(在1%500%Ib范围内，误差小于0.3%),内部具有掉电、上电自动复位电路等优点。当发生短路、开路、旁路的情

38、况时，除了具有输出指示外，还能以原精度继续计量。只有在ADC和基准源中使用模拟电路，所有的其他信号处理(相乘和滤波)都使用了数字电路，有效的去除尖脉冲等干扰信号，使得ADE7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。引脚 Fl和 F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微处理器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微处理器接口。逻辑输出REVP用来指示负功率或错线。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。ADE7755芯片的AVDD引脚处有一个电源监控电路，除非引脚AVDD电压达到4V，否则AD7755一直保

39、持在复位状态，如果电源下降到4V以下，ADE7755将重启，而且Fl, F2,和CF引脚将不会有电脉冲信号。无论电流通道的HPF是接通的还是断开的，ADE7755内部相位匹配电路使得电压和电流通道的相位始终是匹配的。另外，其内部的空载阐值特性保证了ADE7755在空载时没有潜动。其芯片的输入引脚可直接与不同量程的传感器相连接，因而简化了与传感器的接口。由于输出为脉冲信号，因此便于用计算机进行测量处理。ADE7755的内部电路主要由信号输入和信号处理两部分组成。电流输入通道中的增益可编程放大器可根据引脚G1和G0的输入信号来选择不同的放大倍数，表是通过G0和G1来选择通道1的增益的具体方法。两个

40、16位的A/D转换器采用-结构，采样频率为900kHz，这种模拟输入结构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。信号处理部分包括相位校正环节、高通滤波器HPF、乘法器、低通滤波器LPF和数字/频率转换电路等。ADE7755的内部结构如图3-1所示。图3-1 ADE7755内部结构框图的有功电能的测量原理若电压和电流均为正弦波，且 （3-1） （3-2）则瞬时功率为： （3-3）从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量和交流分量两部分。在绝大多数场合特别是民用仪表关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率P定义为瞬时功率在一个周期内的平均值，即 （3-4） 为了得到有

41、功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波即可。图3-2给出了瞬时功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获得有功功率，这个设计方案也能确定计算非正弦电流和电压波形在不同功率因素情况下的有功功率。所有信号处理都是有数字电路完成的，因此具有良好的温度和时间稳定性。图3-2 信号处理框图ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信号的累计产生的，即在两个输出脉冲之间通过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。由于乘积后的LPF不是理想的滤波器，因此LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即这个信号通过数字一频率转换器，随时间被积分(累加)，进而产生输出频

42、率。如果CF以较高的频率输出，是因为在对瞬时功率进行累加完成频率转换过程中，采用较短的累加时间，这就意味着减弱了对成分的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。当CF用于带微处理器的电量测量场合，CF应该进行平均后再计算功率,图3-3为ADE7755与单片机的接口。下图中，频率输出CF端连接到MCU的端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，即：平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间则在一个积分周期内消耗的电能为：电能=平均功率积分时间=（脉冲个数/积分时间）积分时间=脉冲个数根据事先设定好的计量芯片的脉冲数（即计量1度电所对应的CF输出

43、的脉冲个数），通过对ADE7755输出的脉冲计数也就实现了对电量的测量。图3-3 ADE7755与MCU的接口电量采集电路硬件设计电量采集电路如图3-4所示3-4 电量采集电路ADE7755外围元器件的选择：(1)分流器的选择为了使通道V1(电流通道)的动态范围最大，选用阻值为350的分流器。选择分流器时，有几个重要问题应该考虑。第一，要使分流器的功耗最低。由于本设计方案的最大额定电流为20A，所以分流器的最大功耗为(20A)350=140mW,而国际GB7251/T-1998要求最大功耗为2W.第二，如果功耗过高会给芯片散热带来困难。虽然分流器是采用低温度系数的锰铜合金材料制成的，但是在高温

44、下对重负载仍会产生明显的误差，所以不宜选用阻值太大的分流器。第三，应该考虑电能表对相电压短路造成损害具有的防护能力。由于分流器的阻值非常小，所以外部短路对分流器的影响也非常小。因此分流器总是应该做得尽量小，但这样必然抵消通道Vl(0-20mV,G=16)的信号范围。如果分流器的阻值太小，在轻负载情况下又不能符合IEC1036标准精度的要求。因此本设计权衡利弊将分流器的阻值选为350。(2) 分压网络的设计线电压衰减是通过简单的电阻分压器来实现的，如图3-5所示。这种衰减网络的特点是，即使当衰减程度改变时，电流通道和电压通道之间仍能保持相位匹配。在对电度进行精确校验时，可采用逐次逼近的方法，从跳

45、线J1开始按照顺序，依次接通每个跳线，直到合适为止。 图3-5 分压网络ADE7755通过计算电流通道和电压通道两个输入电压的乘积，然后对乘积进行低通滤波，获得有功功率信号。再将这个有功功率信号进一步转化为频率，以低电平有效信号从引脚F1和F2输出。输入频率与输入电压的关系由下式确定 F= (8.06V1V2G)/ （3-5）式中：F引脚Fl,F2输出的脉冲频率(Hz)V1通道1差动输入电压有效值(V)V2通道2差动输入电压有效值(V)G增益值（1,2,8,16），由G0和G1的逻辑输入确定，见表3-1VREF基准电压(2.5V8%)(V)F1-4由主时钟CLKIN分频获得，分频系数由S0和S

46、1确定，见表3-2表3-1 通道1的增益选择G0G1Gain0010121081116表3-2 F1-4 频率选择S1S0F1-4（Hz） 分频系数00221012201021911218为了校验该电度表，需将线电压衰减到248.9m V。线电压衰减是通过简单的电阻分压网络来实现的。衰减网络应该具有一定的校验范围，此校验范围是通过如下方法确定的:F1-4的误差几乎为0，它的误差取决于晶振；芯片的典型增益误差为7%；片内参考源误差为8%；通道1和通道2的误差均假设为1%。Errorl% +1%+7%+28%=25%在设计时将衰减网络增益校正范围确定在30%，即经过衰减网络的电压可以在175mV-

47、333mV之间进行调整。取R5=300K，R6=150K，R7=75K，R8=39K，R9=18K，R10=9.1K ，R13=1.2K ，R14=560。校表时可以将某些电阻用0电阻代替，即可在电压通道得到的电压，从而达到的校验的目的。3.2 IC卡接口电路3.2.1 IC卡的选择IC卡电度表和售电管理系统之间的联系是以IC卡为媒介的，用户和电力管理部门之间的供、购电也是通过用IC卡传递信息的方式进行联络，从而完成对电表初始化、用户购电、电力部门送电等操作，实现电表用电的过程管理。因此IC卡的选择及其接口电路的设计也是本次设计的重要一环。目前市场上的IC卡功能齐全，种类繁多。按照与电表卡座的

48、接口方式来分的话，分为接触式卡和非接触式卡两大类。非接触式卡使用时不用直接和智能表连接，使用比较方便，但是功耗大，运行不够稳定；接触式卡则由于使用时必须和卡座接触，所以表上需设计插槽，经常插拔IC卡，容易使插槽受损，而且使用也不如非接触式卡方便。但是考虑到功耗和稳定性问题，系统在设计时选择了接触式IC卡。接触式IC卡中的存储卡内部集成了串行E2PROM，结构相对简单，由于没有硬件保密措施，内部数据很容易被截获，而且可被随意擦写。因此在使用时如果需要对数据进行安全保护的话，需要借助软件加密来保证。逻辑加密卡有E2PROM和密码控制逻辑构成，在每次写操作之前都需要进行密码校验，只有密码校验成功才能

49、进行改写数据，因此在安全性方面比存储器卡有了很大的提高:然而其存在的缺点是读数据时不需要校验密码，一旦加密逻辑被破译，将严重威胁系统的安全。CPU卡则是在卡内同时集成了CPU和存储器，CPU执行复杂的逻辑加密算法控制使用权限，因此目前CPU卡的安全性最高，广泛使用于金融、安全等领域。但是 CPU卡的缺点是需要用户自己编写卡操作系统(COS)，开发量和难度大，其价格也偏高，不利于推广。综合3种接触式卡的优缺点，认为逻辑加密卡既有一定的保密逻辑功能，不像存储卡那样可以随意修改数据，也不像CPU卡需要编写复杂的操作系统，价格也适中，因此具有很好的实用推广价值。考虑系统要求，综合各类IC卡的优缺点，本

50、课题选择逻辑加密卡SLE4442。3.2.2 SLE4442卡 SLE4442是德国西门子SIMENS 公司设计的逻辑加密存储卡它具有2K 位的存储容量和完全独立的可编程代码存储器PSC 内部电压提升电路保证了芯片能够以单+5V 电压供电较大的存储容量能够满足通常应用领域的各种需要因此是目前国内应用较多的一种IC 卡芯片芯片采用多存储器结构2 线连接协议串行接口满足ISO7816 同步传送协议NMOS 工艺技术每字节的擦除/写入编程时间为2.5ms 存储器具有至少10000 次的擦写周期数据保持时间至少10 年。SLE4442的触点安排，如图3-7所示。图3-7 SLE4442引脚图芯片功能：

51、SLE4442 IC 卡主要包括三个存储器：1256x8 位EEPROM 型主存储器。地址031 为保护数据区。该区数据读出不受限制，写入受保护存储内部数据状态的限制。当保护存储器中第N 位N=031 为1 时，对应主存储器中第N 个字节允许进行擦除和写入操作。地址32255 后244 字节为应用数据区，数据读出不受限制，擦除和写入受加密存储器数据校验结果的影响。这种加密校验的控制是对整个主存储器实施的(即包括保护数据区和应用数据区)。232 x1 位PROM 型保护存储器.一次性编程以保护主存储器保护数据区,防止一些固定的标识参数被改动.保护存储器同样受加密存储器数据校验结果的影响。34x8

52、 位EEPROM 型加密存储器.第0 字节为密码输入错误计数器(EC).EC的有效位是低三位,芯片初始化时设置成”111”这一字节是可读的(EC).的1,2,3字节为参照字存储区.这3 个字节的内容作为一个整体被称为可编程加密代码(PSC).其读出写入和擦除均受自身比较操作结果的控制。芯片内部逻辑结构如3-8所示：传送协议：1. 复位和复位响应:复位和复位响应是根据ISO7816-3 标准来进行的。在操作期间的任意时候都可以复位。开始，地址计数器随一个时钟脉冲而被设置为零。当RST 线从高状态H 置到低状态L 时,第一个数据位(LSB)的内容被送到I/O 上。若连续输入32 个时钟脉冲，主存储

53、器中的前四个字节地质单元中的内容被读出。在第33个始终脉冲的下降沿，I/O 线被置成高状态而关闭，如图3-9所示。 2命令模式：复位响应以后芯片等待着命令。每条命令都以一个“启动状态”开始。整个命令包括3 个字节。随后经更着一个附加脉冲并用一个“停止状态”来结束操作，如图3-10所示。启动状态：在CLK 为高状态H 状态期间I/O 显得下降沿为启动状态。停止状态：在CLK 为高状态H 状态期间I/O 显得上升沿为停止状态。在接受一个命令之后有两种可能的模式输出数据模式即读数据和处理数据模式。 3-8 SLE4442内部逻辑结构图图 3-9 复位和复位相应的时序图 图3-10 命令模式的时序图：

54、 图3-11 输出数据模式的时序图 3输出数据模式:这种模式是将IC 卡芯片中的数据传送个外部设备接口(IFD)的一种操作。在第一个CLK 脉冲的下降沿之后，I/O 线上的第一位数据变为有效。随后每增加一个时钟脉冲芯片，芯片内部的一位数据被送到I/O 线上，数据的发送从每个字节的最低位（LSB）开始。当所需要的最后一个数据送出以后，需要再附加一个时钟脉冲来把I/O口置成高状态，以便接受新的命令。在输出数据期间任何“启动状态”和“停止状态”均被屏蔽掉.输出数据模式的时序关系，如图3-11所示。4.处理数据模式:这种模式是对IC 芯片作内部处理.芯片在第一个始终脉冲的下降沿将I/O 线从高状态拉到低状态并开始处理。此后芯片在内部连续计时计数,直到低n 个始终脉冲之后的附加一个时钟脉冲的下降沿I/O 线再次置高,完成芯片的处理过程。在整个处理过程中I/O 线被锁定成低状态。处理模式的时序关系，如图3-12所示。图3-12 处理数据模式3.2.3 IC卡接口电路 IC卡的接口电路是连接IC卡与读写设备的通