【正文】 種方案不但兼有方案（3）的優(yōu)點，而且對CPU的要求低，采用51系列單片機完全可以勝任，而且，現(xiàn)在已有集成電路將模似乘法器低通濾波器和V/F變換器集成，其性能指標都遠遠高于分立元件?；谝陨戏治?，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。其中，模似乘法器，低通濾波器和V/F變換器采用集成電路SM9003，CPU采用TA89C51，它內(nèi)部有4KB的程序儲存器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。采用液晶顯示器，可以大大減少功耗，使界面清晰明了。方案（1）采用非加密儲存器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)非加密儲存器卡內(nèi)嵌入芯片為通用儲存器芯片，： 非加密儲存器卡邏輯結(jié)構(gòu)圖儲存器卡的特點：卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用EEPROM；無安全控制邏輯，可對片內(nèi)信息不受限制的任意存??；卡片制造中也很少采取安全保護措施。多采用2線串行通信協(xié)議（I2C總線協(xié)議）或3線串行通信協(xié)議（SPI協(xié)議）,存儲器卡的典型型號有：AT24C01AL02/04/08/16/32/64二線串行EEPROM； AT93C46/56/66三線串行EEPROM；SLE4418智能型1KB EEPROM，等等。非加密存儲器卡信息存儲方便，便用，簡單，價格便宜，很多場合可替代磁卡，由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場合，如某單位或?qū)W校內(nèi)部進行定量用電，超標付款等。方案（2）加密存儲器卡加密存儲器卡(Security cards接觸型)的芯片，由非易失性存儲器和硬件加密邏輯構(gòu)成，： 加密存儲器卡邏輯結(jié)構(gòu)加密存儲器卡的特點：具有安全控制邏輯，安全性能好；同時采用ROM,PROM,EEPROM等存儲技術(shù)；從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護措施；為提高安全性，加密存儲器卡的存儲空間被分為不同的功能區(qū)。加密存儲器卡內(nèi)嵌芯片在存儲區(qū)外加了控制邏輯，在訪問存儲器前需要核對密碼，只有密碼正確才能存取數(shù)據(jù)。允許連續(xù)密碼核驗的錯誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可有效防止非法試探，若在限定的次數(shù)密碼仍不對，則卡片死鎖作廢。這種器件保密性好，實用廣泛，此方案可用于社區(qū)或以村為單位的預(yù)付費用電系統(tǒng)。方案（3）CPU卡CPU卡的硬件構(gòu)成包括CPU，存儲器（含RAM,ROM,EEPROM等），卡與讀寫終端通信的I/O接口及加密運算處理器CAV，： CPU卡邏輯結(jié)構(gòu)其中①CPU一般均為兼容于8位字長單片機（如MC68HC05,Intel8051等）的微處理器，它將在cos (chip operation system,片內(nèi)操作系統(tǒng))控制下，實現(xiàn)卡與外界的信息傳輸，加密，解密和判別處理等。②ROM用于存放cos 3KB～16KB。③RAM用于存放中間處理結(jié)果及作為卡與讀寫器間的信息，交換的中間緩沖器128B～1KB。④EEPROM則是真正可供用戶訪問的存儲區(qū)，用于保存卡的各種信息，密碼應(yīng)用文件等，1KB～16KB。CPU卡（smart cards接觸型）內(nèi)嵌芯片相當于一個特殊類型的單片機，內(nèi)部除了帶控制器存儲器，時序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。CPU卡有存儲容量大，處理能力強，信息存儲安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場合，所以此方案適用于大范圍（如全國性的）預(yù)付費售電系統(tǒng)。典型型號有：mc68Hco5sc26 6KB ROM/224BRAM方案（4）射頻CPU卡射頻CPU卡是射頻識別系統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)載體，卡中嵌有耦合元件和微電子芯片，在讀寫器的響應(yīng)范圍之外，射頻CPU卡處于無源狀態(tài)，通常，它沒有自己的供電電源，只是在讀寫器響應(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的卡所需要的能量以及時鐘脈沖，數(shù)據(jù)，都是通過耦合單元的電磁耦合作用傳輸給卡的。 射頻CPU卡結(jié)構(gòu)射頻CPU卡必須配備相應(yīng)的讀寫器典型的射頻CPU卡讀寫包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器），控制單元以及與卡連接的耦合元件。由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場，以提供射頻CPU卡所需的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時接收來自卡的數(shù)據(jù)，此外，大多數(shù)射頻CPU卡讀寫器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng)，如計算機，機器人控制裝置等。 射頻CPU卡讀寫器接口射頻CPU卡與接觸式IC卡相比有以下特點：1．可靠性高，壽命長。由于讀寫之間無機械接觸，避免了因接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障；且射頻CPU卡及讀寫器表面均無裸露的接觸，無需擔心觸點損壞或脫落，卡彎曲損害所致之卡片失效；卡與讀寫器均為全封閉防水防塵結(jié)構(gòu)，既避免靜電，塵污對卡的影響，也可防止粗暴插卡，異物插入讀寫器插槽以及讀寫器“吃卡”等問題。操作快捷便利。無接觸通信使讀寫器在10cm范圍就可以對卡片操作，無需插拔；且射頻CPU卡使用時無方向性，卡片可以任意方向閃過讀寫器表面完成操作。2．動態(tài)處理。由于射頻CPU卡與讀寫器之間通信處于相對運動狀態(tài)，對電路的處理速度，可靠性等都提出了更高的要求，因此，對應(yīng)用安全性要求高的場合目前及主要采用接觸式CPU卡，射頻正處于發(fā)展中。3．成本較高。由于卡與讀寫器都需要將射頻技術(shù)結(jié)合進去，因此會增加成本。采用射頻CPU卡作為銷售電能的傳輸煤質(zhì)，安全性強，可靠性高，經(jīng)久耐用，但是讀卡器電路復雜，成本高，甚至讀卡器高于電度表本身的成本，顯而易見，這種方案不適用于民用。通過以上四種方案的綜合比較可以看出，方案一適合學校的定量用電，在設(shè)計中選用AT24C04為存儲器卡，用Visual c++在微機上編制相應(yīng)的售電管理系統(tǒng)，配以相應(yīng)的讀卡器實現(xiàn)對IC卡的初始化，卡號識別充值等操作。3單相電子式預(yù)付費電度表的工作過程1 用戶將存有電能的IC卡插入卡槽，卡中電能被讀入表中，同時把IC卡清“0”。2 專卡專用。當有非本機卡或異物插入卡槽時，能及時發(fā)現(xiàn)，切斷卡座的供電，保護電度表，提高安全性3 電度表正常工作時液晶顯示剩余電能值，已用電能值，使用戶直觀的了解電度表的工作是否正常及用電負荷的大小。4 用電時，能按二級表的精度計量電能，并隨時改寫剩余電能和已用電能。5 當表內(nèi)剩余電能不足20Kwh時在液晶顯示器上顯示”low power”以提醒用戶余電不多及時購電。6 當表內(nèi)剩余電能為0時自動斷電，這時用戶不能用電，在用戶將重新購電的IC卡插入卡槽時，完成上訴第一項的功能，恢復供電。7 有負荷限制功能，當用戶電流大于25A時自動斷電，五分鐘后恢復供電。8 具有掉電保護功能。掉電時，自動把剩余電能從RAM轉(zhuǎn)存儲在EEPROM中。1 上電時，液晶顯示屏上顯示“electrograph”隨將存放在EEPROM中的剩余電能調(diào)入到ROM中。2 當單片機工作正常時，能顯示剩余電能和已用電能。3 當有本機IC卡插入卡槽時根據(jù)有電卡和無電卡（空卡）做出不同的處理：若為有電卡則顯示“reading”，稍后提示“ok”這時卡中電能被寫入卡中，且將卡清零；若為空卡，則顯示“emport”。4 當用電時，剩余電能遞減，已用電能遞增。5 當插入無效卡時，系統(tǒng)提示“wrong card”。6 當電用完時，切斷電源，并顯示“no electricity”。4硬件電路及工作原理本設(shè)計采用有功電能測量集成電路SM9003，芯片中包含了四象限模擬乘法器，積分器，電壓率頻轉(zhuǎn)換器VFC，計數(shù)器（分頻器）及控制邏輯，它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。只需對輸出脈沖累計計數(shù)，就可計量出電能。 ： SM9003內(nèi)部電路模型在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，設(shè)正弦電壓和電流分別見公式（）： 公式（）式中u為交流電壓瞬時值，i為交流電流瞬時值，U為交流電壓有效,I為交流電流有效值，ω為交流電的角頻率，φ=φuφi為電壓電流相位差。經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時功率見公式（）： 公式（）可見瞬時功率有恒定分量UIcosφ和正弦分量兩部分，正弦分量的頻率是電壓（或電流）頻率的兩倍。：在圖10中，u是瞬時電壓，i是瞬時電流，p是瞬時功率。瞬時功率p經(jīng)積分器后，得有功功率p，見公式（）： 公式（）一段時間T內(nèi)的電能W見公式（）： 公式（）以上分析表明，有功功率p為恒定分量，將正比于p的電壓，經(jīng)V/F變換后，輸出的是頻率隨p的變化的脈沖，只需將脈沖累計計數(shù)，則計數(shù)值N即為電能。電表的硬件電路可分為電能計量電路，控制電路，顯示電路。IC卡接口，電能存儲器，掉電檢測和電源幾大模塊。下面是各個模塊的工作原理：電能計量電路采用電子電度表專用集成電路SM9003，首先有必要介紹一下SM9003的相關(guān)特點和技術(shù)參數(shù)。SM9003采用3um桂柵BICMOS工藝制成。電路設(shè)計先進，內(nèi)部集成有緩沖放大器，乘法器，V/F型A/D轉(zhuǎn)換器等電路。本芯片模擬部分和數(shù)字部分可分開供電，所以可靠性較高，封裝采用DIP20塑封。特點:①精確測量正負兩個方向的有功功率，且以同一個計算電能。②線性度高，動態(tài)工作范圍寬。③具有防潛動功能。 ④MCU數(shù)據(jù)接口。⑤直接驅(qū)動步進電機⑥適用于單相，三相電度表。⑦低功耗。⑧20年使用壽命。功能:SM9003是將取自由電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號進行放大。應(yīng)用乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過V/F（電壓/頻率轉(zhuǎn)換）型A/D轉(zhuǎn)換器等電路將電壓信號轉(zhuǎn)換成可供MCU讀取和直接驅(qū)動步進電機的數(shù)字信號。SM9003同時具有測量負向有功功率的有功功率的功能，測量負向有功功率以正向有功功率計算，并通過IND(9腳)輸出負電平以指示測量負向有功功率。管腳圖及定義:；： SM9003管腳圖 SM9003管腳定義管腳號符號說明1VI1電流取樣信號輸入2VI2電流取樣信號輸入3GNDA模擬地端4Vv電壓取樣信號輸入5NC與4腳內(nèi)部互相聯(lián)結(jié)6VR1參考電壓1外調(diào)整端7VR2參考電壓2外調(diào)整端8POUT有功功率計算輸出脈沖9IND負向有功功率指示10IC測試控制端11VSS負電源（5V）12GNDD數(shù)字地端13DMO1脈沖電機驅(qū)動輸出114DMO2脈沖電機驅(qū)動輸出215OSCIN晶振輸入16OSCOUT晶振輸出17VDD正電源（+5V）18C1積分電容119COM積分電容公共端20C2積分電容2兩種輸出波型:將SM9003的測試控制端10腳接地時，脈沖輸出腳（8腳）。將SM9003的測試控制端10腳接5V時，脈沖輸出腳（8腳）輸出無調(diào)制的脈沖信號。 輸出無調(diào)制的脈沖信號在設(shè)計中，：，用精密金屬作為電壓采樣電阻。CR1VDVDCCVZVZ2為電容降壓式電源，為SM9003提供177。5V的工作電壓，32768HZ為表用晶體振蕩器為SM9003提供時鐘，CC7為積分電容，R8為參考電壓調(diào)整電位器，本電路無需機械式計數(shù)器。控制部分為整個電度表的心臟，實現(xiàn)電能脈沖計數(shù)，掉電信號，IC卡信號，串行EEPROM數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動模塊的控制和繼電器的驅(qū)動等功能。單片機的選擇是決定電度表性能的關(guān)鍵因素，本設(shè)計采用51系列的單片機，其特點是通用性強，堆棧豐富和編程容易。其中Flash型如：Atmel公司的AT89C51, AT89C52, AT89C1051, AT89C2051等和臺灣華邦公司的W78E51, W78E52等，使用十分方便。51系列單片機的指令系統(tǒng)中，2～3B的指令很多。當程序指針PC跳飛至某條指令的中間時，會把操作數(shù)當成指令碼執(zhí)行而引起混亂。這一致命的弱點將導致電度表的可靠性下降。所以，在軟件中必須采用相應(yīng)的措施可以解決。本設(shè)計選用Atmel公司的AT89C51，其中內(nèi)部有4KB的程序存儲器，硬件電路簡單，： Atmel公司的AT89C51IC4與時鐘電路（包括晶體振蕩器，電容C14,C15和內(nèi)部電路），上電復位電路（包括R23,C13,S2,VD10,C31,R50）構(gòu)成單片機的最小系統(tǒng)。其中晶體振蕩器選用12MHZ的高穩(wěn)定無源晶體振蕩器，它與AT89C51中的反向放大器構(gòu)成振蕩器，給CPU提供穩(wěn)定的時鐘信號，電容C14,C15可起頻率微調(diào)作用，電容值在5PF30PF之間選擇，本電路選20PF。電容C13和電阻23構(gòu)成上電復位電路，電源啟動時，電源對電容C13充電，在CPU的復位端產(chǎn)生一高脈沖，只要高電平的維持時間大于兩個機器周期（24個震蕩周期）。CPU就可復位。二極管VD10的作用是當斷電時，可使電容C13所存儲的電荷迅速釋放，所以下次上電時可靠復位，電容31可濾除高頻干擾，防止單片機誤復位，按鍵S和電阻R50構(gòu)成按鍵復位電路。電能脈沖由IC1的8腳經(jīng)光電耦合器IC2送到IC4的T0端，用以實現(xiàn)脈沖計數(shù)。51系列單片機簡介單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機。這些部件中包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。51單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖 圖 51單片機的基本結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)特點如下：8位CPU ；片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；32根I/O線；外部存儲器ROM和RAM尋址范圍各64K；2個16位的定時器/計數(shù)器；5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級；全雙工串行口；布爾處理器。單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 ：圖 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）中央處理器51單片機的中央處理器CPU由運算器和控制邏輯構(gòu)成，其中包括若干特殊功能寄存器。算術(shù)邏輯單元ALU能對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算和“與”、”或”、“異或”等邏輯運算以及位操作運算。ALU只能進行運算，運算的結(jié)果可以實現(xiàn)存放愛在累加器或暫存器中，運算結(jié)果可以送回ACC、通用寄存器或存儲單元中。暫存器在乘法指令中用來存放乘數(shù)，在除法指令中用來存放除數(shù)，運算后其中為