【正文】 的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，使得電能專用計(jì)量芯片的性能得到極大地提高。主要應(yīng)用于公交車上的電子車票。 非接觸式 IC 卡技術(shù)近年在國(guó)內(nèi)的發(fā)展十分迅速，它可識(shí)別和跟蹤幾乎所有的物理對(duì)象，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，逐漸改變和影響我們的生活?？▋?nèi)的天線是幾組繞線線圈 ,適合封裝到卡片中 ,卡片的專用集成電路由一個(gè)高速的 RF 接口、一個(gè)控制單元和一個(gè) EPROM 組成 射頻卡的讀寫原理是 :讀寫器向射頻卡發(fā)射一組固定頻率的電磁波 ,在電磁波的激勵(lì)下 ,LC 諧振電路產(chǎn)生共振 (卡內(nèi)有 LC 串聯(lián)諧振電路 ),從而使電容內(nèi)有了電荷 :在這個(gè)電容的另一端 ,接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?,將電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ) ,當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí) ,此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓 ,將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。信號(hào)的編解碼。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性 ,針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制 ,發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。射頻識(shí)別產(chǎn)品種類更加豐富 ,射頻卡成本不斷降低 ,規(guī)模應(yīng)用行業(yè)不斷擴(kuò)大 ,射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了豐富和完善。斯托克曼 (Harry Stockman)發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識(shí)別的理論基礎(chǔ) ,成為射頻識(shí)別理論領(lǐng)域的不朽之作。 5）有利于用電管理部門提高現(xiàn)代化管理水平。另外 ,全電子式預(yù)付費(fèi)電能表由于電流采用錳銅片分流 ,電流回路的電阻小 ,當(dāng)用戶在表外短接電流回路時(shí) ,基本上不起作用。同時(shí) ,它也能很好地解決零散居民用戶、臨時(shí)用電用戶、經(jīng)常欠費(fèi)用戶的收費(fèi)問(wèn)題。由于中國(guó)地域遼闊 ,有些地區(qū)用戶比較分散 ,有的用戶離供電部門較遠(yuǎn) ,對(duì)這些用戶的抄表就顯得比較費(fèi)勁 ,且效率較低。由于感應(yīng)式電能表發(fā)展歷史較長(zhǎng) ,已經(jīng)相當(dāng)成熟 ,特別是它對(duì)電源瞬變及各種頻率的無(wú)線電干擾不敏感。 研究現(xiàn)狀 預(yù)付費(fèi)電能表 預(yù)付費(fèi)電能表分類及發(fā)展史 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)際上預(yù)付費(fèi)電能表經(jīng)過(guò)了投幣、磁卡、電鑰匙、 IC 卡的發(fā)展過(guò)程 ,80 年代末推出了 IC 卡預(yù)付費(fèi)電能表 ,它是 IC 卡在電話、金融等領(lǐng)域后的又一成功應(yīng)用。隨著 RFID 技術(shù)的成熟、發(fā)展，非接觸式的 IC 卡的應(yīng)用將會(huì)成為可能，它有很多優(yōu)點(diǎn)?？ㄆ谝惶m州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 定距離范圍 (通常為 5 一 10~)靠近讀寫模塊表面 ,通過(guò)無(wú)線電波的傳遞來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。目前對(duì)于預(yù)付費(fèi)電子式電能表的方案有很多種實(shí)現(xiàn)方式，基于接觸 IC 卡模式和 Keypad 模式的電能表比較多，但隨之而來(lái)采用高科技手段破解 IC 卡密碼的竊電現(xiàn)象也不斷增多，由于安全性差、壽命短、使用不方便等原因?qū)е逻@兩種電表的推廣較為困難。 Radio frequeney identification。 本設(shè)計(jì)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方案。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 IC 卡預(yù)付費(fèi)電能表采用先購(gòu)電后用電的管理模式 ,在一定程度上解決了電力部門收取電費(fèi)難的問(wèn)題 .然而 IC 卡預(yù)付費(fèi)電能表存在許多問(wèn)題 ,首先是由于電力部門缺乏對(duì) IC卡電能表用戶的監(jiān)管 ,難以發(fā)現(xiàn)和查處竊電行為 。軟件劃分為五大模塊 :通訊模塊 ,電能計(jì)量模塊 ,聲光報(bào)警模塊 ,射頻卡讀寫模塊 ,顯示模塊。 Energy measurement； IC card 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目錄 第 一章 緒論 ............................................................ 1 課題背景及意義 ....................................................1 課題任務(wù)及目標(biāo) ....................................................2 研究現(xiàn)狀 ..........................................................2 預(yù)付費(fèi)電能表 ................................................2 射頻識(shí)別技術(shù) ................................................4 非接觸 IC 卡讀寫器 ..........................................7 第二章 方案設(shè)計(jì)及器件選擇 ................................................ 8 方案選擇 ..........................................................8 電能表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ................................................9 控制芯片的選擇 ....................................................9 AT89C52 的工作原理 .........................................10 AT89C52 的芯片管腳及功能說(shuō)明 ...............................10 射頻讀寫模塊的選擇 ...............................................11 MF RC500 的簡(jiǎn)介及其原理 ....................................12 MF RC500 管腳及其引腳功能簡(jiǎn)介 ..............................13 電能計(jì)量模塊選用 AD7755。隨著容量大，保密性好，可反復(fù)使用，攜帶方便等特 點(diǎn) 的 RFID 技 術(shù) 在 我 國(guó) 廣 泛 使 用 ， 基 于 射 頻 識(shí) 別 (Radio Frequency Identification， RFID)技術(shù)的預(yù)付費(fèi)電能表應(yīng)運(yùn)而生，它能在很大程度上解決其他電能表存在的諸多問(wèn)題，原因在于它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作方便快捷，價(jià)格低廉，能有效降低供電管理成本，提升管理水平，確保電能計(jì)量準(zhǔn)確，信息安全可靠。 射頻識(shí)別（ Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)寫 RFID）是一種新型的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可工作在各種惡劣環(huán)境中。在 RFID 領(lǐng)域以 頻段的發(fā)展最為成熟 ，我國(guó)的奧運(yùn)會(huì)門票和第二代居民身份證就采用的是這種技術(shù)。 按結(jié)構(gòu)可分為整體式預(yù)付費(fèi)電能表和分體式預(yù)付費(fèi)電能表。但這種表如對(duì)電能測(cè)量單元測(cè)量的電能進(jìn)行采樣的傳感器設(shè)計(jì)不當(dāng) ,質(zhì)量不可靠 ,就會(huì)造成機(jī)械計(jì)度器和電子計(jì)度器計(jì)量的電量不一致 ,從而造成不必要的糾紛。預(yù)付費(fèi)電能表采用的計(jì)量方式 ,是用戶持卡先到供電部門買電 ,然后才能用電。按照規(guī)定 ,用戶用電應(yīng)如實(shí)申報(bào)用電容量 ,以便于電力部門確定供電方式及準(zhǔn)確計(jì)算應(yīng)繳貼費(fèi)。預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)可以對(duì)用戶的用電 情況進(jìn)行監(jiān)視 ,當(dāng)用戶超過(guò)預(yù)期時(shí)間不來(lái)買電時(shí) ,預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)可以自動(dòng)生產(chǎn)清單 ,有關(guān)人員可根據(jù)清單進(jìn)行核查。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,計(jì)算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè) !各個(gè)部門 用電管理工作也將由傳統(tǒng)的管理模式向現(xiàn)代化管理模式轉(zhuǎn)變 ,實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化管理。 在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)里 ,射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 : 1941 一 1950 年雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了 RFID 技術(shù) ,1948 年奠定 TRFID 技術(shù)的理論基礎(chǔ)。特別是世界頭號(hào)零售商沃爾瑪宣布大范圍使用射頻識(shí)別技術(shù)和美國(guó)軍方宣布軍需物品均使 用射頻識(shí)別來(lái)進(jìn)行識(shí)別與跟蹤 ,這些極大地推動(dòng)了射頻識(shí)別技術(shù)的研究和應(yīng)用。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)雖然在禍合方式 (電蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 感一電磁 )、通信流程 (FDX、 HDX、 SEQ)、數(shù)據(jù)傳輸方法 (負(fù)載調(diào)制、反向散射、高次諧波 )以及頻率范圍等方面有根本的區(qū)別 ,但所有的讀寫器在功能原理上 ,以及由此決定的設(shè)計(jì)構(gòu)造上都很相似。對(duì)一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法 ,對(duì)射頻卡與讀寫器間要傳送 的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 ,以及進(jìn)行射頻卡和讀寫器間的身份驗(yàn)證等附加功能。 圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 非接觸 IC 卡讀寫器 非接觸式 IC 卡是射頻識(shí)別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的，自出現(xiàn)以來(lái)就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。其典型應(yīng)用有： 身份識(shí)別。使用非接觸式 IC 卡的電子車票具有防偽性高、結(jié)算安全、使用方便等特點(diǎn)。國(guó)際上 Cirrus Logic、 ADI 公司等各大 IC 生產(chǎn)廠商相繼推出了他們?cè)陔娔鼙眍I(lǐng)域的專業(yè)的電能計(jì)量芯片。在 SOC 中，越來(lái)越多的數(shù)字信號(hào)處理單元（ DSP）在 SOC 之中取代了模擬元器件，使得長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和性能可能會(huì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案更加優(yōu)越，這是因?yàn)檎麄€(gè)產(chǎn)品關(guān)于如電磁環(huán)境、濕度、溫度及長(zhǎng)時(shí)間工作漂移等等條件變的敏感程度極低。因?yàn)?AT89C52 是我們最熟悉的器件， AT89C52 存儲(chǔ)模塊 24LC256 電能計(jì)量模塊ADE7755 24LC256 繼電器 報(bào)警 LED 射頻讀寫模塊 MF RC500 24LC256 通訊模塊 RS232 通訊模塊 RS232 揚(yáng)聲器 四位LED 電源模塊 管理 微機(jī) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 用起來(lái)可以很好地控制和調(diào)試。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口 P0 寫“ 1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。對(duì)端口 P2 寫“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 表 P3 口的端口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INTO 外中斷 0 INT1 外中斷 1 TO 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 RST 管腳為復(fù)位輸入。該讀卡 IC 系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。該芯片利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。 FIFO緩沖區(qū)、中斷 、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài) 控制單元 、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。當(dāng)與 Mifare Standard和 Mifare通信時(shí) ,使用高速 CRYPTOI流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密匙 存儲(chǔ)器 。 (3)復(fù)位管腳 : RSTPD為復(fù)位管腳，該管腳禁止了內(nèi)部電流源和時(shí)鐘并使 MF C500從微控制器總線接口脫開(kāi)。它只在 ADC 和基準(zhǔn)電路中使用了模擬電路，其他的信號(hào)處理都由數(shù)字電路完成，這使得在惡劣的環(huán)境下仍然可以保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，通過(guò)引腳 F F2 以低頻形式輸出有功功率的平均值，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器，或者與微控制器接口，從引腳 CF 以高頻形式輸出有功功率的瞬時(shí)值，用于電能計(jì)量表的校準(zhǔn)。當(dāng)該引腳輸入 高電平時(shí)，通道 1（電流通道）內(nèi)的 HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在 45Hz 至 1kHz 范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到補(bǔ)償。 470mV。 ? REFIN/OUT,基準(zhǔn)電壓的輸入、輸出引腳。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接。 ? CLKOUT，如上所述，可把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，提供一個(gè)時(shí)鐘源。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字接地面，數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路（如機(jī)械或數(shù)字計(jì)數(shù)器、微控制器和 LED 顯示器的接地參考點(diǎn)。 HPF 輸出的數(shù)字量與電壓通道 ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 量相乘后再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器 (LPF),以便提取有功功率分量。電流通道中的 HPF濾掉電流信號(hào)中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有功功率計(jì)算上的誤差。 存儲(chǔ)器選擇 存儲(chǔ)器選擇 24LC256EEPROM。大部分容量為 128 位到 16 千位的器件還提供 5 引腳 SOT23 封裝。 MC14499 簡(jiǎn)介及工作原理 MC14499 是由 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的高集成度 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器，采用動(dòng)態(tài)掃描方式顯示驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LED 數(shù)碼管。 (1)a ~ g ， h:段碼及小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端， NPN 發(fā)射極輸出。 (8)VDD:為正電源輸入，范圍是 ~。 圖 RS232串口 接口的電氣 特性：在 RS232C 中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)。 TVDD為發(fā)送器電源電壓。然后，通過(guò)同軸線纜即可無(wú)損失且無(wú)輻射地將功率從讀寫器末級(jí)傳送到匹配電路。 MF RC500 的 ALE 為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號(hào) ,接單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)。 當(dāng)采樣輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，測(cè)量時(shí)域、頻域信號(hào)的算法有導(dǎo)數(shù)算法、半周 期算法等。采樣分直流和交流采樣兩種。根據(jù)上面所說(shuō)得到 RC500 接口電路如圖