【正文】 MF RC500 微行微控制器接口 高速 CRYPT01 流密碼單元 模擬電路 狀態(tài)和控制部分 數(shù)據(jù)處理部分 線據(jù)數(shù) 地址線 控制線 報警電量”并保存 ISO 14443A 圖 MF RC500 的內部結構圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 23 選信號置 1 不再選中芯片。 數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行 — 串行轉換。 電 能存儲器 電能存儲器由串行 EEPROM 和上拉電阻組成，電路如圖 。當 CF 用于帶微處理器的電能計量時，也應該進行平均后再計算功率。 V2P、 V2N 是模擬輸入通道 2，用于電壓信號的輸入，最大差分輸入信號為177。這些電路在內部集成了如圖 42 所示的各種電路。 6264 共有 4 種操作模式，如表 表 6264操作方式 方式 WE OE WE D0～ D7 沒選中 禁止 讀出 寫入 1 0 0 0 X 1 0 1 X 1 0 1 高阻 高阻 讀出數(shù)據(jù) 寫入數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)存儲器 6264 與 80C196KB 連接說明如下： 數(shù)據(jù)存儲器擴展的數(shù)據(jù)連接與程序存儲器擴展的方法相同。 2864 是 Intel 公司生產的 8K 8 位電檫除，可編程只讀存儲器（ EEPROM），其主要優(yōu)點是能在本系統(tǒng)中進行改寫，并能在判斷斷電情況下保存數(shù)據(jù)而不需要保護電源。 ? 用戶 N+1 用戶 1 CT CT 多路開關 電能測量電路 單片機系統(tǒng) 鍵盤及顯示電 路路 斷電控制電路 報警及監(jiān)控電路 電源電路 預付費及身份識別電路 數(shù)據(jù)存儲電路 圖 系統(tǒng)原理框圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 4章 系統(tǒng)硬件 電路及工作原理 單片機及外圍 電路設計 CPU 的選擇 單片機是將 CPU、 ROM、 RAM、 I/O、定時器、串行口、振蕩電路等集成于一個芯片中，使其具有計算機的基本功能。 在本設計中，以射頻 CPU卡作為售電的傳輸媒質， 配以相應的讀卡器實現(xiàn)對IC 卡的初始化、用戶的身份識別、充值等操作。允許連續(xù)密碼核驗的錯誤次數(shù)很少（一般在十次以內），可以有效防止非法試探。單片機對頻率信號 f 進行累加，便可得到電能 。具體方案是在轉盤上涂上大約 1 ㎝寬的“黑條”在轉盤的上方或下方設置一紅外線發(fā)射接收對管。 由此可見，使用電子式電能表，再配合相應的通訊電路及管理軟件構成的計量管理系統(tǒng)，可以有效地提高電力部門或物業(yè)公司對用戶進行科學管理的 能力，減少大量的繁重勞動。絕大部分采取液晶或 LED顯示，也有通過步進電機推動齒輪用機械數(shù)字顯示的。感應式電能表 具有可靠性高、制造簡便、價格便宜等優(yōu)點，其制造技術已經非常成熟?，F(xiàn)場級 以 專用電能計量芯片 AD7755 和帶有 A/D 轉換功能的微處理器80C196KB 以及身份識別電路（ IC 卡預付電費電路） 為核心 ，實現(xiàn)個人用電計 量 、類阻性發(fā)熱負載 識別 、公寓用電情況的監(jiān)視 等 ， 并 通過 RS485 與上層管理級 通信 ，完成對公寓用電情況的統(tǒng)計和 管理 。對用電管理部門來說，最關心的不外乎三個問題：電量的計量、電量信息的采集、電費的收繳。第一部分：電壓、電流輸入回路，是將被測功率的電壓和電流分別通過分壓器和互感器 變換為合適于電子式電能表乘法器所需要的小電壓送至乘法器。 自動抄表收費方式：為用戶安裝具有 通訊能力的計量儀表，通過通訊網絡系統(tǒng)自動完成用戶計量儀表的數(shù)據(jù)抄收，再通過金融網點以自動或人工方式完成繳費。 設計的基本技術要求具有巡回顯示各用戶剩余電費、用戶通過 IC 卡預存電費及身份識別后方可用電、實現(xiàn)自動的欠費預報警和欠費斷電、通過 RS485 總線通信與上位機進行通信，從而實現(xiàn)校園用電系統(tǒng)的集中管理。無須專門的 A/D 轉換器，大大減少了硬件成本。 非加密存儲器卡信息存儲方便、使用簡單、價格便宜，很多場合可替代磁卡。通常，射頻 CPU 卡沒有自己的供電電源（電池），只是在讀寫器 響應范圍之內，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。 每個 上位機 對應一棟公寓樓，每個用戶板對應一個 房間，其中用戶板包括一個專門的通訊 /控制模塊 （采集終端）以及每個 學生用戶 對應的專門的電能采集模塊 （采集前端） 。 80C196KB 是繼8096BH 之后， Intel 公司又推出了一系列高性能的 CHMOS 系列 16 位單片機 ——80 C1的一種，其性能特點簡要介紹如下： （ 1） CPU算術邏 輯單元不再采用常規(guī)的累加器結構，而改用了寄存器到寄存器的結構； CPU的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器，消除了一般 CPU結構中存在的累加器的“瓶頸”效應，提高了其速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。實現(xiàn)片選。當有電器用電時，負載上的瞬時電功率 ??tp 等于負載兩端的瞬時電壓 ??tu 與流過負載的瞬時電流 ??ti 的乘積，其表達式為 ??tp = ??tu ? 芯片采用 CMOS 工藝，單 +5v 供電，供耗極低。 2） 當輸入的電壓信號與電流信號不為標準正弦波時 實際應用中，所有電壓和電流波形均含有一定的諧波成分。 表 CF的輸出頻率 SCF S1 S0 F 的最高 輸出頻率（ Hz） CF 的最高輸出頻率（ Hz） 1 0 0 128F= 0 0 0 64F= 1 0 1 64F= 0 0 1 32F= 1 1 0 32F= 0 1 0 16F= 1 1 1 16F= 0 1 1 2048F=5570 由 ADE7755 構成的計量模塊具有抗?jié)搫庸δ?，即如果輸出頻率低于某最低頻率時，在 CF、 F1 和 F2 引腳上沒有脈沖輸出。CRC)。 MF RC500 與單片機的接口 MF RC500 與單片機的接口電路圖如圖 所示。它的總線控制有三種類型：獨立讀寫選通、共享讀寫選通和帶信號交換的共享讀寫選通。方便的并行接口可直接連接 本科生畢業(yè)設計（論文） 21 到任何 8 位微處理器，給讀卡器 /終端的設計提供了極大的靈活性。 ADE7755 與微控制器（ MCU）的接口 ADE7755 與微控制器（ MCU）接口最簡單的方法是使用 CF 高頻輸出，如圖 所示。 該濾波器的幅頻響應特性為： )(1)( HzffH ?? （ 4－ 7） 在線路頻率為 50Hz時， )100(2 Hz? 成分的衰減大約 為－ 22dB。 ? 具有正負電能指示功能，防竊電。由于 ??tu 和 ??ti 都是隨時間變化的周期函數(shù)，所以 ??tp 也是隨時間周期變化的。 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 系統(tǒng) 需要的數(shù)據(jù)存儲空間較大 ,因此需要擴展一片 6264 作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器 .本設計的數(shù)據(jù)存儲器是只針對上節(jié)點設計的。其通用寄存器的數(shù)量遠比一般的 CPU的寄存器的數(shù)量多，免除了中斷服務過程中 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 保護寄存器現(xiàn)場和恢復寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，并方便了程序設計。 系統(tǒng)可以 采用主從式結構，主從之間采用串行通信方式（ RS－ 485 總線和 SPI 總線）交換數(shù)據(jù)， 可使電量信息多級保存，防止丟失外，并且一旦當系統(tǒng)某部分發(fā)生故障時也不會影響到其他部分，是整個系統(tǒng)的安全可靠性大大增強。工作時由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場，以提供射 頻 CPU卡所需要的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時接收來自卡的數(shù)據(jù)。 加密存儲器卡 加密存儲器卡（ Securitu Cards 接觸型）的芯片由非易失性存儲器和硬件加密邏輯構成。同時，電壓和電流分別經過零檢測電路。 本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第 2章 方案設計與論證 帶身份識別的公寓電能計量控制系統(tǒng)主要包括電能計量系統(tǒng)和身份識別（預付費）系統(tǒng)。 IC 卡收費方式：為用戶安裝具有 IC 卡接口的計量儀表，以 IC 卡 作為傳輸介質在用戶和管理部門之間傳輸信息，自動實現(xiàn)計量儀表的抄收以及繳費工作。乘法器是電子式電能表的核心，電子式電能表的測量原理就是使用它來實現(xiàn)功率和電能的測量，表計的測量精度也主要取決于它。 電能計量裝置 電能表是一種計量某一段時間內通過的電能的累積值的表計。 本 課題 分析了當前國內 居民小區(qū) 和 學生宿舍 電能 計量 管理的現(xiàn)狀 ， 根據(jù)學生公寓用電管理的實際情況，設計了一種帶身份識別的學生公寓電能 計量控制 系統(tǒng)。 感應式電能表由測量部分和輔助部分構成，測量部分包括驅動元件、轉動元件、制動元件、軸承、計度器和調整裝置；輔助部分由基架、端鈕盒和表殼組成。測量電能時 需將這個電 壓轉換成相應的脈沖數(shù)，在一段時間內所累計的脈沖數(shù)才是要測量的電能量。 針對目前許多新型住宅電能表 集中安裝的特點，綜合考慮不同抄表、收費方式的優(yōu)缺點，考慮采用多個具有通訊接口的用戶電能測量模塊構成通訊網絡，共用一套讀卡 /顯示電路，以 IC 卡作為傳輸介質，配合上位機的管理軟件，即可方便地構成一套多用戶集中式電能計量 /管理系統(tǒng)，很好地解決了計量、抄表、繳費 等問題。下面分別對其方案進行設計和論證。 圖 電壓 /頻率轉換式結構圖 這種方案 CPU 要實現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（ ?cos ）、電能計量等功能、負擔較重，一般的 MCS5 MCS96 和 PIC 系列單片機難以勝任。在訪問存儲器前，需要核對密碼。但是讀 卡器電路復雜，成本高甚至讀卡器成本高于電度表本身的成本。每個 本科生畢業(yè)設計（論文） 10 采集終端對 應若干個采集前端，在物理上主要由 80C196 單片機為核心的電子器件構成，該功能模塊主要實現(xiàn)三種功能：其一通過記錄、處理采集前端送來的電能脈沖實現(xiàn)電能計量及存儲；其二，通過對采集前端送來的 0～ 5V 的模擬電壓和電流信號進行 A/D 變換和傅立葉分析，并進行相應的算法處理實現(xiàn)惡性負載的自動識別及電網諧波分析；其三通過通信功能模塊實現(xiàn)采集終端與上位機集中器的通信。 除了上述幾點外， 80C196KB 單片機還集成了更為豐富的外設裝置；可用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力的監(jiān)視定時器（ WATCHDOG）；可用于記載引腳上輸入事件（信號電平的跳變）發(fā)生時刻的高速輸入 /輸出器（ HIS/O）；可用于直接驅動電機類元件或濾波后獲得直流輸出的脈寬輸出（ PWM）等。額定功耗 160Mw，典型存取時間 200ns， 6264是 26 引腳雙列直插式封裝。利用公式（ 41）， 可得到負載上的有功功率為 ? ?dttpTP T?? 01 = ? ?? ?dttUIUIT T? ??0 2c osc os1 ??? = ?cosUI （ 42） 由（ 42）式可知，大意有功功率 P 的測量可以直接通過測量瞬時功率 ??tp 的直流分量得到有功電能則是有功功率和時間的乘積，在交流電路中，電壓 U 和電流 I 在某一段時間 t 內的電能 W 表達式： tUIIPW ???? ?c o s （ 43） 電子式電能表是采用乘法器來實現(xiàn)電功率測量的，具體的工作原理見圖 ， 本科生畢業(yè)設計（論文） 15 被測的高電壓 u、大電流 i 通過電壓變換器和電流變換器轉換后送至乘法器 M，乘法器 M 完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內的平均功率成正比的直流電壓 0U ，然后利用 U/f 轉換器， 0U 被轉換成相應的脈沖頻率 0f ，即得到 0f 正比于平均功率 ，將該頻率分頻，并通過一段時間內計數(shù)器的計數(shù)，顯示出相應的電能。 V1P、 V1N 是模擬輸入通道 1，用于電流信號的輸入通道，最大差分輸入信號為177。 對于 ADE7755 的高頻輸出端 CF（其輸出頻率能高達 F F2 的 2048 倍）來說，即使在穩(wěn)定負載條件下輸出頻率仍然隨時間變化 ，這也是由于瞬時有功功率進行累加完成頻率轉換的過程中累加的時間較短，而較短的累加時間意味著減弱了對 )2cos( t? 成分的平均作用，于是部分瞬時有功功率信號成分通過了數(shù)字 頻率轉換器，但這在實際應用中并不成為問題。 由于單片機的口線資源不足以滿足系統(tǒng)的要求，因此來自電能采集前端的 9 路脈沖信號（用戶 1－用戶 8 以及 照明電路 ）并未直接與 80C196 相連，而是通過一 16選 1數(shù)字選擇器 74150，然后將選擇器輸出端與單片機相連，單片機在進行脈沖采樣時通過軟件配合采取輪流查詢的方式，依次對 9路脈沖計數(shù)。這樣就為連接各種 MCU提供了極大的靈活性。這樣的好處是可以提高對各個端口的利用率。這使得最大操作距離可達 100mm。 MF RC500 是應用于 非接觸式通信中高度集成讀卡 IC 系列中的一員，該讀卡 IC 系列利用了先進的調制