【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(bào)警電量”并保存 ISO 14443A 圖 MF RC500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 選信號(hào)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(zhuǎn)換。 電 能存儲(chǔ)器 電能存儲(chǔ)器由串行 EEPROM 和上拉電阻組成，電路如圖 。當(dāng) CF 用于帶微處理器的電能計(jì)量時(shí)，也應(yīng)該進(jìn)行平均后再計(jì)算功率。 V2P、 V2N 是模擬輸入通道 2，用于電壓信號(hào)的輸入，最大差分輸入信號(hào)為177。這些電路在內(nèi)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(chǔ)器 6264 與 80C196KB 連接說明如下： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展的數(shù)據(jù)連接與程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的方法相同。 2864 是 Intel 公司生產(chǎn)的 8K 8 位電檫除，可編程只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM），其主要優(yōu)點(diǎn)是能在本系統(tǒng)中進(jìn)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(hù)電源。 ? 用戶 N+1 用戶 1 CT CT 多路開關(guān) 電能測(cè)量電路 單片機(jī)系統(tǒng) 鍵盤及顯示電 路路 斷電控制電路 報(bào)警及監(jiān)控電路 電源電路 預(yù)付費(fèi)及身份識(shí)別電路 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 圖 系統(tǒng)原理框圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 4章 系統(tǒng)硬件 電路及工作原理 單片機(jī)及外圍 電路設(shè)計(jì) CPU 的選擇 單片機(jī)是將 CPU、 ROM、 RAM、 I/O、定時(shí)器、串行口、振蕩電路等集成于一個(gè)芯片中，使其具有計(jì)算機(jī)的基本功能。 在本設(shè)計(jì)中，以射頻 CPU卡作為售電的傳輸媒質(zhì)， 配以相應(yīng)的讀卡器實(shí)現(xiàn)對(duì)IC 卡的初始化、用戶的身份識(shí)別、充值等操作。允許連續(xù)密碼核驗(yàn)的錯(cuò)誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào) f 進(jìn)行累加，便可得到電能 。具體方案是在轉(zhuǎn)盤上涂上大約 1 ㎝寬的“黑條”在轉(zhuǎn)盤的上方或下方設(shè)置一紅外線發(fā)射接收對(duì)管。 由此可見，使用電子式電能表，再配合相應(yīng)的通訊電路及管理軟件構(gòu)成的計(jì)量管理系統(tǒng)，可以有效地提高電力部門或物業(yè)公司對(duì)用戶進(jìn)行科學(xué)管理的 能力，減少大量的繁重勞動(dòng)。絕大部分采取液晶或 LED顯示，也有通過步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)齒輪用機(jī)械數(shù)字顯示的。感應(yīng)式電能表 具有可靠性高、制造簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí) 以 專用電能計(jì)量芯片 AD7755 和帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的微處理器80C196KB 以及身份識(shí)別電路（ IC 卡預(yù)付電費(fèi)電路） 為核心 ，實(shí)現(xiàn)個(gè)人用電計(jì) 量 、類阻性發(fā)熱負(fù)載 識(shí)別 、公寓用電情況的監(jiān)視 等 ， 并 通過 RS485 與上層管理級(jí) 通信 ，完成對(duì)公寓用電情況的統(tǒng)計(jì)和 管理 。對(duì)用電管理部門來說，最關(guān)心的不外乎三個(gè)問題：電量的計(jì)量、電量信息的采集、電費(fèi)的收繳。第一部分：電壓、電流輸入回路，是將被測(cè)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(dòng)抄表收費(fèi)方式：為用戶安裝具有 通訊能力的計(jì)量?jī)x表，通過通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)完成用戶計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)抄收，再通過金融網(wǎng)點(diǎn)以自動(dòng)或人工方式完成繳費(fèi)。 設(shè)計(jì)的基本技術(shù)要求具有巡回顯示各用戶剩余電費(fèi)、用戶通過 IC 卡預(yù)存電費(fèi)及身份識(shí)別后方可用電、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的欠費(fèi)預(yù)報(bào)警和欠費(fèi)斷電、通過 RS485 總線通信與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)校園用電系統(tǒng)的集中管理。無須專門的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。 非加密存儲(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，很多場(chǎng)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(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的，卡所需要的能量以及時(shí)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(gè) 上位機(jī) 對(duì)應(yīng)一棟公寓樓，每個(gè)用戶板對(duì)應(yīng)一個(gè) 房間，其中用戶板包括一個(gè)專門的通訊 /控制模塊 （采集終端）以及每個(gè) 學(xué)生用戶 對(duì)應(yīng)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(jī) ——80 C1的一種，其性能特點(diǎn)簡(jiǎn)要介紹如下： （ 1） CPU算術(shù)邏 輯單元不再采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，而改用了寄存器到寄存器的結(jié)構(gòu)； CPU的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器，消除了一般 CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器的“瓶頸”效應(yīng)，提高了其速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。實(shí)現(xiàn)片選。當(dāng)有電器用電時(shí)，負(fù)載上的瞬時(shí)電功率 ??tp 等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓 ??tu 與流過負(fù)載的瞬時(shí)電流 ??ti 的乘積，其表達(dá)式為 ??tp = ??tu ? 芯片采用 CMOS 工藝，單 +5v 供電，供耗極低。 2） 當(dāng)輸入的電壓信號(hào)與電流信號(hào)不為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí) 實(shí)際應(yīng)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(gòu)成的計(jì)量模塊具有抗?jié)搫?dòng)功能，即如果輸出頻率低于某最低頻率時(shí)，在 CF、 F1 和 F2 引腳上沒有脈沖輸出。CRC)。 MF RC500 與單片機(jī)的接口 MF RC500 與單片機(jī)的接口電路圖如圖 所示。它的總線控制有三種類型：獨(dú)立讀寫選通、共享讀寫選通和帶信號(hào)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(shè)計(jì)（論文） 21 到任何 8 位微處理器，給讀卡器 /終端的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yīng)特性為： )(1)( HzffH ?? （ 4－ 7） 在線路頻率為 50Hz時(shí)， )100(2 Hz? 成分的衰減大約 為－ 22dB。 ? 具有正負(fù)電能指示功能，防竊電。由于 ??tu 和 ??ti 都是隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，所以 ??tp 也是隨時(shí)間周期變化的。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 系統(tǒng) 需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較大 ,因此需要擴(kuò)展一片 6264 作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 .本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是只針對(duì)上節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般的 CPU的寄存器的數(shù)量多，免除了中斷服務(wù)過程中 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 保護(hù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開銷，并方便了程序設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)可以 采用主從式結(jié)構(gòu)，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(jí)保存，防止丟失外，并且一旦當(dāng)系統(tǒng)某部分發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)影響到其他部分，是整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性大大增強(qiáng)。工作時(shí)由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場(chǎng)，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(shí)接收來自卡的數(shù)據(jù)。 加密存儲(chǔ)器卡 加密存儲(chǔ)器卡（ Securitu Cards 接觸型）的芯片由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成。同時(shí)，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測(cè)電路。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2章 方案設(shè)計(jì)與論證 帶身份識(shí)別的公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和身份識(shí)別（預(yù)付費(fèi)）系統(tǒng)。 IC 卡收費(fèi)方式：為用戶安裝具有 IC 卡接口的計(jì)量?jī)x表，以 IC 卡 作為傳輸介質(zhì)在用戶和管理部門之間傳輸信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表的抄收以及繳費(fèi)工作。乘法器是電子式電能表的核心，電子式電能表的測(cè)量原理就是使用它來實(shí)現(xiàn)功率和電能的測(cè)量，表計(jì)的測(cè)量精度也主要取決于它。 電能計(jì)量裝置 電能表是一種計(jì)量某一段時(shí)間內(nèi)通過的電能的累積值的表計(jì)。 本 課題 分析了當(dāng)前國內(nèi) 居民小區(qū) 和 學(xué)生宿舍 電能 計(jì)量 管理的現(xiàn)狀 ， 根據(jù)學(xué)生公寓用電管理的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種帶身份識(shí)別的學(xué)生公寓電能 計(jì)量控制 系統(tǒng)。 感應(yīng)式電能表由測(cè)量部分和輔助部分構(gòu)成，測(cè)量部分包括驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件、軸承、計(jì)度器和調(diào)整裝置；輔助部分由基架、端鈕盒和表殼組成。測(cè)量電能時(shí) 需將這個(gè)電 壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)，在一段時(shí)間內(nèi)所累計(jì)的脈沖數(shù)才是要測(cè)量的電能量。 針對(duì)目前許多新型住宅電能表 集中安裝的特點(diǎn)，綜合考慮不同抄表、收費(fèi)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮采用多個(gè)具有通訊接口的用戶電能測(cè)量模塊構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)，共用一套讀卡 /顯示電路，以 IC 卡作為傳輸介質(zhì)，配合上位機(jī)的管理軟件，即可方便地構(gòu)成一套多用戶集中式電能計(jì)量 /管理系統(tǒng)，很好地解決了計(jì)量、抄表、繳費(fèi) 等問題。下面分別對(duì)其方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。 圖 電壓 /頻率轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)圖 這種方案 CPU 要實(shí)現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（ ?cos ）、電能計(jì)量等功能、負(fù)擔(dān)較重，一般的 MCS5 MCS96 和 PIC 系列單片機(jī)難以勝任。在訪問存儲(chǔ)器前，需要核對(duì)密碼。但是讀 卡器電路復(fù)雜，成本高甚至讀卡器成本高于電度表本身的成本。每個(gè) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 采集終端對(duì) 應(yīng)若干個(gè)采集前端，在物理上主要由 80C196 單片機(jī)為核心的電子器件構(gòu)成，該功能模塊主要實(shí)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(shí)現(xiàn)電能計(jì)量及存儲(chǔ)；其二，通過對(duì)采集前端送來的 0～ 5V 的模擬電壓和電流信號(hào)進(jìn)行 A/D 變換和傅立葉分析，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載的自動(dòng)識(shí)別及電網(wǎng)諧波分析；其三通過通信功能模塊實(shí)現(xiàn)采集終端與上位機(jī)集中器的通信。 除了上述幾點(diǎn)外， 80C196KB 單片機(jī)還集成了更為豐富的外設(shè)裝置；可用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力的監(jiān)視定時(shí)器（ WATCHDOG）；可用于記載引腳上輸入事件（信號(hào)電平的跳變）發(fā)生時(shí)刻的高速輸入 /輸出器（ HIS/O）；可用于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)類元件或?yàn)V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(shí)間 200ns， 6264是 26 引腳雙列直插式封裝。利用公式（ 41）， 可得到負(fù)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(cè)量可以直接通過測(cè)量瞬時(shí)功率 ??tp 的直流分量得到有功電能則是有功功率和時(shí)間的乘積，在交流電路中，電壓 U 和電流 I 在某一段時(shí)間 t 內(nèi)的電能 W 表達(dá)式： tUIIPW ???? ?c o s （ 43） 電子式電能表是采用乘法器來實(shí)現(xiàn)電功率測(cè)量的，具體的工作原理見圖 ， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 被測(cè)的高電壓 u、大電流 i 通過電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器 M，乘法器 M 完成電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與一段時(shí)間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓 0U ，然后利用 U/f 轉(zhuǎn)換器， 0U 被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。 V1P、 V1N 是模擬輸入通道 1，用于電流信號(hào)的輸入通道，最大差分輸入信號(hào)為177。 對(duì)于 ADE7755 的高頻輸出端 CF（其輸出頻率能高達(dá) F F2 的 2048 倍）來說，即使在穩(wěn)定負(fù)載條件下輸出頻率仍然隨時(shí)間變化 ，這也是由于瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換的過程中累加的時(shí)間較短，而較短的累加時(shí)間意味著減弱了對(duì) )2cos( t? 成分的平均作用，于是部分瞬時(shí)有功功率信號(hào)成分通過了數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換器，但這在實(shí)際應(yīng)用中并不成為問題。 由于單片機(jī)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(hào)（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(jī)相連，單片機(jī)在進(jìn)行脈沖采樣時(shí)通過軟件配合采取輪流查詢的方式，依次對(duì) 9路脈沖計(jì)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(duì)各個(gè)端口的利用率。這使得最大操作距離可達(dá) 100mm。 MF RC500 是應(yīng)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(jìn)的調(diào)制