【文章內(nèi)容簡介】 身份識別 系統(tǒng)即預付費系統(tǒng)主要是利用 IC 卡對用戶的身份進行識別從而實現(xiàn)先付費，再用電。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。下面分別對其方案進行設計和論證。 電能計量系統(tǒng)方案設計 現(xiàn)有電能計量方案有以下幾種： 機械電子式 前置通道采用原感應式電度表電路，通過對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)的計數(shù)來測量電能。具體方案是在轉(zhuǎn)盤上涂上大約 1 ㎝寬的“黑條”在轉(zhuǎn)盤的上方或下方設置一紅外線發(fā)射接收對管。當紅外線照射在“黑條”處，紅外線被吸收，無反射，即接收管接收不到紅外線；當紅外線照在其他部分時，被反射，接收管能接收到紅 外線。這樣轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個脈沖，再通過對脈沖的整形、計數(shù)、顯示完成電能的計量。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易。但它仍然具有機械式感應電度表的缺點，即耗電多、笨重。 模數(shù)轉(zhuǎn)換式 對電流和電壓分別采樣，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入單片機進行相乘運算。并在 CPU中設置一個定時器定時對功率進行累加，其系統(tǒng)框圖如 圖 所示。 U I I/U 變換 A/D 轉(zhuǎn)換 CPU 液晶顯示器 控制鍵盤 IC 卡卡座 A/D 轉(zhuǎn)換 AD0～ AD7 74LS373 74LS373 74LS373 74LS245 閉合開關 8 圖 模樹轉(zhuǎn)換式結構圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 6 電壓頻率轉(zhuǎn)換式 采用電壓 /頻率（ V/F）轉(zhuǎn)換器加單片機實現(xiàn)對電流和電壓的 A/D 轉(zhuǎn)換。這樣，模擬 通道中本身的干擾信號被抑制。無須專門的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。 CPU只需對 V/F 轉(zhuǎn)換后的脈沖進行定時計數(shù)，便可測出電壓和電流的數(shù)字量。同時，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測電路。將過零脈沖送 CPU處理，得出電流和電壓的相位差（ ? ），按公式 ?cosUIP? 計算，便得有功功率，再定時累加就是電能值。系統(tǒng)框圖如圖 所示 。 圖 電壓 /頻率轉(zhuǎn)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。 功率累加式 將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個與功率 P 成正比的模擬電壓（或電流），再經(jīng)過 V/F 變換（或 I/F 變換）變成頻率信號 f 。單片機對頻率信號 f 進行累加，便可得到電能 。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 這種方案不但兼有方案三 的優(yōu)點，而且對 CPU的要求低，采用 MCS51 系列單片機完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如： BL093 ADE7755）將模U I I/U 變換 模擬開關 過零檢測 過零檢測 V/F 轉(zhuǎn)換 CPU 液 晶 顯DOWN 控制鍵盤 IC 卡卡座 U I I/U變換 模擬乘法器 低通濾波器 V/F轉(zhuǎn)換器 CPU 液晶顯示器 控制鍵盤 IC 卡卡座 圖 功率累加式結構圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 7 擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器集成，其性能指標遠遠高于分立元件。 基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。其中，模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器采用集成電路 ADE7755。 CPU采用 80C196KB， 它內(nèi)部有 8KB的程序存儲器。采用液晶顯示器，可大大減少功耗，并且可顯示漢字，使界面清晰、明了。 身份識別（預付費）系統(tǒng)方案設計 身份識別方案有以下幾中： 采用 非加密存 儲器卡作為銷售電能的傳輸媒介 非加密存儲器卡的卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片，其特點為卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM，無安全控制邏輯，可對片內(nèi)信息不受限制地任意存取，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（ CI2 總線協(xié)議）或3 線串行通信協(xié)議（ SPI 協(xié)議）。 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。但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，因此不適合本設計的要求。 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。其特點為具有安全控制邏輯， 安全性能較好，同時采用 ROM、 PROM、EEPROM 等存儲技術，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密碼區(qū)、個人區(qū)等多個不同的功能區(qū)。 安全性加密存儲器卡內(nèi)嵌芯片在存儲區(qū)外增加了控制邏輯。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)），可以有效防止非法試探。若在限定的次數(shù)密碼仍不對 ，則卡片死鎖作廢。 這類器件保密性較好，應用較廣泛。 CPU卡 CPU 卡的硬件結構包括 CPU、存儲器（含 RAM、 ROM、 EEPROM 等）、卡與讀寫終端通信的 I/O 接口及加密運算協(xié)處理器 CAU，其中： CPU一般均為兼容于 8 位字長單片機的微處理器。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； ROM 用于存放 COS， 3KB～ 16KB； RAM 用于存放中間處理結果及作為卡與讀寫器間信息交換的中間緩沖器， 128B～ 1KB； EEPROM 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、應用文件等， 1KB～ 16KB。 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 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，因此廣泛應用于信息安全性要求特別高的場合。 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。在讀寫器的響應范圍之外，射頻 CPU卡 處于無源狀態(tài)。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(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卡必須配備相應的讀寫器，典型的射頻 CPU卡讀寫器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、 控制單元以及與卡連接的耦合元件。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)。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)。 采用射頻 CPU卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)，不但安全性甚強，而且可靠性高，經(jīng)久耐用。但是讀 卡器電路復雜，成本高甚至讀卡器成本高于電度表本身的成本。 以上的四種方案都是可行的，其管理系統(tǒng)也大同小異，只是根據(jù)保密性和可靠性要求選用不同的 IC 卡而已。 在本設計中，以射頻 CPU卡作為售電的傳輸媒質(zhì)， 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。 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第 3章 系統(tǒng)總體設計 總體設計思想 系統(tǒng)設計的主要思路是房間內(nèi)每人一個用電支路，經(jīng)射頻卡識別身份后 用戶支路接通，用戶電網(wǎng)的大電壓和大電流信號分別經(jīng)過 PT（電壓互感器）、 CT（電流互感器）以及對應的電壓變換電路、電流變換電路變成適合于電能計量芯片輸入的 小電壓和小電流，經(jīng)電能專用計量芯片變成電能脈沖信號。單片機通過采集接口實現(xiàn)對 8 個采集前端的電能采集，這里采集的是脈沖量，而不是直接的電度量，實際的電度 =（脈沖值247。編程常數(shù)）表倍率 。如果檢測到某個用戶使用超過規(guī)定規(guī)定功率的發(fā)熱性負載（即惡性負載），則通過繼電器模塊切斷該路電源， 15秒后再試探重新供電，如發(fā)現(xiàn)用戶已解除限制性負載，則給予正常供電。當用戶的余額不足時，將通過報警提醒用戶盡快充值，如超過限額將予以斷電。用戶自行停止用電時可通過機械開關實行該支路的斷電。 并通過總線方式實現(xiàn)用戶計量數(shù)據(jù)遠傳實現(xiàn)自動抄表 。 系統(tǒng)的總體結構及原理方框圖 系統(tǒng) 的總體結構 分為 上位機和 用戶板 兩 層 。 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） 。通訊 /控制模塊電路由主機電路及外圍接口與控制電路組成，外圍控制電路由智能開關電路、顯示、報警電路、身份識別（ IC 卡）電路及監(jiān)控電路四個部分組成， 實現(xiàn)電能的累計、電量信息的存儲及負載是否超限的判斷，以及接受上位機的控制命令并執(zhí)行響應的操作 ；電能采集模塊由信號條理電路及專用的電能采集芯片組成 ，實現(xiàn)電能的計量和實時數(shù)據(jù)的傳送 。 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。本設計重點在于對用戶板的軟硬件構成和工作原理。 每個用戶對應一個電能采集前端，其硬件的物理構成主要有電能采集模塊ADE775濾波電路構成，該模塊的功能有二：其一負責將用戶的電能轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖；其二將電網(wǎng)上的電壓和電流信號變換成 0～ 5V 范圍內(nèi)的模擬信號。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(wǎng)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。 系統(tǒng)總體結構 原理 方 框圖 如圖 所示 。 ? 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。單片機的應用打破了人們的傳統(tǒng)設計思想因此應用范圍日益擴大，如： 智能化儀器儀表、機電一體化、各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、串行自動呼叫應答系統(tǒng)、列車無線通信系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、洗衣機、電冰箱、微波爐、高級智能玩具、電子門鈴和家用防盜報警器等，在配上單片機后，提高了自動化程度，增加了功能，使人類的生活更加方便舒適、豐富多彩。 目前，單片機已形成多系列、多品種的 局面。從 1976 年 Intel 公司推出 MCS48單片機以來，各公司推出了一系列 4 位、 8 位單片機。 1980 年， Intel 公司推出了51 系列單片機，這些單片機均帶有 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器（為 16 位）、片內(nèi) RAM 及 ROM（或 EPROM、 OTP），并有多優(yōu)先級中斷處理功能， 1982 年至1988 年， Intel 公司在原有的 8 位單片機的基礎上又先后推出了性能更高的 16 位單片機 809 8098 和 80C196 系列，其功能大大超過了 51 系列單片機。 80C196KB即是此系列的產(chǎn)品。 16 位單片機具有 16 位字長并行處 理能力，運算速度快，適應應用場合廣泛，指令系統(tǒng)豐富、高效，編程方便，有 6 種尋址方式，編程和數(shù)據(jù)處理靈活，內(nèi)部有 8K 的程序存儲器及 232 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，可提供大型片內(nèi)寄存器組，減少了運算過程中訪問存儲器的次數(shù)，提高了系統(tǒng)運算處理速度。另外， 196 系列單片機特別設計為低功耗芯片。 本設計采用的芯片即為此系列的 16 位單片機 80C196KB。 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。 （ 2） 256 字節(jié)寄存器中， 24 字節(jié)是專用寄存器，其余 232 字節(jié)為通用寄存器。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