基于IC卡的智能预付费电表的设计.docx
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基于IC卡的智能预付费电表的设计
第1章绪论
选题背景
电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。
近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。
城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。
因此研究本课题具有重要的实用意义。
课题意义
近几年，国家连续出台多项相关政策，尤其是国家十一五规划期间，对电工仪表的投入达到了前所未有的程度，政策带动了电能表需求的平稳上升。
未来5年将对本行业带来影响的政策主要包括分时电价政策和民用电收费及装备发展政策。
2003年，国家发改委出台了《关于运用价格杠杆调节电力供求合理用电有关问题的通知》。
在保持电价总体水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时电价，鼓励发电企业充分利用发电能力，促进用户用电移峰填谷。
政策的出台，为复费率电能表的生产带来广阔的市场空间。
国家电网公司和中国南方电网公司对电网的改造及建设明显提速，根据十一五规划，各大电网已经做好了后续的改造规划，新一轮的电能表产品需求浪潮即将来临。
面对新的形势，全面提高电子式电能表，尤其是技术含量高的产品的市场竞争力，重点突破多费率表和多功能表的现状，使电能表从数量优势向技术优势转变是电能表产业的发展趋势。
电子式电能表是今后一段时间内的发展主流，技术含量高的产品发展空间大，经济效益也好，更应该作为今后发展重点。
而要发展电子式电能表，核心技术是关键。
国内外研究现状
现有电表种类的分析
电气仪表有模拟式和数字式两种类型。
模拟仪表史悠久，其原理及制造工艺均已成熟，该类仪表（带附加装置）可以实现指示、记录、调节、报警等功能，其特点是通过指针的移动，能连续、直观地反映被测变量（参数）的测量结果及变化过程。
模拟仪表存在固有的局限性，其显示精度受到表盘刻度限制，精确度提高很困难；读数存在主观误差；模拟显示的跟随速度不能太快；模拟记录是一种纸制记录，换纸、换笔既不方便也很浪费；记录结果在纸上，利于信息的进一步处理。
特别是在当代电力系统中变电站综合自动化系统的广泛应用的情况下越来越不适应工业自动化发展的需求。
数字仪表是电子技术、计算机技术与精密测量技术结合的产物，已成为仪器仪表领域中一个独立分支。
数字式仪表有响应快、分辨率高（分辩率不受表盘刻度的限制）等优点，还能实现人机对话。
生产的发展对显示记录仪提出了越来越高的要求，需要仪表既准确的显示、记录参数大小，又能借助电脑连续反映出参数变化的过程和趋势。
用户需要通过测量仪表准确判断设备运行状态从而有效分析数据和实现遥测，传统的单圈指示已经不能满足要求。
因此，这种带有CPU的智能数字式显示记录仪，能与电脑有效连接以实现连续记录和数字显示仪表保护等的优点于一体，对仪表技术的开发和应用都有重要探讨价值。
1.3.2智能电表的发展及现状
1880年电能表诞生。
19世纪末感应系电能表的制造理论就已基本形成。
后来，为适应工业化和电能管理现代化发展的需求，电子式电能表应运而生。
最初的电子式电能表仍基于感应系测量机构，只是表盘的旋转变成了电脉冲；随后出现了基于各种乘法器原理的电子式电能表。
电能管理现代化需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间能双向通信。
数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便，适合与配电自动化系统集成，将成为电子式电能表的主要发展方向。
经过多年的发展，电力已经成为国家最重要能源之一，并逐步满足了工业用电和居民用电需求，解决了电力能源的供需矛盾。
同时，电子技术、计算机技术和网络技术的发展，给供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化方面提供了可能。
在电度表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电度表等多种类型的表计。
在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。
经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。
1.3.3国内智能电表的发展情况
目前，我国感应式表仍占据相当的市场。
由于价格和使用条件等的制约，预计农网用户还将继续使用感应式单相表，而城网用户则会逐步推广电子式表。
峰谷分时电价和避峰电价政策的出台，多费率表市场需求将进一步加大，尤其是大工业用户，对三相多费率表的需求，可能会产生快速的增长。
另外三相高精度多功能表今后也将得到重点发展，这种表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，今后则将扩大应用到一般用电大户，甚至扩大到普通三相表用户中，这就意味着小用户电表市场容量将进一步扩大。
此外具有远程抄表功能的电子表今后也将逐步发展，成为市场主流之一。
2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围，上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展，促进了电子式多费率电能表的使用。
2002年，国家发改委正式发布推荐使用分时计费的产业政策。
在市场的推动下，电子式电能表发展迅猛。
中国目前已成为世界电能计量行业最具活力的市场。
1.3.4国外智能电表的发展情况
国外电子表发展很快。
芬兰、瑞典、挪威等北欧各国和法、英、德、西班牙、比利时和意大利等西欧国家，目前已经全部完成了工商用户电能表的100%电子化。
居民用户表也正在逐步向电子化过渡，如法国2001年起已停止购装感应表；意大利也从2005年开始逐步把感应表更新为自动抄表的电子表；而英国目前已经有80%居民用上了电子式表。
1.3.5智能电表的发展趋势
智能化电表，大体上可分为两种类型：
带有微处理器的机电式和全电子式。
机电式借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等；而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式，进行A／D转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量。
机电式智能电表成本较低，主要用于单相电度表，适合于居民用户使用。
全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。
为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有RS—485、RS—232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。
通信方式远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电话线、电力线、无线电或红外线等通信方式，自动统计各个用户的用电量，并送传到远程监控中心，实现抄表自动化。
电话线方式，电力线载波方式电力线载波（PowerLineCarrier，PLC）方式自动抄表系统，ASK（幅频键控）电力载波方式，SC（扩展频谱电力载波）方式的集成电路方案，无线通信方式，基于LonWorks技术的抄表方式等。
关于IC卡预付费电表功能的介绍
1.4.1IC卡的介绍
随着微电子技术的迅猛发展，微控制和大规模集成电路在电能计量领域广泛应用，使度表的技术水平和性能得到长足发展。
一般情况是用户先用电，再由电管部门抄表，用再付费。
所谓预付费是指用户“先付款，后用电”，符合一般商品的消费特点。
必须有一种媒介把用购买的电量送入电度表内，这种媒介就是IC卡。
购电是在微机外连接一专用IC卡读写器，与用高级言编写的售电管理软件一并构成售电管理系统。
户将写有电量的IC卡插入预付费电度表的卡槽，在单片机的控制下将卡中电量读出，且写入表内EEPROM中，同时把IC卡中清“0”。
电子式预付费电度表集计量技术、电子技术、自化控制及计算机技术于一体,其原理是利用电能量集成电路对电压、电流取样信号进行计算处理,输出与有功功率成正比的频率信号（脉冲）,微处器通过对脉冲计数来计算所消费的电量。
单相电子式预付费电度表的主要功能:
（1）用户将本机的IC卡插入卡槽,按一下按钮,卡中电量读入表内,与表内原电量相加,然后写入表内EPROM中,同时把IC卡清“0”;
（2）计量和显示能功能,使用户直观地了解电表工作是否正常及电负荷的大小;
（3）电量不足语音报警功能,即当表内剩余电量为10kW·h时,每隔半分钟语音报一次,以此提醒用户剩余电量不多,及时购电
（4）有负荷限制功能。
当用电电流≥25A（负荷限由供电部门设置）时,发出语音报警提示;
（5）防电及掉电保护功能。
1.4.2lC卡电能表管理信息系统的简介
（1）lC卡电表系统是以IC卡安全技术为核心实现售电的智能化管理系统，达到一户一表、先买后用的目的，能够杜绝费用拖欠和流失现象，同时保证销售和供应过程的可靠性和安全性，利用很高的安全机制有效地防止恶意攻击和欺诈行为，供电公司作为应用提供方（ServiceProvider），能够把整个系统应用置于自身全面的安全控管之下。
（2）IC卡电表预付费系统采用智能卡（CPU卡）作为银行购电用户卡，同时采用嵌入式安全模块ESAM（EmbeddedSecurityAccessModule），在电表内实现安全数据存储以及和用户卡之间的相互认证和线路加密保护，达到了很高的安全水平。
由于采用了符合国际、国家标准的智能卡和ESAM安全模块的应用模式，具备了安全性、灵活性、开放性、标准化、潜在的一卡多用以及容易移植和升级等众多方面的优点。
（3）对于城市售电管理这样一个社会影响大、应用面广、使用时间长、安全性和可靠性要求高的系统工程项目，IC卡电表系统同时也考虑了延长产品和整个应用系统的生命周期等多方面的因素，因而具有较高的性能价格比，也符合国内外发展的趋势和潮流。
（4）售电管理软件基本上均是采用3层B／S结构的广域网网络版，同时采用银联接1：
3同银行联网，采用多种售电方式，具有强大、灵活的查询功能，完善的安全机制等。
第2章电能表原理设计
有用功电能测量的基本原理
在测量电能功率时,220V的交流电压和负载上的电流不能直接输入运算,而是经分压取样得到电压取样Vv;负载电流也需取样,得到电流取样电压Vi才能输入。
若Vv、Vi是工频交流Vx、Ix的取样值,则有:
Vv=KvUmsin（ωt）
（1） Vi=KiImsin（ωt+<）
（2）
式中:
Kv为Vx转变为Vv的转换系数;Ki为Ix转换为Vi的转换系数;
<为Vx和Ix之间的相位角。
Vv和Vi经乘法器运算产生功率P：
P（t）=KvUmsin（ωt）×KiImsin（ωt+<）
=KpUIcos（ωt）-KpUIcos（2wt+<）（3）
式中:
Kp=KkuKi;cos<为功率因数;U为幅值为Um的交流电压之有效值;I为幅值为Im的交流电流之有效值。
一段时间T内的电能W：
W=∫P（t）dt=∫KpUIcos式（4）中,第一项为直流成分KpUIcos<,它与视在功率UI和功率因数cos<成正比,即与有功功率成正比;而第二项是经相乘产生的2倍于被测功率的交流成分KpUIcos（2ωt+<）。
在集成乘法器中,电压-频率转换器VFC把第一项转换成与其大小成正比的频率,而滤波抑制掉第二项交流成分。
基于IC卡预付费智能电表的原理图
SLM4442的工作原理
2.3.1SLM4442的工作原理
采用西门子公司的逻辑加密IC卡SLM4442，用存放由管理系统写入的数据，可以是密码、电度、水度数、气度数、脉冲数及负荷门限等，是管理部门与用户连接的桥梁。
为了提高IC卡操作数的可靠性，必须有卡上下电控制电路、卡插入监测、卡短路检测等辅助电路，结合软件，可以大大提高其读写的准确性和可靠性.
SLM4442为2K的加密智能卡。
其接触点（相当于引脚）分布图如图1所示。
接触点定义见表1.
表1SLM4442触点功能
卡接触点
符号
功能
C1
VCC
电源电压
C2
RST
复位
C3
CLK
时钟输入
C4
.
内部无接地
C5
GND
地
C6
.
内部无接地
C7
I/O
双向数据线（开漏）
C8
.
内部无连接
图1SLM442卡接触点分布图
SLM4442内含256字节主存储器（EPROM）和32位保护存储器（PROM）。
主存储器按字节擦写，擦除是把某字节的8位全置为1，每次擦或写的最短时间为。
主存储器低32字节通过32位保护存储器中写入相应的位得到保护。
保护位使主存储器相应地址的字节数据不会改变。
主存储器和保护存储器在通常情况下能擦、能写、能读，是串行输入/输出的2k的EPROM。
除了存储器外，保密逻辑控制整个存储器的擦写功能。
SLM4442卡有4个字节的保密存储器，其中0字节为错误计数器，1---3字节为密码。
上电后，除了PSC以外整个存储器只能读，不能擦写。
只有在密码校验正确时才能擦写。
若连续3次密码校验错误则卡自毁，再也不能擦写了。
上电以后，由单片机给RST端发送一个正脉冲。
在RST=1期间CLK产生一个上升沿，则启动了复位和应答复位。
随后连续的32个CLK依次在I/O线读出4个字节的标头数据，标头数据包含了各种出厂信息。
复位和应答复位是卡操作前所必须的。
CLK的频率在7---50KHz之间，不象大多数存储器时钟频率没有低端限制，所以用户在编程时要准确计算。
执行完复位和应答复位，就可以发出控制命令了。
SLM44472共有7条控制命令，见表4所示。
每条命令由3个字节组成，B字节先输入，再输入A字节，D字节最后输入。
每字节低位在先，高位在后。
输入数据是在CLK的上升沿进行。
时钟CLK的频率也在7---50Hz之间。
表2SLM4442命令表
控制（B字节）地址（A字节）数据（D字节）操作
B7B6B5B4B3B2B1B0A7-----0D7-------0
00110000地址------读主存储器
00111000地址输入数据写主存储器
00110100------------读保护区
00111100地址输入数据写保护区
00110001-------------读密码
00111001地址输入数据写密码
00110011地址输入数据校验密码
这7条命令是：
1）读取主存储器；
2）读保护存储器；
3）写主存储器；
4）写保护存储器；
5）读密码存储；
6）修改密码；
7）密码校验。
有关单片机的选择
单片机为整个电度表的心脏,实现电能脉冲、窃电信号、掉电信号、IC卡信号、串行EEPROM数据的采集和读写,完成显示驱动模块的控制和磁保持继电器的驱动等功能。
所以单片机的选择是决定IC卡性能的关键因素。
应选择功耗低、电磁兼容性好、可靠性高、保密程度高、最好内置硬件看门狗电路的微控制器。
MCS51系列单片机已为大家广泛熟悉，其特点是通用性强、堆栈丰富、编程容易等。
其Flash型（如Atmel公司的（89C51,89C52,89C1051等）、OTP型（如W78E51,W78E52等）使用十分方便。
但51系列单片机指令系统中，2,3字节的指令很多。
当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱。
当然可采用指令冗余的方法降低错误的概率，但其作用是有限的，并且降低了程序可读性和运行效率。
另外，其加密程度不高，设计者的知识产权容易受到侵害。
第3是其内部无硬件看门狗电路，在外部另加会复杂一些。
为防止电源等引入的强干扰信号导致程序指针的弹飞,本设计选用了性能优异的PIC系列单片机———PIC16C57。
它具有功耗低、电磁兼容性好、可靠性高、8位全静态等特点,采用RISK技术,只有335条单字节精简指令,内置硬件看门狗电路,可有效地防止剩余电量等数据的丢失或改变、死机等。
PIC16C57的工作原理
PIC16C57的主要功能和特点
PIC16C57单片机是8位单片机，采用CMOS工艺制造。
1）采用精简指令集（RISC）,仅33条指令。
指令字长12位，全部指令都是单字节指令。
2）工作频率DC---20MHZ
3）系统为哈弗结构。
数据总线和指令总线各自独立分开，数据总线宽度为8位，指令总线宽度为12位。
4）内部程序存储器（ROM）从384----2K字节不等。
内部寄存器组（RAM）有25----75个。
5）7个特殊功能寄存器。
6）2级子程序堆栈。
7）工作电源：
8）内部自振式看门狗（WDT）
9）低功耗模式（sleep），耗电小于10uA
10）内部复位电路
11）内带一个8位定时器/计数器（RTCC）
12）具备保密位。
保密熔丝可在程序烧写时选择将其熔断，则程序不能被读出拷贝。
13）12----20根双向可独立编程I/O口。
每根I/O口都可以由程序来编程决定其输入/输出方向。
2.5.2PIC16C57的引脚介绍
表3
型号
管脚
I/O
RAM
EPROM
振荡
最短指令周期
看门狗
PIC16C57
28
20
80×8
2048×12
DC---20M
200ns
有
图2PIC16C57管脚图
2.5.3各引脚的功能
表4
引脚名
功能
RA0------RA3
I/O口，双向可编程
RB0------RB7
I/O口，双向可编程
RC0------RC7
I/O口，双向可编程
RTCC
实时定时器/计数器
MCLR
复位脚，低电平有效
OSC1
振荡（输入）
OSC2
振荡（输出）
VDD
电源
VSS
地
N/C
未有
第3章硬件电路设计
电能测量电路
电能测量电路如图3所示。
图3 电能测量电路
BL0932为有功电能测量集成电路,芯片内部包含了模拟乘法器、电压-频率转换器VFC、计数器（分频器）及控制逻辑。
电路采用20脚双列直插式塑料封装,并采用硅栅BICMOS工艺,具有双向计量有功电能的功能。
图2中,电压取样信号Vv从电阻网络获得,包括R14～R22,经BL0932芯片的4、5脚输入;电流取样信号Vi由锰-铜分流器（J12）和电阻R23、R24、C4、C5产生,经BL0932芯片的1、2脚输入。
芯片BL0932将来自电阻网络的交流电压和电流信号放大、相乘,并通过V/F转换将电能信号变为与所消耗的电能成比例的频率信号输出。
BL0932芯片的8脚输出与有功功率成正比的负频率信号,再经8分频由芯片BL0932的13、14脚差动输出,以驱动步进式记度器MOTO,13脚的脉冲经光电隔离、单片机的RB7供单片机计量电能。
显示电路
显示电路由串行CMOSELED驱动器TEC9607及4位超高亮度LED数码管组成,如图4所示。
图4中,单片机的RC2、RC3作为TEC9607的控制信号线,主要显示剩余电量及IC卡的有关操作信息。
图4 显示驱动电路
IC卡接口电路
采用西门子公司的逻辑加密IC卡SLM4442用于存放由售电管理系统写入的密码、表流水号、常数、电度数、脉冲数及负荷门限等。
如图5所示,R4、VD2、VT1组成卡上下电控制电路。
当单片机的RB1=0时,VT1导通,IC卡座的VCC得电;当单片机的RB1=1时,VT1截止,IC卡座的VCC失电。
IC卡的VCC经VD1、R3送至单片机的RB2,检测有无卡电源短路现象,以防人为破坏。
K1、K2为IC卡卡座的一对常开触点,当有卡插入时,K1、K2短路,给单片机的RB0送入低点平此信号用来检测有无卡插入。
SLM4442的RST（复位）、CLK（时钟）、I/O（双向数据线）分别与单片机的RB5、RB4、RB3相连,通过软件可以读写数据。
0
图5 IC卡接口电路
电量存储器电路
电量存储器由串行EEPROM和上拉电阻R4、R5组成,电路如图6所示。
R4、R5分别接到单片机的RC0、RC1端,可进行数据的读写。
串行EEP2ROM选用24LC01,为低电压（2.5～5.5V）、长寿命（可擦写103次）器件。
存储表常数、剩余电度数、脉冲数及负荷门限等信息。
图6 电量存储器电路
掉电检测电路
掉电检测电路如图7所示,其由比较器（运放LM393）、电压基准LM336（2.5V）、电阻二极管VD1组成。
R30为LM336提供合适的工作电流,LM336上端作为电压基准（Vz）,R29、R31对5V电压分压,与Vz作比较。
电源电压正常时,V->V+,比较器输出低电平;当电源掉电时,V-跟随电源电压下降,而V+在一段时间内保持2.5V电压不变。
当下降到V-≤V+时,比较器输出高电平。
微处理器通过定时（10ms）采样该输出端（RC4）以判别是否要立即作出掉电处理———将剩余电量存入EEPROM中。
VD1、R34为施密特电路,是为了避免电压在阈值左右波动时引起反复的写操作。
图7 掉电检测电路
磁保持继电器驱动电路
磁保持继电器能使电磁线圈中保持上次驱动脉冲所注入的磁场不变,即在正常工作时不需加驱动电流,仅在需要改变触点状态时加上200ms左右的反向脉冲即可,随后不需要加任何驱动。
这就大大地降低了整个装置的功耗。
磁保持继电器驱动电路如图8所示,由单片机的RC7、RC6发出控制信号。
RC6为高电平时线圈中有正向电流;RC7为高电平时线圈中流入反向电流;L为电磁线圈。
驱动电路由R5～R12,PNP三极管VT5、VT6,NPN三极管VT1～VT4组成。
当RC6=1、RC7=0时,三极管VT1、VT2、VT5导通,而VT3、VT4、VT6截止。
流经L的电流方向为+12V→VT5的E极→VT5的C极→线圈的B端→线圈A端→VT2的C极→VT2的E极→地,继电器触点接通,向用户供电;当RC6=0、RC7=1时,三极管VT1、VT2、VT5截止,而VT3、VT4、VT6导通。
流经L的电流方向为+12V→VT6的E极→
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