基于RFID的预付费电能表的研制.doc

1、基 于 RFID 的 预 付 费 电 能 表 的 研 制 引 言随 着 人 均 用 电 量 的 大 幅 度 增 加 ， 推 动 了 一 户 一 表 制 的 使 用 。 传 统 的 机 械 式 电 能 表 测 量精 度 有 限 ， 会 带 来 较 大 误 差 ;当 用 电 量 很 大 时 ， 误 差 将 让 人 难 以 接 受 。 本 文 介 绍 的 电 子式 预 付 费 电 能 表 是 通 过 电 能 测 量 集 成 电 路 对 电 压 电 流 的 取 样 信 号 进 行 处 理 ， 并 输 出 与 有 功功 率 成 正 比 的 频 率 信 号 ； 微 处 理 器 通 过 对 脉 冲 计 数

2、来 计 算 所 消 耗 的 电 量 。用 户 将 RFID 卡 片 (预 先 在 电 力 部 门 购 买 ， 卡 片 上 充 有 定 额 的 现 金 )靠 近 电 能 表 ，这 时 MCU 通 过 射 频 芯 片 读 取 卡 的 金 额 ， 将 其 存 储 到 EEPROM， 同 时 此 卡 清 零 。 电 能 表将 通 过 声 音 和 LCD 显 示 来 提 醒 用 户 充 值 。 (来 自 大 比 特 商 务 网 ： http:/www.big-）1 硬 件 电 路 总 体 设 计通 过 对 AD7755的 电 能 测 量 ， 与 以 低 功 耗 著 称 的 MSP430 MCU 接 口

3、， 再 用DS1302作 为 时 钟 ， 将 数 据 储 存 在 24LC16 EEPROM 中 。 用 工 作 于 13.56 MHz 的MFRC500芯 片 来 实 现 预 付 费 卡 片 数 据 的 读 取 。 硬 件 框 图 如 图 1所 示 。1.1 电 能 计 量 模 块 AD7755的 特 点 和 接 口AD7755是 Analog Devices 公 司 生 产 的 电 量 计 量 集 成 电 路 ， 技 术 指 标 超 过 了IEC1036规 定 的 准 确 度 要 求 。 值 得 一 提 的 是 ， 国 内 现 有 替 代 产 品 ， 上 海 贝 岭 的BL0932可 以

4、很 好 地 替 代 AD7755。 这 里 的 AD7755工 作 于 这 种 方 式 ： 电 流 和 电 量 通 过 其互 感 器 送 入 各 输 入 通 道 。 电 压 和 电 流 通 道 上 额 定 值 要 设 计 在 最 大 输 出 电 压 的 半 刻 度 上 ， 使电 表 能 满 足 过 压 和 过 流 的 要 求 。 把 CF 频 率 输 出 端 接 到 单 片 机 的 端 口 ， 设 置SCF=0， S1=0， S0=1， CF 的 最 高 输 出 频 率 为 21.76 Hz， MCU 对 输 入 脉 冲 进 行 计 数 ， 计数 值 的 大 小 即 反 映 电 能 消 耗 的

5、 多 少 。 本 设 计 中 ， 分 流 器 电 阻 在 340 条 件 下 ， 表常 数 为 3 200脉 冲 /kWh， 即 每 kWh 电 产 生 3 200脉 冲 。 从 CF 经 光 耦 输 出 到 MCU 计 数 。图 1 硬 件 框 图1.2 MCU 模 块 MSP430MSP430 MCU 是 TI 公 司 的 超 低 功 耗 16位 单 片 机 ;采 用 精 简 指 令 集 ;具 有 丰 富 的 片内 外 设 ， 功 能 强 大 ， 并 且 具 有 很 低 的 电 能 消 耗 ， 特 别 适 用 于 三 表 设 计 。 在 此 选 用 带 有 LCD驱 动 和 I/O 丰 富

6、 的 MSP430F435。 MSP430F435有 80和 100两 种 封 装 形 式 (在 此 选 用 小 型化 的 80封 装 )。 MCU 作 为 电 路 的 核 心 模 块 ， 要 与 各 个 外 设 打 交 道 ， 不 仅 要 负 责 计 出AD7755所 输 出 的 计 量 脉 冲 值 ， 还 要 将 其 转 换 为 金 额 ， 并 对 各 种 外 扩 的 接 口 芯 片 进 行 协 调 和处 理 。 (来 自 大 比 特 商 务 网 ： http:/www.big-）1.3 时 钟 模 块 DS1302要 保 证 电 能 表 时 间 的 准 确 性 ， 时 钟 电 路 还 是

7、 必 需 的 。 在 此 选 用 Dallas 公 司 推出 的 高 性 能 、 低 功 耗 、 带 RAM 的 实 时 时 钟 芯 片 DS1302， 可 以 对 年 、 月 、 周 、 日 、 时 、分 、 秒 进 行 计 时 ， 且 具 有 闰 年 补 偿 功 能 ， 工 作 电 压 宽 达 2.5 5.5 V。 DS1302采 用 三线 接 口 与 MSP430单 片 机 进 行 通 信 。 这 部 分 主 要 是 对 DS1302的 串 行 信 号 和 时 钟 的 模 拟以 及 掉 电 保 护 电 路 设 计 。1.4 外 扩 存 储 器 模 块 24LC16作 为 计 量 仪 表

8、需 要 有 许 多 数 据 (如 电 流 电 压 的 系 数 、 分 时 计 费 表 、 累 计 计 费 表 等 )是 变 动 的 或 可 以 通 过 正 常 手 段 修 改 的 ， 但 不 能 因 系 统 中 的 干 扰 而 改 写 ， 更 不 能 因 停 电 等 事件 而 丢 失 。 串 行 EEPROM 是 当 前 仪 表 设 计 中 最 合 适 的 器 件 。 这 里 选 用 Microchip 公司 生 产 的 24LC16来 实 现 这 种 功 能 。 24LC16是 具 有 I2C 接 口 的 EEPROM。 其 容 量 为20488位 ， 分 为 8个 页 面 ， 每 页 25

9、6字 节 。 由 于 MSP430F435不 带 I2C 接 口 ， 所 以 在此 要 对 其 进 行 I2C 总 线 模 拟 。 其 主 要 困 难 还 是 延 时 。液 晶 模 块 和 键 盘 以 及 RS232通 信 相 对 简 单 ， 各 个 模 块 之 间 通 过 MCU 来 控 制 。2 RFID 实 现 预 付 费 的 过 程RFID(Radio Frequency Identification， 射 频 识 别 )， 是 一 种 非 接 触 式 的 自 动 识别 技 术 。 它 通 过 射 频 信 号 自 动 识 别 目 标 对 象 并 获 取 相 关 数 据 ， 识 别 工

10、作 无 须 人 工 干 预 ， 可工 作 于 各 种 恶 劣 环 境 ;操 作 快 捷 方 便 。 根 据 频 段 不 同 ， RFID 分 为 低 频 和 高 频 系 统 ： 低 频 近 距 离 RFID 系 统 主 要 集 中 在 125 kHz、 13.56 MHz 频 段 ;高 频 远 距 离 RFID 系 统主 要 集 中 在 频 段 (902 MHz 928 MHz)915 MHz、 2.45 GHz、 5.8 GHz。本 设 计 采 用 Philips 公 司 的 13.56 MHz MFRC500 RFID 芯 片 ， Mifare Standard 1k 智 能 卡 的 核

11、心 是 Philips 公 司 的 Mifare1 IC S50系 列 微 芯 片 。 Mifare 1 IC 智能 卡 内 建 有 高 速 的 CMOS EEPROM 和 MCU 等 。 卡 片 除 了 IC 微 芯 片 及 一 副 高 效 率 天 线 外 ，无 任 何 其 他 元 件 。 卡 片 无 电 池 ， 工 作 时 的 电 源 能 量 由 卡 片 读 写 器 天 线 发 送 电 载 波 信 号 耦 合到 卡 而 产 生 电 能 ， 一 般 可 达 2 V 以 上 ， 供 卡 片 IC 工 作 。 Mifare1射 频 卡 所 具 有 的 独特 的 Mifare RF 非 接 触 接

12、 口 标 准 已 被 制 定 为 国 家 标 准 ISO/IEC 14443 TYPE A标 准 。 (来 自 大 比 特 商 务 网 ： http:/www.big-）MFRC500采 用 总 线 时 序 和 单 片 机 接 口 。 由 于 MSP430总 线 不 外 扩 ， 所 以 还 要 对 其 模拟 总 线 时 序 ， 典 型 接 法 如 图 2所 示 。图 2 MFRC500接 口 图MFRC500采 用 寄 存 器 写 数 据 和 写 命 令 的 形 式 来 控 制 卡 片 数 据 的 读 和 写 。 大 概 有以 下 步 骤 ： 请 求 之 应 答 。 Answer to Req

13、uest(ATR) . Mifare 卡 片 处 在 天 线 范 围 内 时 ，读 写 器 向 卡 发 出 REQUEST all(或 REQUEST std)命 令 后 ， 卡 片 ATR 启 动 ， 将 卡 片Block0的 卡 片 类 型 (TagType)号 共 2字 节 传 送 到 读 写 器 ， 这 样 建 立 第 一 步 联 系 。 卡 片 返回 数 据 0004H。 AntiCollision 模 块 。 防 止 卡 片 重 叠 ， 当 多 张 卡 片 一 起 放 入 天 线 范 围 时 ，AntiCollision 模 块 的 防 重 叠 功 能 将 被 启 动 。 MFRC

14、500将 与 每 张 卡 片 进 行 通 信 ， 取 得每 张 卡 的 序 列 号 。 由 于 每 张 Mifarel 卡 片 都 具 有 唯 一 的 序 列 号 ， 不 会 相 同 ， 因 此MFRC500可 以 通 过 序 列 号 来 区 别 ， 区 分 选 中 的 卡 片 。 AntiCollision 模 块 启 动 时 ， 卡片 读 写 器 将 得 到 卡 片 的 序 列 号 (Serial Number)。 序 列 号 存 储 在 卡 片 的 Block0中 ，共 有 5字 节 (实 际 用 的 是 4字 节 ， 另 一 个 字 节 为 序 列 号 的 校 验 字 节 )。 返 回

15、 值 为 卡 片 序列 号 。 Select Application 模 块 ， 主 要 用 于 卡 片 选 择 。 当 卡 片 与 读 写 器 完 成 了 上 述 2个步 骤 ， 读 写 器 要 对 卡 片 读 写 操 作 ， 必 须 对 卡 片 进 行 “Select”操 作 ， 使 卡 片 真 正 被选 中 。 被 选 中 的 卡 片 将 卡 片 上 存 储 在 Block 0中 的 卡 片 容 量 “Size”字 节 传 送 到 读写 器 。 当 读 写 器 收 到 这 一 字 节 后 ， 将 明 确 对 卡 进 行 深 入 操 作 。 读 写 器 收 到 的 字 节 可 能 是88H

16、。 Authentication/选 择 卡char Picc_Anticoll(unsigned char cmd ,unsigned char snr_num)/防 冲突char Picc_Auth(unsigned char data block,unsigned char data secret_key)/认 证char Picc_Read(unsigned char data addr,unsigned char data dataum);/读 数 据char Picc_Write(unsigned char data addr,unsigned char data content);/写 数 据 到 卡图 3 RFID 程 序 操 作 流 程结 语完 成 了 硬 件 的 设 计 后 ， 主 要 就 是 如 何 协 调 各 个 子 程 序 的 工 作 了 ， 在 这 里 采 取 中 断 方 式来 处 理 各 种 模 块 。 本 课 题 已 经 完 成 第 1版 的 设 计 ， 且 运 行 良 好 。 (来 自 大 比 特 商 务 网 ：http:/www.big-）