基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表的研制引言隨著人均用電量的大幅度增加，推動(dòng)了一戶一表制的使用。傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表測(cè)量精度有限，會(huì)帶來(lái)較大誤差當(dāng)用電量很大時(shí)，誤差將讓人難以接受。本文介紹的電子式預(yù)付費(fèi)電能表是通過(guò)電能測(cè)量集成電路對(duì)電壓電流的取樣信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號(hào)；微處理器通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算所消耗的電量。用戶將RFID卡片預(yù)先在電力部門購(gòu)買，卡片上充有定額的現(xiàn)金靠近電能表，這時(shí)MCU通過(guò)射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲(chǔ)到EEPROM，同時(shí)此卡清零。電能表將通過(guò)聲音和LCD顯示來(lái)提醒用戶充值。1硬件電路總體設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)AD7755的電能測(cè)量，與以低功耗著稱的MSP430MCU接口，再用DS1302作為時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在24LC16EEPROM中。用工作于1356MHZ的MFRC500芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)卡片數(shù)據(jù)的讀取。硬件框圖如圖1所示。11電能計(jì)量模塊AD7755的特點(diǎn)和接口AD7755是ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)的電量計(jì)量集成電路，技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。值得一提的是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有替代產(chǎn)品，上海貝嶺的BL0932可以很好地替代AD7755。這里的AD7755工作于這種方式電流和電量通過(guò)其互感器送入各輸入通道。電壓和電流通道上額定值要設(shè)計(jì)在最大輸出電壓的半刻度上，使電表能滿足過(guò)壓和過(guò)流的要求。把CF頻率輸出端接到單片機(jī)的端口，設(shè)置SCF0，S10，S01，CF的最高輸出頻率為2176HZ，MCU對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值的大小即反映電能消耗的多少。本設(shè)計(jì)中，分流器電阻在340條件下，表常數(shù)為3200脈沖/KWH，即每KWH電產(chǎn)生3200脈沖。從CF經(jīng)光耦輸出到MCU計(jì)數(shù)。圖1硬件框圖12MCU模塊MSP430MSP430MCU是TI公司的超低功耗16位單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，功能強(qiáng)大，并且具有很低的電能消耗，特別適用于三表設(shè)計(jì)。在此選用帶有LCD驅(qū)動(dòng)和I/O豐富的MSP430F435。MSP430F435有80和100兩種封裝形式在此選用小型化的80封裝。MCU作為電路的核心模塊，要與各個(gè)外設(shè)打交道，不僅要負(fù)責(zé)計(jì)出AD7755所輸出的計(jì)量脈沖值，還要將其轉(zhuǎn)換為金額，并對(duì)各種外擴(kuò)的接口芯片進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理。13時(shí)鐘模塊DS1302要保證電能表時(shí)間的準(zhǔn)確性，時(shí)鐘電路還是必需的。在此選用DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，可以對(duì)年、月、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓寬達(dá)2555V。DS1302采用三線接口與MSP430單片機(jī)進(jìn)行通信。這部分主要是對(duì)DS1302的串行信號(hào)和時(shí)鐘的模擬以及掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)。14外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊24LC16作為計(jì)量?jī)x表需要有許多數(shù)據(jù)如電流電壓的系數(shù)、分時(shí)計(jì)費(fèi)表、累計(jì)計(jì)費(fèi)表等是變動(dòng)的或可以通過(guò)正常手段修改的，但不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失。串行EEPROM是當(dāng)前儀表設(shè)計(jì)中最合適的器件。這里選用MICROCHIP公司生產(chǎn)的24LC16來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。24LC16是具有I2C接口的EEPROM。其容量為20488位，分為8個(gè)頁(yè)面，每頁(yè)256字節(jié)。由于MSP430F435不帶I2C接口，所以在此要對(duì)其進(jìn)行I2C總線模擬。其主要困難還是延時(shí)。液晶模塊和鍵盤以及RS232通信相對(duì)簡(jiǎn)單，各個(gè)模塊之間通過(guò)MCU來(lái)控制。2RFID實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的過(guò)程RFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATION，射頻識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境操作快捷方便。根據(jù)頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統(tǒng)低頻近距離RFID系統(tǒng)主要集中在125KHZ、1356MHZ頻段高頻遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)主要集中在頻段902MHZ928MHZ915MHZ、245GHZ、58GHZ。本設(shè)計(jì)采用PHILIPS公司的1356MHZMFRC500RFID芯片，MIFARESTANDARD1K智能卡的核心是PHILIPS公司的MIFARE1ICS50系列微芯片。MIFARE1IC智能卡內(nèi)建有高速的CMOSEEPROM和MCU等?？ㄆ薎C微芯片及一副高效率天線外，無(wú)任何其他元件?？ㄆ瑹o(wú)電池，工作時(shí)的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送電載波信號(hào)耦合到卡而產(chǎn)生電能，一般可達(dá)2V以上，供卡片IC工作。MIFARE1射頻卡所具有的獨(dú)特的MIFARERF非接觸接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)。MFRC500采用總線時(shí)序和單片機(jī)接口。由于MSP430總線不外擴(kuò)，所以還要對(duì)其模擬總線時(shí)序，典型接法如圖2所示。圖2MFRC500接口圖MFRC500采用寄存器寫數(shù)據(jù)和寫命令的形式來(lái)控制卡片數(shù)據(jù)的讀和寫。大概有以下步驟請(qǐng)求之應(yīng)答。ANSWERTOREQUESTATRMIFARE卡片處在天線范圍內(nèi)時(shí)，讀寫器向卡發(fā)出REQUESTALL或REQUESTSTD命令后，卡片ATR啟動(dòng)，將卡片BLOCK0的卡片類型TAGTYPE號(hào)共2字節(jié)傳送到讀寫器，這樣建立第一步聯(lián)系?？ㄆ祷?cái)?shù)據(jù)0004H。ANTICOLLISION模塊。防止卡片重疊，當(dāng)多張卡片一起放入天線范圍時(shí)，ANTICOLLISION模塊的防重疊功能將被啟動(dòng)。MFRC500將與每張卡片進(jìn)行通信，取得每張卡的序列號(hào)。由于每張MIFAREL卡片都具有唯一的序列號(hào)，不會(huì)相同，因此MFRC500可以通過(guò)序列號(hào)來(lái)區(qū)別，區(qū)分選中的卡片。ANTICOLLISION模塊啟動(dòng)時(shí)，卡片讀寫器將得到卡片的序列號(hào)SERIALNUMBER。序列號(hào)存儲(chǔ)在卡片的BLOCK0中，共有5字節(jié)實(shí)際用的是4字節(jié)，另一個(gè)字節(jié)為序列號(hào)的校驗(yàn)字節(jié)。返回值為卡片序列號(hào)。SELECTAPPLICATION模塊，主要用于卡片選擇。當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述2個(gè)步驟，讀寫器要對(duì)卡片讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行“SELECT”操作，使卡片真正被選中。被選中的卡片將卡片上存儲(chǔ)在BLOCK0中的卡片容量“SIZE”字節(jié)傳送到讀寫器。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，將明確對(duì)卡進(jìn)行深入操作。讀寫器收到的字節(jié)可能是88H。AUTHENTICATION/選擇卡CHARPICC_ANTICOLLUNSIGNEDCHARCMD,UNSIGNEDCHARSNR_NUM/防沖突CHARPICC_AUTHUNSIGNEDCHARDATABLOCK,UNSIGNEDCHARDATASECRET_KEY/認(rèn)證CHARPICC_READUNSIGNEDCHARDATAADDR,UNSIGNEDCHARDATADATAUM/讀數(shù)