基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C5409的射頻IC卡智能電表的設(shè)計(jì)方案

2.1 TMS320C5409定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器
電表需要對輸入的電能信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣處理，并且由于解碼算法有較高的復(fù)雜性，就要求CPU應(yīng)該具有高速的數(shù)字信號(hào)處理能力。根據(jù)這樣的要求，采用了TI公司的TMS320C5409定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片。該芯片采用先進(jìn)的超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)，多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理機(jī)制，有獨(dú)立的累加器、乘法器和比例移位器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，它還具有高效的片上外設(shè)，有一個(gè)可以用來與同一個(gè)系統(tǒng)中的其他芯片進(jìn)行直接連接的高效全雙工的MCBSP；一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)處理器之間通信的增強(qiáng)型的8位的HPI(主機(jī)接口);一個(gè)硬件16位定時(shí)器；6個(gè)獨(dú)立的可編程DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)通道，可以在不影響CPU運(yùn)算的情況下，在內(nèi)部存儲(chǔ)器、片上外設(shè)、外部存儲(chǔ)器之間傳遞數(shù)據(jù)。最有實(shí)際意義的是，他的性能價(jià)格比已下降到普通單片機(jī)的價(jià)格水平。
2.2 射頻IC卡讀寫電路
射頻IC卡系統(tǒng)由讀寫器和射頻IC卡兩部分組成。應(yīng)用系統(tǒng)通過讀寫器對卡進(jìn)行操作；讀卡器通過射頻信號(hào)同步進(jìn)行近距離通訊，并為卡上芯片提供能量；射頻IC卡響應(yīng)讀寫器的指令，并報(bào)告處理的結(jié)果。
射頻IC卡采用了ZLG500A芯片，讀/寫基站芯片選用Atmel公司的U2270B芯片，它們可以在5cm距離內(nèi)通過頻率為125Hz的載波通信，如圖2所示。
讀/寫基站將數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)EEPROM中。片內(nèi)EEPROM中用來存儲(chǔ)用戶1D號(hào)、IC 卡類型、IC 卡狀態(tài)、電表號(hào)、密碼、累積電量、剩余電量（金額）和當(dāng)前時(shí)間等。
讀IC卡時(shí)，ZLG500A發(fā)送數(shù)據(jù)給MCU。MCU通過多次讀取比較來保證數(shù)據(jù)的正確性。
寫IC卡時(shí)，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)給ZLG500A，可以通過設(shè)置數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法來保證數(shù)據(jù)可靠性。

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2.3 電脈沖檢測電路
使用集成電路CS5460將電阻分流器和電阻分壓器變換得到的交流電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率正比于用電功率的能量脈沖。電壓模擬信號(hào)由Vin+，Vin-輸入后由△∑模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計(jì)算器。電流模擬信號(hào)由Vin+，Vin-輸人后由另一路△∑模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后也送人功率計(jì)算器。功率計(jì)算器將兩路信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算后輸出測量到的電壓、電流、功率等。所有這些數(shù)據(jù)由串行SPI接口和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.4 LCD顯示電路
顯示電路采用LCM1602構(gòu)成，顯示用戶的用電量和剩余電費(fèi)，當(dāng)輪流顯示鍵沒有按下時(shí)，顯示器一直實(shí)時(shí)顯示用戶的總用電量和所剩余的電費(fèi)，當(dāng)輪流顯示鍵按下時(shí)，顯示器將顯示用戶分時(shí)段的用電量，過后又恢復(fù)顯示總用電量和剩余電費(fèi)。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件由主程序和中斷處理子程序組成。主程序完成系統(tǒng)初始化和顯示處理的功能。中斷處理子程序包括電脈沖檢測子程序、電脈沖異常中斷子程序、IC卡檢測中斷處理子程序、通信處理子程序、上電自檢子程序和看門狗中斷處理子程序等。
3.1 主程序流程圖
主程序首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，接著進(jìn)入一個(gè)顯示處理狀態(tài)，然后判斷此時(shí)用電功率是否超過允許最大功率，如果超過了，則斷電，等待復(fù)位處理；如果沒有超過，則等待按鍵處理，并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待中斷喚醒。當(dāng)中斷處理程序被觸發(fā)后，主程序立即進(jìn)行中斷處理，之后再進(jìn)入顯示處理狀態(tài)。
3.2 IC卡檢測中斷處理程序
當(dāng)射頻IC卡需要讀寫時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入射頻IC卡讀寫子程序。首先程序?qū)ㄟM(jìn)行防沖突，選卡，認(rèn)證等操作，然后MCU將卡中所存的電費(fèi)與EEPROM中用戶所剩余的電費(fèi)相加，并存入EEPROM中，最后將IC卡中的電費(fèi)值清零。圖3為射頻IC卡讀寫子程序的流程圖。
3.3 電能計(jì)量中斷子程序的設(shè)計(jì)
電能計(jì)量子程序首先累計(jì)總電量，然后判斷當(dāng)前值處于哪個(gè)計(jì)費(fèi)時(shí)段，再累計(jì)相應(yīng)時(shí)段的電能，并扣除相應(yīng)的電費(fèi)。在這里累計(jì)的電量和扣除的電費(fèi)都是一個(gè)脈沖所代表的電能數(shù)和電費(fèi)。圖4為電能計(jì)量中斷子程序的流程圖。

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4 結(jié)論
本文的創(chuàng)新在于，這種智能電表將數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)與射頻IC卡技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)電費(fèi)的預(yù)付和分時(shí)段計(jì)費(fèi)，從而提高了電網(wǎng)效能，提高了居民用電收費(fèi)的管理水平，具有很好的推廣價(jià)值。