基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表的研制

摘要 運(yùn)用保密性好且物美價(jià)廉的RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)電能表；著重介紹RFID本身及其與電能表的接口。作為核心部分的電能表，采用全數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效地提高了測(cè)量精度；同時(shí)采用可視化的液晶屏和交互式的鍵盤等，改善了人機(jī)界面。RFID和電能表的集合，改變了現(xiàn)在的電表付款方式，可以提高電力部門的工作效率，安全、可靠；是當(dāng)前電子式電能表的一種發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 RFID預(yù)付費(fèi)電能表MFRC500AD7755MSP430DS130224LC16

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MSP430 MCU接口，再用DS1302作為時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在24LC16 EEPROM中。用工作于13.56 MHz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。

1．1  電能計(jì)量模塊AD7755的特點(diǎn)和接口

　　AD7755是Analog Devices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SCF＝0，S1＝0，S0＝1，CF的最高輸出頻率為21.76 Hz，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 μΩ條件下，表常數(shù)為3 200脈沖/kWh，即每kWh電產(chǎn)生3 200脈沖。從CF經(jīng)光耦輸出到MCU計(jì)數(shù)。

圖1  硬件框圖

1．2  MCU模塊MSP430

　　MSP430 MCU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。

1．3  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)2.5～5.5 V。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)。

1．4  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(xiě)，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2048×8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。

2  RFID實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的過(guò)程

　　RFID（Radio Frequency Identification，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125 kHz、13.56 MHz頻段；高頻遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)主要集中在頻段(902 MHz～928 MHz)915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。

　　本設(shè)計(jì)采用Philips公司的13.56 MHz MFRC500 RFID芯片，Mifare Standard 1k智能卡的核心是Philips公司的Mifare1 IC S50系列微芯片。Mifare 1 IC智能卡內(nèi)建有高速的CMOS EEPROM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(xiě)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)2 V以上，供卡片IC工作。Mifare1射頻卡所具有的獨(dú)特的Mifare RF非接觸接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——ISO/IEC 14443 TYPE A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2  MFRC500接口圖

　　MFRC500采用寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)和寫(xiě)命令的形式來(lái)控制卡片數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)。大概有以下步驟：

　?、?請(qǐng)求之應(yīng)答。Answer to Request(ATR) . Mifare卡片處在天線范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)器向卡發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）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(xiě)器，這樣建立第一步聯(lián)系。卡片返回?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(xiě)器將得到卡片的序列號(hào)（Serial Number）。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)。
　　 ③  Select Application模塊，主要用于卡片選擇。當(dāng)卡片與讀寫(xiě)器完成了上述2個(gè)步驟，讀寫(xiě)器要對(duì)卡片讀寫(xiě)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Block 0中的卡片容量“Size”字節(jié)傳送到讀寫(xiě)器。當(dāng)讀寫(xiě)器收到這一字節(jié)后，將明確對(duì)卡進(jìn)行深入操作。讀寫(xiě)器收到的字節(jié)可能是88H。
　?、?nbsp; Authentication&Access Control模塊，認(rèn)證及存取模塊。在確認(rèn)了上述3個(gè)步驟后，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡后，在對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)之前，必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。如果匹配，則允許進(jìn)行下一步的Read/Write操作。Mifare 1卡片有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉，采用三重認(rèn)證方式。

　　做完上述所要求的步驟就可以對(duì)卡片進(jìn)行讀寫(xiě)了（以上步驟參看圖3便一目了然）。在這個(gè)電路中，天線的設(shè)計(jì)和寄存器操作是值得一提的，也是 MFRC500的難點(diǎn)所在。MFRC500的這種卡片安全性很高，不大可能破解，所以用于電能表是很安全的。RFID讀卡程序順序如下：

　　char PcdReset()//復(fù)位
　　char PcdConfig()//配置
　　void Init_reg()//初始化寄存器
　　char Picc_Reguest(unsigned char cmd ,unsigned char snr_num［］)//發(fā)送請(qǐng)求到卡
　　char Picc_SelectCard(unsigned char cmd ,unsigned char snr_cardsnr［］)；//選擇卡
　　char Picc_Anticoll(unsigned char cmd ,unsigned char snr_num［］)//防沖突
　　char Picc_Auth(unsigned char data block,unsigned char data secret_key)//認(rèn)證
　　char Picc_Read(unsigned char data addr,unsigned char data dataum)；//讀數(shù)據(jù)　　
　　char Picc_Write(unsigned char data addr,unsigned char data content);//寫(xiě)數(shù)據(jù)到卡

圖3  RFID程序操作流程

結(jié)語(yǔ)

　　完成了硬件的設(shè)計(jì)后，主要就是如何協(xié)調(diào)各個(gè)子程序的工作了，在這里采取中斷方式來(lái)處理各種模塊。本課題已經(jīng)完成第1版的設(shè)計(jì)，且運(yùn)行良好。

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