射頻卡技術(shù)在數(shù)字式預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)中的應(yīng)用
引言
射頻卡是一種非接觸式智能IC卡,它是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),它是通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?沒有接觸式IC卡的電氣觸點(diǎn),因此,相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式IC卡具有可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),而得到了廣泛應(yīng)用。
我們用ATMEL公司TEMIC系列125kHz射頻卡的讀寫基站芯片U2270B設(shè)計(jì)預(yù)付費(fèi)數(shù)字電度表。
系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)由電表管理系統(tǒng)、射頻卡、射頻卡預(yù)付費(fèi)數(shù)字電表三部分組成。電表管理系統(tǒng)用于用電管理部門對(duì)用戶發(fā)行電表射頻卡、用戶購(gòu)電寫卡、用戶購(gòu)電信息管理。系統(tǒng)由微機(jī)、電表管理軟件、電表專用射頻卡讀、寫設(shè)備等組成。它完成的功能有：電表射頻卡的初始化,可以設(shè)置、清除、更改密碼,將用戶的預(yù)購(gòu)電度數(shù)寫入用戶卡中,同時(shí)把用戶新購(gòu)的電度數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。電表射頻卡數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)包括查詢、刪除、轉(zhuǎn)帳和打印等。
射頻卡用于記錄用戶序列號(hào)、預(yù)購(gòu)的電度數(shù)以及所配電度表的工作參數(shù)等信息。
預(yù)付費(fèi)電表根據(jù)用戶預(yù)購(gòu)的電度數(shù)為用戶供電,并準(zhǔn)確記錄用戶的用電情況,在用戶預(yù)購(gòu)的電度數(shù)將要用完時(shí)發(fā)出報(bào)警信息,若用戶在規(guī)定的用電范圍內(nèi)未重新購(gòu)電,電表將自動(dòng)切斷用戶電源,直到再一次用射頻卡寫入預(yù)購(gòu)電度數(shù),并被確認(rèn)才恢復(fù)供電。
>圖1 射頻卡讀、寫電路圖
>圖2 電表框圖
射頻讀寫系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
TEMIC系列射頻卡內(nèi)有264bit的EEPROM,它分成8塊(block)。8個(gè)block中,block0是控制塊,用來控制卡的各種操作特性,如：同步信號(hào)、編碼方式、波特率、數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度、加密和口令喚醒等功能的啟用關(guān)閉等;block1~bloc6是用戶塊,用來存放用戶數(shù)據(jù)和信息;block7是密碼塊,若加密功能不被啟用也可以作為用戶塊使用。
本系統(tǒng)設(shè)置基站工作在125kHz的載波頻率下,采用RF/32的傳輸波特率,Manchester編碼,使用Sequence Terminator同步信號(hào),循環(huán)發(fā)送block1~block6的數(shù)據(jù)。在這樣的工作模式配置下,位時(shí)鐘周期ms =256ms。
本系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)作為主控模塊,與TEMIC系列射頻卡讀寫模塊、串口通信模塊和聲光提示電路共同構(gòu)成了一個(gè)TEMIC系列射頻卡讀寫器系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。
基站天線需要用戶自己繞制。一般用銅制漆包線繞直徑3cm、150圈即可,電感值為1.35mH。
載波頻率fosc典型值為125kHz,也可以由用戶自己設(shè)定。此頻率是由流入RF(15)引腳的電流值決定的,所以通過調(diào)節(jié)RF(15)和VS(14)引腳之間的限流電阻Rf1和Rf2的值就可以改變此頻率,具體的計(jì)算公式如下：
Rf1+Rf2=kΩ
當(dāng)fosc=125kHz時(shí),Rf1＋Rf2=110kΩ。
基站從射頻卡讀入的是經(jīng)過125kHz載波調(diào)制后的信號(hào),它通過CIN電容耦合輸入到INPUT(4)引腳,經(jīng)過低通濾波器、放大器、施密特觸發(fā)器后,在OUTPUT(2)引腳輸出解調(diào)后的信號(hào)。低通濾波器的截止頻率由fosc決定,一般是fosc/18。INPUT引腳的耦合電容CIN以及HIPASS(16)引腳的去耦電容CHP的值決定了解調(diào)電路的高通特性,有利于更進(jìn)一步慮除干擾信號(hào)。CIN和CHP的值依據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)傳輸波特率的不同而不同,波特率為fosc/32下分別為：680pF和100nF。CHP與下限截止頻率的關(guān)系式如下：
Ri=2.5kΩ。需要注意的是,OUTPUT引腳輸出的信號(hào)只是經(jīng)過了解調(diào),并沒有解碼,解碼任務(wù)要通過單片機(jī)編程完成。
預(yù)付費(fèi)電表的硬件結(jié)構(gòu)及軟件
圖2為數(shù)字式射頻卡預(yù)付費(fèi)電表的原理框圖。
[!--empirenews.page--]表頭電路選用了高精度電能計(jì)量芯片AD7755,采用脈沖輸出計(jì)量電量。在AD7755中只有A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電路使用了模擬電路,其它所有的信號(hào)處理(如乘法、濾波)都是采用數(shù)字電路,保證了在各種極端環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和精確度。該器件具有以下特點(diǎn)：高精度,支持50/60HZ國(guó)際電工委員會(huì)521/1036標(biāo)準(zhǔn),在動(dòng)態(tài)范圍500:l內(nèi)誤差小于0.1%;AD7755在頻率輸出端F1和F2提供平均實(shí)功率;高額輸出端CF提供即時(shí)功率,可接口到MCU;在電流通道中的可編程增益放大器方便與傳感器接口;片內(nèi)電源監(jiān)控。表頭的CF端的脈沖輸出經(jīng)光電隔離后,與單片機(jī)的I/O口連接。其接口電路如圖3所示。
顯示部分由4位LED數(shù)碼顯示管顯示,采用動(dòng)態(tài)顯示模式,四只LED輪流點(diǎn)亮,每一位保持1ms,10ms后再次點(diǎn)亮重復(fù)不止。為了延長(zhǎng)LED的使用,數(shù)碼顯示管的顯示與控制由單片機(jī)I/O口直接驅(qū)動(dòng)。
射頻卡讀寫部分電路與上面所述的售電系統(tǒng)射頻卡讀、寫器大體相同。
用戶電源切斷電路采用磁保持繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路,由單片機(jī)的IO口配合其通和斷,該電路的誤動(dòng)作率極低。
電源電路分為兩路,一路為表頭供電,一路為單片機(jī)及其所控制的電路供電,它們分別由220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓獲得,兩路電源各自獨(dú)立,不共地。
>圖3 表頭接口電路
>圖4 主監(jiān)控程序流程圖
圖4為主監(jiān)控程序流程因,在系統(tǒng)上電復(fù)位初始化時(shí),先讀取電表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM內(nèi)的密碼、電度數(shù)等數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)以下功能：
當(dāng)電表工作時(shí),只要有外部中斷發(fā)生,就立即執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序完成脈沖計(jì)數(shù)即用電計(jì)量功能。每次進(jìn)入中斷時(shí),軟件脈沖計(jì)數(shù)器加1,當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值,則扣電標(biāo)志置起,然后退出中斷程序。主監(jiān)控程序查詢到扣電標(biāo)志置起后,將在總電度數(shù)中扣除所用電度數(shù)。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹的數(shù)字式射頻卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng),嚴(yán)格按照產(chǎn)品化的要求設(shè)計(jì),用高精度電能計(jì)量芯片AD7755為電能測(cè)量單元,系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。本系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用在溫州某非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)電度表的售電系統(tǒng)中,實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)在精度和可靠性上都能滿足設(shè)計(jì)的要求,系統(tǒng)運(yùn)行良好,可靠性高。
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