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

摘   要：本文介紹了一種基于射頻卡的數(shù)字式預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)，給出數(shù)字式電表的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。

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(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，沒(méi)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(xiě)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(mén)對(duì)用戶發(fā)行電表射頻卡、用戶購(gòu)電寫(xiě)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(xiě)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(xiě)入用戶卡中，同時(shí)把用戶新購(gòu)的電度數(shù)寫(xiě)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(xiě)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(xiě)電路圖

圖2  電表框圖

射頻讀寫(xiě)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(lái)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(lái)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(xiě)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(xiě)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(guò)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(guò)125kHz載波調(diào)制后的信號(hào)，它通過(guò)CIN電容耦合輸入到INPUT(4)引腳，經(jīng)過(guò)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(guò)了解調(diào)，并沒(méi)有解碼，解碼任務(wù)要通過(guò)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。

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(xiě)部分電路與上面所述的售電系統(tǒng)射頻卡讀、寫(xiě)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。