基于射頻識別技術(shù)的智能電表的設(shè)計詳細(xì)教程

一 引言

感應(yīng)式電能表以及普通電了式電能表存在諸多缺陷，如功能單一、防竊電效果差、抄表方式落后、IC卡易損壞污染等、為了適應(yīng)電能表智能化的趨勢。將射頻識別（RFID）技術(shù)應(yīng)用到電量信息的傳輸、更好地體現(xiàn)RFID免接觸、無源、信息安全等優(yōu)勢。

射頻識別技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，是通過射頻信號來白動識別門標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

基本的RFID系統(tǒng)是由電子標(biāo)答（射頻卡）、閱讀器及應(yīng)用支撐軟硬件二部分組成。RFTD標(biāo)簽由芯片和天線組成，何個標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼。根據(jù)發(fā)送射頻信號的方式不同。標(biāo)簽又分為主動式和被動式兩種口主動式標(biāo)簽由內(nèi)置電池供電主動向讀寫器發(fā)送射頻信號。被動式標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量從而做出響應(yīng)。閱讀器負(fù)責(zé)向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，劉標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。RFID應(yīng)用支撐軟硬件主要負(fù)貴實(shí)現(xiàn)與企業(yè)=或組織應(yīng)用相關(guān)的功能。

二 、工作原理

電能計星芯片根據(jù)電壓、電流輸人信號生產(chǎn)電能量脈沖信號和電流方向信號送給MCU進(jìn)行處理。MCU對電量脈沖進(jìn)行累計。計算出電量并存貯，同時根據(jù)當(dāng)前費(fèi)率對剩余電蘭進(jìn)行減法處理，并判斷是否告警或斷電。MCU不斷讀時鐘，并決定當(dāng)前運(yùn)行的費(fèi)率。MCU還監(jiān)測RS485總線和紅外通訊信號，接收或響應(yīng)命令，進(jìn)行串行通訊。另外，電表還監(jiān)測繼電器狀態(tài)和電池電壓、功率等參數(shù)，對非nI：常狀態(tài)告警和記錄。

基于RFID的一單相電子式電能表的硬件電路包括電能計量單元、射頻接口單兀、通信單兀、存儲單元、時鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、負(fù)荷控制單元、MCU監(jiān)擰單元和直流電源單元等部分。智能電能表原理框圖如圖1所示。

微控制器采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F427，它具有16kB FLASH和1kB RAM，自帶有128段LCD驅(qū)動器。計量部分用ADI公司的專用電能計量滲片ADE7755 。射頻讀寫接口芯片選用PHILIPS公司讀寫器專用芯片MF RC500，射頻卡選用低成本無源型Mafare MF1卡。存儲部分采用E-PROM存儲器AT24LC16，實(shí)時時鐘采用MAXIM公司的帶溫度自動補(bǔ)償?shù)腄S3231。鋰電池用于保證在電網(wǎng)斷電時電能表的n1常運(yùn)行。掉電監(jiān)測單兀采用MAX705實(shí)時監(jiān)控線性電源網(wǎng)絡(luò)的工作情況。負(fù)荷控制部分采用上海貝斯特公司的BST-902-（50）A型磁保持繼電器控制負(fù)載的通斷。電能表與卜位機(jī)的信息交互采用近紅外光電通信和遠(yuǎn)程HS485總線方式。電能表采用按鍵實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的杳詢。

圖1 電能表原理框圖

三、硬件設(shè)計

3.1 電能計量部分

ADE7755 采用混合電路設(shè)計，模擬部分包括2個16 位Σ - Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 、1 個基準(zhǔn)電路; 數(shù)字部分又稱為數(shù)字信號處理模塊，包括相位校正器、高通濾波器、乘法器、低通濾波器、數(shù)頻轉(zhuǎn)換器等?；旌想娐吩O(shè)計結(jié)合了模擬電路和數(shù)字電路的優(yōu)勢，高精度16 位Σ - ΔADC 保證了信號的線性度與準(zhǔn)確度;而在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行相位校正、濾波、乘法運(yùn)算、數(shù)頻轉(zhuǎn)換有利于提高運(yùn)算結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，ADE7755芯片即使長期運(yùn)行于極端惡劣的環(huán)境下，仍具有較高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，其準(zhǔn)確度超過了IEC61036 標(biāo)準(zhǔn)提出的要求。

ADE7755 的計量電路如圖2 所示。電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后連接到ADE7755 取樣的電壓計量通道，電流通過錳銅片后送入ADE7755 的電流計量通道，ADE7755 的線性度為1‰，保證了計量的準(zhǔn)確性。CF 頻率輸出端經(jīng)過外接濾波電路與MCU 的IO 口連接。ADE7755 設(shè)定了一個最小輸出頻率，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的輸出頻率低于這個規(guī)定的最小輸出頻率，F(xiàn)1、F2和CF 將不會輸出任何脈沖，這個頻率是滿量程輸出頻率對應(yīng)的F1-4的0.0014%。電能表的脈沖常數(shù)是1600imp/kWh，最大負(fù)載電流是40A，最合適的F1-4頻率為13.6Hz，即S0=1，S1=1，SCF=0。

圖2 電能計量電路

3.2 射頻接口部分

MF RC500 是應(yīng)用于13. 56MHz 非接觸式通信中高集成IC 系列中的一員。該IC 系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13. 56MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500 支持IS014443A 所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線（ 可達(dá)100mm） ，接收器部分提供一個堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號。數(shù)字部分處理ISO14443A 幀和錯誤檢測（ 奇偶和CRC） 。此外，它還支持快速CRYPTOI 加密算法用于驗(yàn)證Ml 隊(duì)RE 系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8 位微處理器，這樣給讀卡器終端的設(shè)計提供了極大的靈活性，特別適合在三表中的應(yīng)用。

RFID是電能表實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的工具，借助RFID技術(shù)，我們可以很容易的實(shí)現(xiàn)電能表的預(yù)付費(fèi)。利用MF RC500 芯片作為RFID 中的讀值和減值。由于單片機(jī)的總線不外擴(kuò)，所以不能把MF RC500 直接作為外部存儲器操作。對此，筆者采用模擬總線的方式與MF RC500 進(jìn)行通信。如圖3 所示為MF RC500 芯片與MSP43O 的連接簡圖。這里選用P6 口與MFRC500 的DO-D7 相連。Pl. 6 接READ，Pl. 7 接WRITE，Pl. 4 接ALE ，P2. O 接RSTPD 等。天線部分采用數(shù)據(jù)手冊上推薦的天線。

圖3 MF RC500 芯片與MSP430 的連接簡圖

四、軟件設(shè)計

4.1 主程序流程

軟件是電表的靈魂所在。電能表需要完成電能計量、費(fèi)率和時段控制、查詢、顯示、電費(fèi)充值、負(fù)荷控制、事件記錄、測試輸出等功能。電能表軟件設(shè)計主要采用C 語言，采用模塊化編程思想，主要包括以下幾個模塊： 上電初始化模塊、主程序模塊、電量累計模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中斷程序模塊、LCD 顯示模塊、按鍵處理模塊、費(fèi)率處理模塊、實(shí)時時鐘處理模塊、射頻讀寫模塊、通訊事件處理模塊、負(fù)荷控制模塊等。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

主程序檢查脈沖中斷子程序累計的用電量是否達(dá)到某個預(yù)定的值（ 如0. 1kWh） 。到達(dá)則將此值記入累計用電量的單元。因?yàn)槭菑?fù)費(fèi)率電能表，根據(jù)實(shí)時時鐘切換費(fèi)率，要按設(shè)定的不同時段將它們分別存入峰電量、平電量或谷電量單元，并按照需求顯示電量以及相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 射頻卡讀寫流程

Mifare 卡與讀寫器天線之間的工作距離≤10mm，數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kbit /s，完成一次讀寫的時間可小于0. 1s。該卡具有防沖突功能。整個電路（ 除線圈外） 集成在一個芯片內(nèi)。單片機(jī)首先對MFRC500 進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后MF RC500就可以接收MCU 的命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與Mifare 卡片通信了。Mifare 卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是單片機(jī)并不是通過簡單的指令就可以讀寫IC 卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括： 1） 請求喚醒; 2） 防重疊（ 防止多張卡片重疊造成的數(shù)據(jù)錯誤） ; 3） 選擇卡片; 4） 密碼認(rèn)證; 5） 讀寫操作。單片機(jī)對Mifare 卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進(jìn)行。當(dāng)有Mifare 卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序?qū)㈤_始進(jìn)行上述一系列的操作。為提高處理和響應(yīng)速度，程序設(shè)計采用單片機(jī)匯編語言和C 語言混合編程。中斷服務(wù)程序采用匯編語言編寫。 其它程序采用C 語言編寫，調(diào)用PHILIPS公司提供的基本庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種功能。

五 、抗干擾設(shè)計

由于電表的工作環(huán)境非常惡劣，常見的干擾源主要有： 瞬變及高頻脈沖，低頻脈沖，雷電，輻射電磁場，諧波與閃變等。作為一種非常重要的計量儀表，電能表在運(yùn)行中要確保CPU 在十年內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)程序不跑飛，數(shù)據(jù)不丟失，芯片不異常復(fù)位，即使偶爾發(fā)生異常，系統(tǒng)要能夠及時地從故障中恢復(fù)，所以必須從軟硬件兩方面進(jìn)行細(xì)致的可靠性設(shè)計。

5.1 硬件抗干擾

1） 減小帶寬，隔離系統(tǒng)的敏感部分： 如電量采集模塊由于從電網(wǎng)中采集用戶電量，其干擾非常多，可將它與電量計量電路單獨(dú)金屬封裝，并保持一定的距離。

2） 采用壓敏電阻： 電能表遭到瞬變干擾時，壓敏電阻以納秒級的速度極快響應(yīng)，在過壓期間形成一個低阻的分流器，能加強(qiáng)電能表抗電網(wǎng)瞬間浪涌沖擊的能力。

3） 光電隔離： ADE7755 產(chǎn)生的脈沖信號通過光電隔離后再供單片機(jī)采集，可防止脈沖干擾信號竄入單片機(jī)。

4） 電路板抗干擾設(shè)計： ①模擬電路與數(shù)字電路分開; ②模擬地與數(shù)字地分開并單點(diǎn)接地; ③PCB板大面積鋪地; ④CPU 芯片引腳不懸空; ⑤將有較大干擾的芯片放在距單片機(jī)較遠(yuǎn)的位置等。

5.2 軟件抗干擾

1） 按鍵重復(fù)檢測： 利用定時器進(jìn)行重復(fù)檢測，以40Hz 的頻率對按鍵進(jìn)行掃描，只有連續(xù)3 次檢測到按鍵接口為低電平才認(rèn)為發(fā)生一次按鍵事件。這樣能夠得到消抖之后的可靠有效信號，從而避免因干擾導(dǎo)致的按鍵誤操作。

2） 指令冗余： 指令冗余就是在程序關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫。它是使程序從“亂飛”狀態(tài)恢復(fù)正常的一種有效措施，其前提條件要求PC 指針必須指向程序運(yùn)行區(qū)，且必須執(zhí)行到冗余指令。

3） 軟件陷阱： 當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)，通過軟件陷阱的設(shè)定，即加入跳轉(zhuǎn)指令，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個指定位置，再進(jìn)行錯誤處理，使程序重新納入正軌。

4） 程序監(jiān)視定時器（ 看門狗） ： 看門狗通過監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)，判斷程序是否進(jìn)入死循環(huán)或出現(xiàn)程序“跑飛”現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)迫程序回到復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)的主程序是循環(huán)結(jié)構(gòu)，在循環(huán)路徑上設(shè)置看門狗清零指令。

六 、 結(jié)束語

電能表的發(fā)展趨勢是高精度、多功能和智能化。射頻識別技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)的生力軍。本方案的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：

1） 將TI 公司的16 位MSP430 單片機(jī)應(yīng)用于電能表設(shè)計，其超低功耗性能促進(jìn)了“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展;

2） 射頻卡代替接觸式IC 卡，壽命長，使用方便，數(shù)據(jù)傳輸安全;

3） 多功能。該電表能實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、分時段計費(fèi)、預(yù)付費(fèi)、負(fù)荷控制、近紅外抄表及遠(yuǎn)程RS485 總線抄表、掉電保護(hù)等功能。