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基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表的研制
（作者未知） 2010/2/2
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)械式電能表測量精度有限，會帶來較大誤差；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)電能表是通過電能測量集成電路對電壓電流的取樣信號進(jìn)行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號；微處理器通過對脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)算所消耗的電量。用戶將RFID卡片（預(yù)先在電力部門購買，卡片上充有定額的現(xiàn)金）靠近電能表，這時(shí)MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲到 EEPROM，同時(shí)此卡清零。電能表將通過聲音和LCD顯示來提醒用戶充值。
1 硬件電路總體設(shè)計(jì)
通過對AD7755的電能測量，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)儲存在24LC16 EEPROM中。用工作于13.56 MHz的MFRC500芯片來實(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)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。值得一提的是，國內(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，使電表能滿足過壓和過流的要求。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)。
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DS1302的串行信號和時(shí)鐘的模擬以及掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)。
1．4 外擴(kuò)存儲器模塊24LC16
作為計(jì)量儀表需要有許多數(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)的或可以通過正常手段修改的，但不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，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)頁面，每頁256字節(jié)。由于MSP430F435不帶I2C接口，所以在此要對其進(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通信相對簡單，各個(gè)模塊之間通過MCU來控制。
2 RFID實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的過程
RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別），是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)。它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(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，無任何其他元件�？ㄆ瑹o電池，工作時(shí)的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送電載波信號耦合到卡而產(chǎn)生電能，一般可達(dá)2 V以上，供卡片IC工作。Mifa（未完，下一頁）
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