基于RFID的預付費電能表的研制
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月30日
摘要
運用保密性好且物美價(jià)廉的RFID技術(shù)實(shí)現預付費電能表；著(zhù)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，采用全數字電路來(lái)實(shí)現，有效地提高了測量精度；同時(shí)采用可視化的液晶屏和交互式的鍵盤(pán)等，改善了人機界面。RFID和電能表的集合，改變了現在的電表付款方式，可以提高電力部門(mén)的工作效率，安全、可靠；是當前電子式電能表的一種發(fā)展方向。
引言
隨著(zhù)人均用電量的大幅度增加，推動(dòng)了一戶(hù)一表制的使用。傳統的機械式電能表測量精度有限，會(huì )帶來(lái)較大誤差；當用電量很大時(shí)，誤差將讓人難以接受。本文介紹的電子式預付費電能表是通過(guò)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(guò)對脈沖計數來(lái)計算所消耗的電量。用戶(hù)將RFID卡片（預先在電力部門(mén)購買(mǎi)，卡片上充有定額的現金）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(hù)充值。
1 硬件電路總體設計
通過(guò)對AD7755的電能測量，與以低功耗著(zhù)稱(chēng)的MSP430 MCU接口，再用DS1302作為時(shí)鐘，將數據儲存在24LC16 EEPROM中。用工作于13.56 MHz的MFRC500芯片來(lái)實(shí)現預付費卡片數據的讀取。硬件框圖如圖1所示。
1．1 電能計量模塊AD7755的特點(diǎn)和接口
AD7755是Analog Devices公司生產(chǎn)的電量計量集成電路，技術(shù)指標超過(guò)了IEC1036規定的準確度要求。值得一提的是，國內現有替代產(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計在最大輸出電壓的半刻度上，使電表能滿(mǎn)足過(guò)壓和過(guò)流的要求。把CF頻率輸出端接到單片機的端口，設置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)行計數，計數值的大小即反映電能消耗的多少。本設計中，分流器電阻在340 μΩ條件下，表常數為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計數。
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；采用精簡(jiǎn)指令集；具有豐富的片內外設，功能強大，并且具有很低的電能消耗，特別適用于三表設計。在此選用帶有 LCD驅動(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)外設打交道，不僅要負責計出AD7755所輸出的計量脈沖值，還要將其轉換為金額，并對各種外擴的接口芯片進(jìn)行協(xié)調和處理。
1．3 時(shí)鐘模塊DS1302
要保證電能表時(shí)間的準確性，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)行計時(shí)，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達2.5～5.5 V。DS1302采用三線(xiàn)接口與MSP430單片機進(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電路設計。
1．4 外擴存儲器模塊24LC16
作為計量?jì)x表需要有許多數據（如電流電壓的系數、分時(shí)計費表、累計計費表等）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是當前儀表設計中最合適的器件。這里選用Microchip公司生產(chǎn)的24LC16來(lái)實(shí)現這種功能。 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。由于MSP430F435不帶I2C接口，所以在此要對其進(jìn)行I2C總線(xiàn)模擬。其主要困難還是延時(shí)。
液晶模塊和鍵盤(pán)以及RS232通信相對簡(jiǎn)單，各個(gè)模塊之間通過(guò)MCU來(lái)控制。
2 RFID實(shí)現預付費的過(guò)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(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境；操作快捷方便。根據頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統： 低頻近距離RFID系統主要集中在125 kHz、13.56 MHz頻段；高頻遠距離RFID系統主要集中在頻段(902 MHz～928 MHz)915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。
本設計采用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智能卡內建有高速的CMOS EEPROM和MCU等?？ㄆ薎C微芯片及一副高效率天線(xiàn)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(xiàn)發(fā)送電載波信號耦合到卡而產(chǎn)生電能，一般可達2 V以上，供卡片IC工作。Mifare1射頻卡所具有的獨特的Mifare RF非接觸接口標準已被制定為國家標準——ISO/IEC 14443 TYPE A標準。
MFRC500采用總線(xiàn)時(shí)序和單片機接口。由于MSP430總線(xiàn)不外擴，所以還要對其模擬總線(xiàn)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)數據和寫(xiě)命令的形式來(lái)控制卡片數據的讀和寫(xiě)。大概有以下步驟：
?、?請求之應答。Answer to Request(ATR) . Mifare卡片處在天線(xiàn)范圍內時(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(lèi)型（TagType）號共2字節傳送到讀寫(xiě)器，這樣建立第一步聯(lián)系?？ㄆ祷財祿?0004H。
?、?AntiCollision模塊。防止卡片重疊，當多張卡片一起放入天線(xiàn)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。由于每張Mifarel卡片都具有唯一的序列號，不會(huì )相同，因此MFRC500可以通過(guò)序列號來(lái)區別，區分選中的卡片。AntiCollision模塊啟動(dòng)時(shí)，卡片讀寫(xiě)器將得到卡片的序列號（Serial Number）。序列號存儲在卡片的Block0中，共有5字節（實(shí)際用的是4字節，另一個(gè)字節為序列號的校驗字節）。返回值為卡片序列號。
?、?nbsp; Select Application模塊，主要用于卡片選擇。當卡片與讀寫(xiě)器完成了上述2個(gè)步驟，讀寫(xiě)器要對卡片讀寫(xiě)操作，必須對卡片進(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在Block 0中的卡片容量"Size"字節傳送到讀寫(xiě)器。當讀寫(xiě)器收到這一字節后，將明確對卡進(jìn)行深入操作。讀寫(xiě)器收到的字節可能是88H。
?、?nbsp; Authentication&Access Control模塊，認證及存取模塊。在確認了上述3個(gè)步驟后，確認已經(jīng)選擇了一張卡后，在對卡進(jìn)行讀寫(xiě)之前，必須對其進(jìn)行驗證。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，每個(gè)扇區都可分別設置各自的密碼，互不干涉，采用三重認證方式。
做完上述所要求的步驟就可以對卡片進(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(xiàn)的設計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)//認證
char Picc_Read(unsigned char data addr,unsigned char data dataum)；//讀數據
char Picc_Write(unsigned char data addr,unsigned char data content);//寫(xiě)數據到卡
圖3 RFID程序操作流程
結語(yǔ)
完成了硬件的設計后，主要就是如何協(xié)調各個(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版的設計，且運行良好。
