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• 關鍵詞： 智能電表 射頻識別 RFID 電能表
• 摘要：電能表的發展趨勢是高精度、多功能和智能化。射頻識別技術已經成為信息技術的生力軍。本文對基于射頻識別技術設計的智能電表的工作原理、硬件結構、軟件設計及抗干擾設計等進行了詳細介紹。

0引言

　　感應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、為了適應電能表智能化的趨勢。將射頻識別(RFID)技術應用到電量信息的傳輸、更好地體現RFID免接觸、無源、信息安全等優勢。射頻識別技術是一種非接觸式自動識別技術，是通過射頻信號來白動識別門標對象并獲取相關數據。基本的RFID系統是由電子標答(射頻卡)、閱讀器及應用支撐軟硬件二部分組成。RFTD標簽由芯片和天線組成，何個標簽都具有唯一的電子編碼。根據發送射頻信號的方式不同。標簽又分為主動式和被動式兩種口主動式標簽由內置電池供電主動向讀寫器發送射頻信號。被動式標簽在接收到閱讀器發出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量從而做出響應。閱讀器負責向標簽發射讀取信號并接受標簽的應答，劉標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸到主機以供處理。RFID應用支撐軟硬件主要負貴實現與企業=或組織應用相關的功能。

1工作原理

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

　　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、負荷控制單元、MCU監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MSP430F427，它具有16kBFLASH和1kBRAM，自帶有128段LCD驅動器。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MFRC500，射頻卡選用低成本無源型MafareMF1卡。存儲部分采用E-PROM存儲器AT24LC16,實時時鐘采用MAXIM公司的帶溫度自動補償的DS3231。鋰電池用于保證在電網斷電時電能表的n1常運行。掉電監測單兀采用MAX705實時監控線性電源網絡的工作情況。負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載的通斷。電能表與卜位機的信息交互采用近紅外光電通信和遠程HS485總線方式。電能表采用按鍵實現關鍵信息的杳詢。

　　圖1電能表原理框圖

2硬件設計

2.1電能計量部分

　　ADE7755采用混合電路設計，模擬部分包括2個16位Σ-Δ模數轉換器(ADC)、1個基準電路;數字部分又稱為數字信號處理模塊，包括相位校正器、高通濾波器、乘法器、低通濾波器、數頻轉換器等。混合電路設計結合了模擬電路和數字電路的優勢，高精度16位Σ-ΔADC保證了信號的線性度與準確度;而在數字域內進行相位校正、濾波、乘法運算、數頻轉換有利于提高運算結果的穩定性。因此，ADE7755芯片即使長期運行于極端惡劣的環境下，仍具有較高的穩定度和準確度，其準確度超過了IEC61036標準提出的要求。

　　ADE7755的計量電路如圖2所示。電壓通過電阻分壓網絡后連接到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‰，保證了計量的準確性。CF頻率輸出端經過外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755設定了一個最小輸出頻率，當負載產生的輸出頻率低于這個規定的最小輸出頻率，F1、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的F1-4的0.0014%。電能表的脈沖常數是1600imp/kWh，最大負載電流是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

2.2射頻接口部分

　　MFRC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成IC系列中的一員。該IC系列利用了先進的調制和解調概念，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議。MFRC500支持IS014443A所有的層。內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線(可達100mm)，接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應答器信號。數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法用于驗證Ml隊RE系列產品。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計提供了極大的靈活性，特別適合在三表中的應用。

　　RFID是電能表實現預付費的工具，借助RFID技術，我們可以很容易的實現電能表的預付費。利用MFRC500芯片作為RFID中的讀值和減值。由于單片機的總線不外擴，所以不能把MFRC500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MFRC500進行通信。如圖3所示為MFRC500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。天線部分采用數據手冊上推薦的天線。

　　圖3MFRC500芯片與MSP430的連接簡圖

3軟件設計

3.1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、費率和時段控制、查詢、顯示、電費充值、負荷控制、事件記錄、測試輸出等功能。電能表軟件設計主要采用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、數據存儲模塊、中斷程序模塊、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊、費率處理模塊、實時時鐘處理模塊、射頻讀寫模塊、通訊事件處理模塊、負荷控制模塊等。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到某個預定的值(如0.1kWh)。到達則將此值記入累計用電量的單元。因為是復費率電能表，根據實時時鐘切換費率，要按設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數據。

3.2射頻卡讀寫流程

　　Mifare卡與讀寫器天線之間的工作距離≤10mm，數據傳輸速率為106kbit/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。單片機首先對MFRC500進行初始化配置，寄存器設置好后MFRC500就可以接收MCU的命令執行操作，實現與Mifare卡片通信了。Mifare卡可以根據接收到的指令進行相應操作。但是單片機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據錯誤);3)選擇卡片;4)密碼認證;5)讀寫操作。單片機對Mifare卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進行。當有Mifare卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序將開始進行上述一系列的操作。為提高處理和響應速度，程序設計采用單片機匯編語言和C語言混合編程。中斷服務程序采用匯編語言編寫.其它程序采用C語言編寫，調用PHILIPS公司提供的基本庫函數實現各種功能。

4抗干擾設計

　　由于電表的工作環境非常惡劣，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，電能表在運行中要確保CPU在十年內正常運轉程序不跑飛，數據不丟失，芯片不異常復位，即使偶爾發生異常，系統要能夠及時地從故障中恢復，所以必須從軟硬件兩方面進行細致的可靠性設計。

4.1硬件抗干擾

　　1)減小帶寬，隔離系統的敏感部分:如電量采集模塊由于從電網中采集用戶電量，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，在過壓期間形成一個低阻的分流器，能加強電能表抗電網瞬間浪涌沖擊的能力。

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

　　4)電路板抗干擾設計:①模擬電路與數字電路分開;②模擬地與數字地分開并單點接地;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較遠的位置等。

4.2軟件抗干擾

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

　　2)指令冗余:指令冗余就是在程序關鍵的地方人為插入一些單字節指令，或將有效單字節指令重寫。它是使程序從“亂飛”狀態恢復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行區，且必須執行到冗余指令。

　　3)軟件陷阱:當亂飛的程序進入非程序區，通過軟件陷阱的設定，即加入跳轉指令，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個指定位置，再進行錯誤處理，使程序重新納入正軌。

　　4)程序監視定時器(看門狗):看門狗通過監視程序運行狀態，判斷程序是否進入死循環或出現程序“跑飛”現象，進而強迫程序回到復位狀態。系統的主程序是循環結構，在循環路徑上設置看門狗清零指令。

5結束語

　　電能表的發展趨勢是高精度、多功能和智能化。射頻識別技術已經成為信息技術的生力軍。本文的創新點體現在:

　　1)將TI公司的16位MSP430單片機應用于電能表設計，其超低功耗性能促進了“低碳經濟”的發展;

　　2)射頻卡代替接觸式IC卡，壽命長，使用方便，數據傳輸安全;

　　3)多功能。該電表能實現復費率、分時段計費、預付費、負荷控制、近紅外抄表及遠程RS485總線抄表、掉電保護等功能。