摘 要：為了減少電能收費(fèi)管理中人力、物力的浪費(fèi)，減少不安全因素，本文進(jìn)行了智能IC電能表設(shè)計研究，通過多種技術(shù)手段，降低了儀表的功耗，提高了儀表的測量精度．使儀表具有較高的可靠性．科學(xué)地計算用電量，為用電用戶與供電公司之間提供了準(zhǔn)確的收費(fèi)依據(jù)；智能電能表具備預(yù)付費(fèi)功能和密碼保護(hù)功能，從根本上解決了供電公司收費(fèi)難的問題。 引 言 IC卡的使用與其應(yīng)用系統(tǒng)是密切相關(guān)的。一方面，采用IC卡可以使系統(tǒng)的運(yùn)作更富創(chuàng)造性；另一方面．應(yīng)用系統(tǒng)又會不斷地對IC卡提出新的要求．促使其功能更加完善。因此．怎樣把IC卡與實際應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來。充分發(fā)揮IC卡的優(yōu)越性．一直是IC卡技術(shù)的一個重要課題．智能IC卡電能表就是IC卡技術(shù)的一種實際應(yīng)用。 1 智能IC卡電能表的結(jié)構(gòu)與工作原理 智能IC卡電能表是將傳統(tǒng)的電能表的機(jī)芯和高水平的測控電路集成在一個整體的表殼內(nèi)，既保持了計量精度．又具備了表計運(yùn)行狀態(tài)的自動化管理功能。同時能杜絕人為破壞系統(tǒng)和私自開啟IC卡控制系統(tǒng)導(dǎo)致的控制失靈行為。 智能IC卡電能表在電子計量工作原理基礎(chǔ)上．加上西門子SLE4442IC卡控制器和PIC16C62B單片機(jī)構(gòu)成智能IC卡控制功能。當(dāng)計量模塊發(fā)出脈沖號或用戶插入IC卡時．儀表進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài)。首先，運(yùn)算控制模塊將存儲在電能表數(shù)據(jù)存儲模塊中的用戶電量剩余值取出并在LCD液晶顯示模塊上顯示。接著，判斷是否是計量脈沖到來，若是則啟動計數(shù)及計算功能．計算此時的用電量．經(jīng)過一定的運(yùn)算得到這段時間中用戶消耗的用電量。那么，上次用戶預(yù)購電量剩余值減去用電量后，得到的就是新的用戶預(yù)購電量剩余值。如果該值小于某一值時，儀表輸出指令關(guān)閉開關(guān)，停止對用戶的電能供應(yīng)，電能表也進(jìn)入低功等待狀態(tài)。此時用戶可以持IC卡到供電單位購電。 當(dāng)該用戶將已經(jīng)購電的IC卡插入電能表的IC卡接口中，電能表被喚醒。如果IC卡是合法卡，電能表將IC卡中儲存的預(yù)購電量數(shù)據(jù)解密后與原來用戶預(yù)購電量剩余值相加得到新的用戶電量剩余值，同時擦除IC卡中儲存預(yù)購電量數(shù)據(jù)．打開繼電器開關(guān)．從 而恢復(fù)了對用戶的電能供應(yīng)，電能表隨后又進(jìn)入計量狀態(tài)。預(yù)購電量剩余值、累積電量等可用按鍵選擇查看。若用戶電量預(yù)購剩余值過少時，電能表將提示用戶需要購電。 1．1運(yùn)算控制模塊 智能IC卡電能表選用PIC16C74作為其控制模塊。PIC系列微控制器是美國Microchip公司率先推出的采用精簡指令集計算機(jī)fRISC——Reduced Instruc．tion Set Computer）、哈佛（Harvard）雙總線和兩級指令流熱線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Em．bedded Controller）。它具有高速度（每條指令最快可達(dá)160ns）、低工作電壓（最低工作電壓可為3V）、低功耗（3V，32kHz時耗電151µA） 及較大的輸入輸出直接驅(qū)動LED能力（灌電流可達(dá)25mA）。芯片的低價位、小體積、指令簡單易學(xué)易用（35～37條指令1及優(yōu)秀的抗干擾能力都體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。其中PIC16C74型單片機(jī)更具有靜態(tài)低功耗休眠功能和通過內(nèi)部或外圍中斷方式喚醒轉(zhuǎn)入正常工作方式功能?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和實用性．智能IC卡電能表開發(fā)調(diào)試階段采用紫外線可擦除雙列直插式芯片．最后現(xiàn)場運(yùn)行產(chǎn)品選用的是一次性用戶可編程型器件OTP。PIC16C74作為智能IC卡電能表的核心器件，采用串行通信方式與IC卡、EEPROM，DS1302等外圍器件連接、通信，簡化了件電路，從而降低成本。 1．2 計量模塊 最早的電子式電能表只能通過使用分立元件來實現(xiàn)，但是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電能計量新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷問世，目前已開發(fā)出用于各種電能計量的專用集成電路，如單相電子式電能表專用集成電路BL0931、單相全電子式電能表專用集成電路BLo932、靜止式電子電能表專用大規(guī)模集成電路GW6832PA等。雖然這些電路在內(nèi)部集成了電能檢測電路．但是其外圍電路的設(shè)計和調(diào)整比較復(fù)雜，因此在設(shè)計中采用了電能表專用厚膜電路HDB6作為電能測量芯片。 電能表專用厚膜電路HDB6是一種采用厚膜工藝技術(shù)，把計量IC與其相關(guān)的阻容元件二次集成到陶瓷基板上的模塊化單元電路。由于采用厚膜工藝技術(shù)，使得電路的絕緣性能、阻值精度、溫度特性、外部環(huán)境適應(yīng)性都比一般分立焊接的電路有明顯的改善，而且計量電路外圍芯片的高度集成減少了貼裝（插裝1元件及焊接點(diǎn)，提高工效，增加產(chǎn)品可靠性及設(shè)計產(chǎn)量。同時HDB6還采用單排直插式引腳．使得電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配、調(diào)試和維修。 HDB6的實際工作電路。其中AC— OUT1是220V交流電壓的火線輸入；AC_OUT是220V交流電壓的火線輸出；DATA1是經(jīng)過光耦隔離輸出的功率脈沖。由于220V交流電壓不能直接加到芯片內(nèi)部的計量IC的輸入端，所以計量IC中所需的 電壓采樣值和電流采樣值是通過電阻網(wǎng)絡(luò)對電壓進(jìn)行分壓和對錳銅合金上的負(fù)載電流采樣得到的。獲得的電壓及電流采樣值被送入計量IC中的乘法器相乘．乘法器輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為占空比反應(yīng)瞬態(tài)功率的脈沖序列輸出。 R3 是一個小電阻的錳銅片電流采樣電阻，從R3 上采樣得到的電流經(jīng)過能R2和R 5輸入到計量IC的采樣電流輸入端，可在電能表的小電流線性出現(xiàn)正偏差或負(fù)偏差時通過調(diào)整保證輸出的線性化，其取值與R3 上2線端選取的位置有關(guān)。電流采樣電 阻R3 的大小選取一般存在以下問題：選取的電流采樣電阻過小時，芯片對于小信號的處理就比較差，特別是小信號時的非線性誤差和啟動電流的指標(biāo)容易變壞；而若電流采樣電阻選取得太大，則會因為受到電流輸入端動態(tài)范圍的限制，使電能表的過量程指標(biāo)降低。為此在設(shè)計中，與HDB6一同購買了370µΩ 的電流采樣電阻，這樣直接選取100µΩ的R2 和R5 就可以基本實現(xiàn)輸出的線性化。在這里輸出的脈沖為3750P／kWh。c3和c5用于實現(xiàn)電源濾波，在HDB6內(nèi)部的計量IC需要輸入+5V和一5V電壓，所以HDB6中通過阻容分壓、半波整流、電壓箱位來實現(xiàn)供電，通過接入C3、C5 ，可濾除交流電所帶有高頻信號。 在HDB6的電路中采用高精度的手表晶體諧振器作為時鐘基準(zhǔn)源。在電能表正常工作時要求該晶體必須穩(wěn)定可靠的工作。也就是說在長時間工作中，晶體必須保持在一定的振蕩幅度范圍內(nèi)，若晶體出現(xiàn)老化將導(dǎo)致頻率漂移、停振而影響電能表的正常工作。在設(shè)計中使用的是諧振頻率為32768Hz的晶體振蕩器。接在11腳的R，用來調(diào)整電能表輸出的相對誤差，只要選取適當(dāng)?shù)淖柚当憧墒勾穗娐返南鄬φ`差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在實際應(yīng)用前，通過比較功率表與測量的功率值，手動調(diào)整R，來實現(xiàn)測量模塊的精度。 1．3 IC卡讀寫及接口模塊 IC卡讀寫接口電路主要由IC卡卡槽和保護(hù)電路構(gòu)成。當(dāng)卡插入卡槽時，各引腳一一相連，實現(xiàn)了PIC單片機(jī)和IC卡的串行通信，并對插卡進(jìn)行保護(hù)，硬件電路圖如圖3所示。與SLE4442相連3個I／0 口（RST，CLK，t／o）均需接上拉電阻，若選用的單片機(jī)I／0口內(nèi)有上拉電阻，則可以省去；也可以加鉗位保護(hù)二極管，抑制由于線路干擾和邏輯電平變化的邊沿抖動所帶來的瞬態(tài)過壓。在電壓穩(wěn)定、干擾很小的情況下，可以不加。 智能IC卡電能表的拔插式卡槽采用滑動觸點(diǎn)．具有電路接觸良好、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。其卡插入檢測開關(guān)K2在無卡插入時為高電平；當(dāng)卡插入到位時，該引腳為低電平（與K1短接），使得單片機(jī)能檢測到IC卡插入。IC卡的電源Vcc應(yīng)受控于單片機(jī)，即IC卡插入卡座后才給IC卡供電，取卡后則不供電。具體方法為采用能提供IC卡所需10mA電流的受控三態(tài)門或三極管，這樣可以有效地防止帶電拔插，延長IC卡的使用壽命。若被鐵片插入，單片機(jī)能檢測到短路．則不讓RAO輸出低電平，從而使IC卡斷電。 1．4 液晶顯示模塊 在顯示控制上，為了建立良好的人機(jī)交互界面．選用段式液晶顯示器SMSO868。顯示模塊用于根據(jù)不同按鍵操作，分別顯示當(dāng)前系統(tǒng)時間、用戶設(shè)定的時間、預(yù)存金額、流量、溫度、壓力以及出錯信息等。顯示部分采用的是段式液晶顯示模塊，可以顯示8個數(shù)字和6組提示符。該模塊為反射式正顯示，用三線式串行接1：I與計算機(jī)進(jìn)行通信。 　　 上電初始化時，應(yīng)先依次輸入“100”，再輸入8位指令碼．對LCD進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，送完指令碼后CLK腳需再送一個空脈沖。接著，用戶可以將需要顯示的數(shù)據(jù)，按映象位順序轉(zhuǎn)換成對應(yīng)二進(jìn)制顯示代碼，放在固定數(shù)據(jù)存儲地址進(jìn)行調(diào)用顯示。本系統(tǒng)即將其存放在數(shù)據(jù)寄存器BCD0～BCD7中。在CS、CLK均為低電平時，先從DI腳輸入“101”，然后只需按照時序?qū)⒋@示數(shù)據(jù)的代碼逐次移位輸入DI腳，CS跳變將所輸入的數(shù)據(jù)鎖存，進(jìn)行顯示。 2 軟件設(shè)計 智能IC卡電能表的功能是在軟件支持下完成的。其軟件采用PIC系列單片機(jī)的匯編語言編寫。由于匯編語言編寫的程序，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，程序全部固化在PIC16C62B單片機(jī)的2K字節(jié)的程序存儲器中。 2．1 主程序 主程序流程，上電初始化后進(jìn)入主循環(huán)：首先是按鍵檢測。然后是電源電壓檢測，用來檢測電源掉電和電池電壓不足。IC卡檢測是為了判斷是否有卡插入。在卡正確插入的條件下，對卡進(jìn)行識別和讀寫。電能表脈沖檢測程序則是根據(jù)有無脈沖來判斷是否正常用電。并根據(jù)不同的檢測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。經(jīng)以上檢測之后，通過液晶顯示出電能表控制電路的相關(guān)信息以及用電量。 2．2 IC卡檢測 IC卡檢測流程采用了模塊化設(shè)計。首先檢測是否有IC卡插入。在正確插入的前提下。對IC卡進(jìn)行密碼校驗。讀取IC卡存儲單元中的內(nèi)容后。對卡進(jìn)行鑒別，識別出是哪一類型的卡，其中包括初始化卡、定量卡、清零卡、用戶卡四種類型。根據(jù)鑒別結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。 2．3 電量檢測 電能表的脈沖檢測實際上就是對數(shù)字量的采樣。為防止外界干擾。對電能表電量的采樣是通過兩個脈沖的檢測后確定一個有效脈沖。脈沖存在時就在現(xiàn)有電量的基礎(chǔ)上減1。直到電量達(dá)到報警值時，蜂鳴器進(jìn)行聲音報警，提示購電。 3 數(shù)據(jù)加密 本智能IC卡電能表數(shù)據(jù)加密是通過對密碼存儲器的操作實現(xiàn)的。通過校驗密碼校驗輸入密碼與芯片內(nèi)的密碼是否相符。若相符則對主存儲器的寫操作使能，以及對密碼存儲器的讀寫使能；若錯誤，計數(shù)器則將失敗的校驗次數(shù)記錄下來。為了防止通過多次校驗以獲取密碼的可能性。設(shè)計了連續(xù)3次錯誤校驗芯片自鎖功能。 同時，IC卡作為預(yù)付費(fèi)電能表的信息傳送載體，其加密卡的密碼安全關(guān)系到其加密數(shù)據(jù)的保密性。新購入的批量IC卡，一般都擁有相同的通用密碼GP。為此實行一張卡一個密碼。同時，電能表如何安全、方便地獲得IC卡新密碼NP，也是必須加以關(guān)注的。其實現(xiàn)步驟如下： （1）收費(fèi)站計算機(jī)系統(tǒng)安裝初始化收費(fèi)站特征號，比如CH、ZH。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入加密鑰模塊。 （2）在進(jìn)行新用戶開戶時，按次序分配一個唯一的ID，計算出中間密碼值MP=f1（CH，ZH，ID），將MP寫在IC卡的應(yīng)用存儲區(qū)，ID寫在IC卡上的保護(hù)存儲區(qū)，生成新密碼FP=f2（MP），取代原通用密碼GP。 （3）第一次電能表插卡，電能表讀取用戶號ID、MP，生成IC卡新密鑰FP=f2（MP），存儲戶號ID 和FP，擦除MP。 （4）再次購電時，系統(tǒng)軟件將讀卡上戶號ID以及加密鑰內(nèi)的CH、ZH，生成新密鑰FP=f2（f1（CH,ZH，ID）），核對正確后進(jìn)行購電寫卡操作。 （5）電能表再次插卡，電能表首先將對儲存在表內(nèi)的FP值與IC卡密碼進(jìn)行校核．正確后方可進(jìn)行讀入購電量等操作。 利用上述操作，IC卡電能表就有了新的IC卡密碼，并保持不變，電能表和IC卡儲值卡之間建立了一對一對應(yīng)關(guān)系。這種IC卡密碼安全方案最大優(yōu)勢在于管理系統(tǒng)內(nèi)不保存每一新卡的新密碼，每一次購電時可根據(jù)公開的用戶號ID運(yùn)行不公開的算法生成， 這就從各個環(huán)節(jié)最大限度保證了IC卡密碼不被泄露，從而預(yù)防了非法用電現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)了供需雙方的利益。 4 試驗結(jié)果 經(jīng)實驗表明．該電能表具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、并且不受功率因數(shù)大小影響的特點(diǎn)。計量精度達(dá)到0．5等級。而市場銷售的同類電能表的計量精度為1．0等級或更低。該電能表在長時間的實際使用測試過程中沒有出現(xiàn)死機(jī)等情況。另外，該電能表還具有體積小、成本低、工作可靠、便于安裝調(diào)試和電量低等特點(diǎn)。完全能滿足工業(yè)及民用的要求。 5 結(jié)束語 智能IC卡電能表運(yùn)用脈沖掃描解決了收費(fèi)難問題，保障了供電公司和消費(fèi)者雙方的利益不受侵害。這是本電能表設(shè)計中的一大特色。該電能表在硬件電路設(shè)計中緊跟電子產(chǎn)品市場走向，采用當(dāng)前功能比較強(qiáng)的PIC系列單片機(jī)、總線結(jié)構(gòu)技術(shù)、SLE4442邏輯加密存儲卡以及LCD液晶顯示電路。同時，從IC卡密碼安全、卡上數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)校驗等幾個方面進(jìn)行工作，提出了一個新的“一卡一密，數(shù)據(jù)加密，雙向鑒別”的綜合數(shù)據(jù)安全方案，該方案簡單實用、安全可靠．為IC卡預(yù)付費(fèi)儀表提供了一個新的思路。