基于RFID的預(yù)付費電能表的研制 ※下載

摘要 運用保密性好且物美價廉的RFID技術(shù)實現(xiàn)預(yù)付費電能表；著重介紹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(shù)字電路來實現(xiàn)，有效地提高了測量精度；同時采用可視化的液晶屏和交互式的鍵盤等，改善了人機(jī)界面。RFID和電能表的集合，改變了現(xiàn)在的電表付款方式，可以提高電力部門的工作效率，安全、可靠；是當(dāng)前電子式電能表的一種發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 RFID預(yù)付費電能表MFRC500AD7755MSP430DS130224LC16

引言

　　隨著人均用電量的大幅度增加，推動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，誤差將讓人難以接受。本文介紹的電子式預(yù)付費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數(shù)來計算所消耗的電量。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MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲到EEPROM，同時此卡清零。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

　　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芯片來實現(xiàn)預(yù)付費卡片數(shù)據(jù)的讀取。硬件框圖如圖1所示。

1．1? 電能計量模塊AD7755的特點和接口

　　AD7755是Analog Devices公司生產(chǎn)的電量計量集成電路，技術(shù)指標(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)行計數(shù)，計數(shù)值的大小即反映電能消耗的多少。本設(shè)計中，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計數(shù)。

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(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。在此選用帶有LCD驅(qū)動和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，要與各個外設(shè)打交道，不僅要負(fù)責(zé)計出AD7755所輸出的計量脈沖值，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? 時鐘模塊DS1302

　　要保證電能表時間的準(zhǔn)確性，時鐘電路還是必需的。在此選用Dallas公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片DS1302，可以對年、月、周、日、時、分、秒進(jìn)行計時，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的串行信號和時鐘的模擬以及掉電保護(hù)電路設(shè)計。

1．4? 外擴(kuò)存儲器模塊24LC16

　　作為計量儀表需要有許多數(shù)據(jù)（如電流電壓的系數(shù)、分時計費表、累計計費表等）是變動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)計中最合適的器件。這里選用Microchip公司生產(chǎn)的24LC16來實現(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。

　　液晶模塊和鍵盤以及RS232通信相對簡單，各個模塊之間通過MCU來控制。

2? RFID實現(xiàn)預(yù)付費的過程

　　RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別），是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(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。卡片除了IC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。Mifare1射頻卡所具有的獨特的Mifare RF非接觸接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國家標(biāo)準(zhǔn)——ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)。

　　MFRC500采用總線時序和單片機(jī)接口。由于MSP430總線不外擴(kuò)，所以還要對其模擬總線時序，典型接法如圖2所示。

圖2? MFRC500接口圖

　　MFRC500采用寄存器寫數(shù)據(jù)和寫命令的形式來控制卡片數(shù)據(jù)的讀和寫。大概有以下步驟：

　?、?請求之應(yīng)答。Answer to Request(ATR) . Mifare卡片處在天線范圍內(nèi)時，讀寫器向卡發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片ATR啟動，將卡片Block0的卡片類型（TagType）號共2字節(jié)傳送到讀寫器，這樣建立第一步聯(lián)系?？ㄆ祷財?shù)據(jù)0004H。
　?、?AntiCollision模塊。防止卡片重疊，當(dāng)多張卡片一起放入天線范圍時，AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動。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，不會相同，因此MFRC500可以通過序列號來區(qū)別，區(qū)分選中的卡片。AntiCollision模塊啟動時，卡片讀寫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(jié)（實際用的是4字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號的校驗字節(jié)）。返回值為卡片序列號。
　?、? Select Application模塊，主要用于卡片選擇。當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述2個步驟，讀寫器要對卡片讀寫操作，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(jié)傳送到讀寫器。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，將明確對卡進(jìn)行深入操作。讀寫器收到的字節(jié)可能是88H。
　　④? Authentication&Access Control模塊，認(rèn)證及存取模塊。在確認(rèn)了上述3個步驟后，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡后，在對卡進(jìn)行讀寫之前，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個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉，采用三重認(rèn)證方式。

　　做完上述所要求的步驟就可以對卡片進(jìn)行讀寫了（以上步驟參看圖3便一目了然）。在這個電路中，天線的設(shè)計和寄存器操作是值得一提的，也是MFRC500的難點所在。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(fù)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(rèn)證
　　char Picc_Read(unsigned char data addr,unsigned char data dataum)；//讀數(shù)據(jù)　　
　　char Picc_Write(unsigned char data addr,unsigned char data content);//寫數(shù)據(jù)到卡

圖3? RFID程序操作流程

(詳細(xì)程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注)

結(jié)語

　　完成了硬件的設(shè)計后，主要就是如何協(xié)調(diào)各個子程序的工作了，在這里采取中斷方式來處理各種模塊。本課題已經(jīng)完成第1版的設(shè)計，且運行良好。

參考文獻(xiàn)

[1]? 沈建華，等. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[2]? 魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例. 北京：北京航空航天出版社，2002.
[3]? 張敏.關(guān)于非接觸IC智能（射頻）卡及其讀寫設(shè)備內(nèi)核技術(shù)的研究與應(yīng)用. http://www.goldencard.com.cn.
[4]? ISO/IEC144433:Identification cards?Contactless integrated circuit(s) cards?Proximity cards?Part2.3：Radio frequency Power and signal interface. Initialization and anticollision.
[5]? Philips Semiconductors. Mifare MF RC500 Highly Integrated ISO14443A Reader IC Data Sheet.Philips corporation,2001.

羅恂 （研究生），主要從事射頻識別及智能儀表方面的研究

（收修改稿日期：2006-06-20）