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智能電表
射頻識(shí)別
RFID
電能表
- 摘要：電能表的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、多功能和智能化。射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)的生力軍。本文對(duì)基于射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的智能電表的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
0引言
感應(yīng)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(yīng)電能表智能化的趨勢(shì)。將射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用到電量信息的傳輸、更好地體現(xiàn)RFID免接觸、無源、信息安全等優(yōu)勢(shì)。射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是通過射頻信號(hào)來白動(dòng)識(shí)別門標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。基本的RFID系統(tǒng)是由電子標(biāo)答(射頻卡)、閱讀器及應(yīng)用支撐軟硬件二部分組成。RFTD標(biāo)簽由芯片和天線組成，何個(gè)標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼。根據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)的方式不同。標(biāo)簽又分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種口主動(dòng)式標(biāo)簽由內(nèi)置電池供電主動(dòng)向讀寫器發(fā)送射頻信號(hào)。被動(dòng)式標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量從而做出響應(yīng)。閱讀器負(fù)責(zé)向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，劉標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。RFID應(yīng)用支撐軟硬件主要負(fù)貴實(shí)現(xiàn)與企業(yè)=或組織應(yīng)用相關(guān)的功能。
1工作原理
電能計(jì)星芯片根據(jù)電壓、電流輸人信號(hào)生產(chǎn)電能量脈沖信號(hào)和電流方向信號(hào)送給MCU進(jìn)行處理。MCU對(duì)電量脈沖進(jìn)行累計(jì)。計(jì)算出電量并存貯，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前費(fèi)率對(duì)剩余電蘭進(jìn)行減法處理，并判斷是否告警或斷電。MCU不斷讀時(shí)鐘，并決定當(dāng)前運(yùn)行的費(fèi)率。MCU還監(jiān)測(cè)RS485總線和紅外通訊信號(hào)，接收或響應(yīng)命令，進(jìn)行串行通訊。另外，電表還監(jiān)測(cè)繼電器狀態(tài)和電池電壓、功率等參數(shù)，對(duì)非nI:常狀態(tài)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(jì)量單元、射頻接口單兀、通信單兀、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、負(fù)荷控制單元、MCU監(jiān)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(jī)MSP430F427，它具有16kBFLASH和1kBRAM，自帶有128段LCD驅(qū)動(dòng)器。計(jì)量部分用ADI公司的專用電能計(jì)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(chǔ)部分采用E-PROM存儲(chǔ)器AT24LC16,實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用MAXIM公司的帶溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄S3231。鋰電池用于保證在電網(wǎng)斷電時(shí)電能表的n1常運(yùn)行。掉電監(jiān)測(cè)單兀采用MAX705實(shí)時(shí)監(jiān)控線性電源網(wǎng)絡(luò)的工作情況。負(fù)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(fù)載的通斷。電能表與卜位機(jī)的信息交互采用近紅外光電通信和遠(yuǎn)程HS485總線方式。電能表采用按鍵實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的杳詢。
圖1電能表原理框圖
2硬件設(shè)計(jì)
2.1電能計(jì)量部分
ADE7755采用混合電路設(shè)計(jì)，模擬部分包括2個(gè)16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、1個(gè)基準(zhǔn)電路;數(shù)字部分又稱為數(shù)字信號(hào)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(shù)頻轉(zhuǎn)換器等。混合電路設(shè)計(jì)結(jié)合了模擬電路和數(shù)字電路的優(yōu)勢(shì)，高精度16位Σ-ΔADC保證了信號(hào)的線性度與準(zhǔn)確度;而在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行相位校正、濾波、乘法運(yùn)算、數(shù)頻轉(zhuǎn)換有利于提高運(yùn)算結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，ADE7755芯片即使長(zhǎng)期運(yùn)行于極端惡劣的環(huán)境下，仍具有較高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，其準(zhǔn)確度超過了IEC61036標(biāo)準(zhǔn)提出的要求。
ADE7755的計(jì)量電路如圖2所示。電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后連接到ADE7755取樣的電壓計(jì)量通道，電流通過錳銅片后送入ADE7755的電流計(jì)量通道，ADE7755的線性度為1‰，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確性。CF頻率輸出端經(jīng)過外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755設(shè)定了一個(gè)最小輸出頻率，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的輸出頻率低于這個(gè)規(guī)定的最小輸出頻率，F(xiàn)1、F2和CF將不會(huì)輸出任何脈沖，這個(gè)頻率是滿量程輸出頻率對(duì)應(yīng)的F1-4的0.0014%。電能表的脈沖常數(shù)是1600imp/kWh，最大負(fù)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(jì)量電路
2.2射頻接口部分
MFRC500是應(yīng)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(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC500支持IS014443A所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(可達(dá)100mm)，接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)(奇偶和CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法用于驗(yàn)證Ml隊(duì)RE系列產(chǎn)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(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，特別適合在三表中的應(yīng)用。
RFID是電能表實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的工具，借助RFID技術(shù)，我們可以很容易的實(shí)現(xiàn)電能表的預(yù)付費(fèi)。利用MFRC500芯片作為RFID中的讀值和減值。由于單片機(jī)的總線不外擴(kuò)，所以不能把MFRC500直接作為外部存儲(chǔ)器操作。對(duì)此，筆者采用模擬總線的方式與MFRC500進(jìn)行通信。如圖3所示為MFRC500芯片與MSP43O的連接簡(jiǎn)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(shù)據(jù)手冊(cè)上推薦的天線。
圖3MFRC500芯片與MSP430的連接簡(jiǎn)圖
3軟件設(shè)計(jì)
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(jì)量、費(fèi)率和時(shí)段控制、查詢、顯示、電費(fèi)充值、負(fù)荷控制、事件記錄、測(cè)試輸出等功能。電能表軟件設(shè)計(jì)主要采用C語言，采用模塊化編程思想，主要包括以下幾個(gè)模塊:上電初始化模塊、主程序模塊、電量累計(jì)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、中斷程序模塊、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊、費(fèi)率處理模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘處理模塊、射頻讀寫模塊、通訊事件處理模塊、負(fù)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(jì)的用電量是否達(dá)到某個(gè)預(yù)定的值(如0.1kWh)。到達(dá)則將此值記入累計(jì)用電量的單元。因?yàn)槭菑?fù)費(fèi)率電能表，根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘切換費(fèi)率，要按設(shè)定的不同時(shí)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(guān)數(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)傳輸速率為106kbit/s，完成一次讀寫的時(shí)間可小于0.1s。該卡具有防沖突功能。整個(gè)電路(除線圈外)集成在一個(gè)芯片內(nèi)。單片機(jī)首先對(duì)MFRC500進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后MFRC500就可以接收MCU的命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與Mifare卡片通信了。Mifare卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是單片機(jī)并不是通過簡(jiǎn)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(qǐng)求喚醒;2)防重疊(防止多張卡片重疊造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤);3)選擇卡片;4)密碼認(rèn)證;5)讀寫操作。單片機(jī)對(duì)Mifare卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進(jìn)行。當(dāng)有Mifare卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序?qū)㈤_始進(jìn)行上述一系列的操作。為提高處理和響應(yīng)速度，程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)匯編語言和C語言混合編程。中斷服務(wù)程序采用匯編語言編寫.其它程序采用C語言編寫，調(diào)用PHILIPS公司提供的基本庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種功能。
4抗干擾設(shè)計(jì)
由于電表的工作環(huán)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(chǎng)，諧波與閃變等。作為一種非常重要的計(jì)量?jī)x表，電能表在運(yùn)行中要確保CPU在十年內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)程序不跑飛，數(shù)據(jù)不丟失，芯片不異常復(fù)位，即使偶爾發(fā)生異常，系統(tǒng)要能夠及時(shí)地從故障中恢復(fù)，所以必須從軟硬件兩方面進(jìn)行細(xì)致的可靠性設(shè)計(jì)。
4.1硬件抗干擾
1)減小帶寬，隔離系統(tǒng)的敏感部分:如電量采集模塊由于從電網(wǎng)中采集用戶電量，其干擾非常多，可將它與電量計(jì)量電路單獨(dú)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(shí)，壓敏電阻以納秒級(jí)的速度極快響應(yīng)，在過壓期間形成一個(gè)低阻的分流器，能加強(qiáng)電能表抗電網(wǎng)瞬間浪涌沖擊的能力。
3)光電隔離:ADE7755產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過光電隔離后再供單片機(jī)采集，可防止脈沖干擾信號(hào)竄入單片機(jī)。
4)電路板抗干擾設(shè)計(jì):①模擬電路與數(shù)字電路分開;②模擬地與數(shù)字地分開并單點(diǎn)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(jī)較遠(yuǎn)的位置等。
4.2軟件抗干擾
1)按鍵重復(fù)檢測(cè):利用定時(shí)器進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，以40Hz的頻率對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，只有連續(xù)3次檢測(cè)到按鍵接口為低電平才認(rèn)為發(fā)生一次按鍵事件。這樣能夠得到消抖之后的可靠有效信號(hào)，從而避免因干擾導(dǎo)致的按鍵誤操作。
2)指令冗余:指令冗余就是在程序關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫。它是使程序從“亂飛”狀態(tài)恢復(fù)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(yùn)行區(qū)，且必須執(zhí)行到冗余指令。
3)軟件陷阱:當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)，通過軟件陷阱的設(shè)定，即加入跳轉(zhuǎn)指令，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個(gè)指定位置，再進(jìn)行錯(cuò)誤處理，使程序重新納入正軌。
4)程序監(jiān)視定時(shí)器(看門狗):看門狗通過監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)，判斷程序是否進(jìn)入死循環(huán)或出現(xiàn)程序“跑飛”現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)迫程序回到復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)的主程序是循環(huán)結(jié)構(gòu)，在循環(huán)路徑上設(shè)置看門狗清零指令。
5結(jié)束語
電能表的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、多功能和智能化。射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)的生力軍。本文的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:
1)將TI公司的16位MSP430單片機(jī)應(yīng)用于電能表設(shè)計(jì)，其超低功耗性能促進(jìn)了“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展;
2)射頻卡代替接觸式IC卡，壽命長(zhǎng)，使用方便，數(shù)據(jù)傳輸安全;
3)多功能。該電表能實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、分時(shí)段計(jì)費(fèi)、預(yù)付費(fèi)、負(fù)荷控制、近紅外抄表及遠(yuǎn)程RS485總線抄表、掉電保護(hù)等功能。
