基于RFID的單相電子式預付費電能表的設計

摘 要:為了適應電能表高精度、低功耗、智能化的發展趨勢，將射頻識別技術應用到電子式預付費電能管理系統。介紹了系統的結構和工作流程，給出了主要電路模塊的原理圖，包括電能計量部分、射頻接口部分等，并從低功耗和抗干擾等方面進行了可靠性設計。射頻識別技術是未來電能表的一種重要的發展方向。

關鍵詞:電能表; 射頻識別; ADE7755; 可靠性

中圖分類號:TM933 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0145-03

Design of Single-phase Electronic Prepayment Watt-hour Meter Based on RFID

OUYANG Hong-zhi， GUAN Jin-yun， LI Ke-sheng， LIU Hua

(College of Electrical Engineering， University of South China， Hengyang 421001， China)

Abstract: To adapt to the developing trend of Watt-hour meters in high accuracy， low power consumption and intelligence， the electronic prepayment energy management system is designed based on RFID. The structure of the system is introduced，and the schematic diagrams of the main ciscuits are given， including the sections of energy metrology and radio frequency interface， etc.The reliability of the system is also considered in the aspects of low-power consumption and anti-interfe-rence. The RFID technology is a kind of important direction of future Watt-hour meters.

隨著國民經濟的發展，人均用電量的大幅度增加，推動了“一戶一表，抄表到戶”的這一制度。傳統的感應式電能表測量精度有限，會帶來較大誤差，抄表方式落后，偷竊電現象嚴重，現今已經被淘汰;接觸式IC卡預付費電能表[1]抗干擾能力弱，容易被解密，易污染和磨損，壽命短。為了解決預付費IC卡電能表的不足，設計了基于RFID(射頻識別)技術的電子式電能表。通過電能測量集成電路對電壓電流的取樣信號進行處理，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來計算所消耗的電量。用戶將射頻卡片靠近電能表，這時MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲到E2PROM，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 系統構成與工作流程

1.1 系統構成

基于RFID[2]的預付費單相電能表系統解決方案不僅從購電、用電交易本身考慮，且從整個電力市場管理通用性上考慮。本系統總體設計如圖1所示。預付費系統由兩部分組成:基于RFID的單相預付費電能表和用電管理軟件。電能表是整個預付費系統中的終端設備，它通過射頻卡與售電管理點進行數據交互。

圖1 系統總體框圖

1.2 工作流程

預付費電能表[3]工作分兩大部分:電能表與上位機管理軟件的信息交互和用戶電能的計量。按照“一戶一表，一表一卡”的原則，用戶安裝一個新的電能表的同時，會獲得一張射頻卡。首先用戶需要到售電點開戶，從而在管理系統中建立用戶檔案，以后所有與該表相關的信息均保存至此。開戶完成后，電能表與射頻卡建立了鏈接，購電、測試、設置等管理操作均被允許。為保證信息安全，通信中的購電信息和管理信息均由售電管理上位機軟件加密，以密文數串的形式進行傳遞，電表在接收到這些數據時，將進行相應的解密工作。同時，電能表將用戶的用電量、余額、部分消費記錄及狀態等非加密信息通過射頻卡返回給售電管理部門。電能表中儲存有前12個月的購電/消費歷史記錄、當前日期/時刻、事件記錄等，用戶可通過按鍵查詢全部獲得，這些信息對管理部門也是同等重要，管理員可通過近紅外光電裝置與電能表通信獲得，同時可對電能表進行日期、時刻等設置。

供電網絡的電壓、電流分別采樣后，都轉變為專用電能計量芯片電壓、電流計量通道所允許的輸入范圍內的電壓值，芯片計算兩個輸入電壓的乘積后，再對乘積進行低通濾波，獲取有功功率信息，然后將有功功率進一步轉換成頻率，以高頻脈沖信號的形式輸出。輸出脈沖頻率為:

f=K(8.06×V1×V2×G×F1-4)V2REF

(1)

式中:K是由芯片引腳配置確定的倍率;V1，V2分別是電流、電壓通道差動輸入電壓的有效值;G是片內PGA增益;F1-4是由芯片主時鐘分頻所得的常數;VREF是片內基準電壓。MCU在內部定時器設定的積分時間內對芯片的高頻輸出脈沖計數，平均功率正比于平均頻率，用戶所耗電能為:

W=Pt=(n/t)t=n

(2)

式中:W為電能;P為平均功率;t為積分時間;n為脈沖個數。

2 硬件電路

2.1 總體原理圖

基于RFID的單相電能表的硬件電路包括計量單元、射頻接口單元、通信單元、存儲單元、時鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、繼電器控制單元、CPU監控單元和電源電路單元等部分。預付費單相電能表原理結構框圖如圖2所示。

圖2 電能表總體原理圖

微處理器采用TI公司推出的超低功耗16位MSP430F417單片機，它具有32 KB FLASH和1 KB RAM，帶有96段LCD驅動器。計量部分用ADI公司的高可靠性專用電能計量芯片ADE7755[4]。射頻讀寫接口芯片選用PHILIPS公司射頻識別讀寫專用芯片MF RC500，射頻卡選用低成本可讀寫的Mafare MF1卡[5]。電能表與上位機的信息交互采用近紅外光電通信方式，ADE7755的高頻輸出脈沖經單片機計算后再輸出低頻脈沖，由LED顯示，直觀地反映用戶的用電情況。存儲部分采用非易失性鐵電存儲器FM24CL04和E2PROM存儲器24C64。實時時鐘采用ETC公司的低功耗時鐘芯片RTX8593。鋰電池用于保證在電網斷電時電能表的正常運行，掉電監測單元實時監控線性電源網絡的工作情況。負荷控制部分采用磁保持繼電器控制負載的通斷，為方便用戶和工作人員獲取電能表信息，電能表采用單個按鍵實現電表部分信息的查詢。

2.2 電能計量電路

電量測量采用ADI公司的ADE7755作為測量芯片，它是一種量程寬、精度高，內部具有掉電保護、上電自動復位電路的電能測量專用集成電路。

電壓采樣信號通過電阻分壓網絡后連接到ADE7755取樣的電壓計量通道，電流采樣信號通過錳銅片后送入ADE7755的電流計量通道，考慮到實際電網電壓存在波動和負載電流可能超載，電能表電壓通道的標稱電壓設在半滿度值;同時，電流通道在最大負載時也不應超過半滿度值，這樣設置可允許對電流信號和高峰值因數信號進行累計。CF頻率輸出端經過外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755的無負載門限和啟動電流特性將消除電能表中的漏電效應。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，這個最小輸出頻率是滿量程輸出頻率對應的F1-4的0.001 4%。電能表的脈沖常數是1 600 imp/kWh，最大負載電流是60 A，最合適的F1-4頻率為13.6 Hz。

2.3 射頻接口電路

采用PHILIPS公司的13.56 MHz MF RC500 RFID芯片，Mifare Standard 1k智能卡的核心是Mifare1 IC S50系列微芯片[6]。Mifare 1 IC智能卡內建有高速的CMOS E2PROM和MCU等， 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。由于MSP430總線不外擴，所以還要對其模擬總線時序，典型接法如圖3所示。其他MCU處理單元、通信接口、LCD顯示部分、電源部分等略。

圖3 射頻接口電路

3 軟件設計

整體來講，軟件設計包括兩大部分，采用模塊化設計。

3.1 電能表軟件部分

開發的軟件平臺:IAR Embedded Workbench For MSP430，包括初始化程序，電能計量程序，MF RC500的底層軟件設計，時鐘芯片的讀寫操作，對E2PROM的編程，I2C以及人機交互部分等。

3.2 RFID讀寫器軟件部分

開發的軟件平臺:Visua1 C++6.0，包括MF RCS00的讀寫卡片程序，上位機通信程序以及上位機處理和界面程序等。

4 可靠性設計

4.1 低功耗設計

4.1.1 選擇低功耗元器件

微處理器采用是CMOS型超低功耗MSP430F417，其工作電流為微安級[7]。外圍芯片都選用CMOS芯片，繼電器用磁保持繼電器，這種繼電器依靠脈沖信號動作，降低了功耗。

4.1.2 硬件電路的低功耗設計

首先，充分利用MSP430F417的片內資源，最大程度減少系統器件。其次，將不用的微處理器引腳和數字芯片的引腳拉高或拉低。最后，上拉電阻在能滿足驅動能力的前提下，盡量選大，以減少在上拉電阻上消耗的功耗，對于其他電阻，如LCD的分壓電阻，也可采取同樣的措施。

4.1.3 軟件的低功耗設計

運用低功耗閑置模式，降低系統功耗。切斷微控制器片上所有不用的外設，例如PWM、ADC等。使用查表法代替微控制器的運算，減少微控制器的實時運算數量，例如CRC算法采用查表法實現。

4.2 抗干擾設計

4.2.1 硬件抗干擾

電能表電路抗干擾設計中，主要采用器件選型、濾波、退耦、隔離及PCB優化設計等措施[8]。

4.2.2 軟件抗干擾

電能表軟件抗干擾設計中，主要采用掉電保護、分散數據處理、睡眠抗干擾、指令冗余、軟件陷阱、看門狗等技術。

4.3 信息安全技術

采用“一表一卡”、CRC校驗、信息加密技術等。

4.4 EMC/EMI特性

射頻芯片對周圍的電路會產生一定的電磁干擾。在設計時需要考慮通過濾波，增加磁珠，優化PCB板布局等方法，提高整個系統的EMC/EMI特性。

5 結 語

射頻識別技術以其高度的信息集成度及安全性已經融入當今信息技術主流。本文設計的基于RFID的單相預付費電能表不僅具有計量收費功能，還可通過射頻卡或者掌上電腦，與相關售電管理部門的上位機軟件通信，簡化了預付費系統的設計難度，解決了居民用電傳統管理方式中收費難、催費難的問題，順應了國際上電能表的需求方向。運行證明，該電能表讀寫穩定，數據傳遞可靠，抗干擾能力強，管理實時便捷，必將占據未來電能表的一席之地。

參考文獻

[1]趙興勇，安廣蘭.IC卡預付費電能表[J].電力學報，2004，19(1):22-23.

[2]鐘包.RFID技術及其發展前景分析[J].金卡工程，2006，25(6):56-58.

[3]劉洪利.智能型復費率數字電能表的設計[J].上海電力學院學報，2005，21(3): 241-243.

[4]楊麗飛，馬金元.基于ADE7757的高性能電能表的設計[J].工礦自動化，2007，35(4):104-107.

[5]孫穎，張敬敏，張志佳.一種基于MF RC500的Mifare 1卡讀寫器的設計與實現[J].微計算機信息，2006，22(2):7-9.

[6]Philips Semiconductors. Mifare MF RC500 highly integrated ISO14443A reader IC data sheet[M]. Netherlands:Philips Corporation，2002.

[7]滕召勝.便攜式智能儀器通用低功耗單片機系統設計[J].計算機工程與應用，2000，28(4):83-84.

[8]王燕芳，宋輝.單片機系統實用抗干擾設計[J].電子工程師，2006，32(7):49-51.