基于射频识别技术的智能电能表的设计

　　0 引言

　　感应式电能表以及普通电了式电能表存在诸多缺陷，如功能单一、防窃电效果差、抄表方式落后、IC卡易损坏污染等、为了适应电能表智能化的趋势。将射频识别(RFID)技术应用到电量信息的传输、更好地体现RFID免接触、无源、信息安全等优势。射频识别技术是一种非接触式自动识别技术，是通过射频信号来白动识别门标对象并获取相关数据。基本的RFID系统是由电子标答(射频卡)、阅读器及应用支撑软硬件二部分组成。RFTD标签由芯片和天线组成，何个标签都具有唯一的电子编码。根据发送射频信号的方式不同。标签又分为主动式和被动式两种口主动式标签由内置电池供电主动向读写器发送射频信号。被动式标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量从而做出响应。阅读器负责向标签发射读取信号并接受标签的应答，刘标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。RFID应用支撑软硬件主要负贵实现与企业=或组织应用相关的功能。

　　1 工作原理

　　电能计星芯片根据电压、电流输人信号生产电能量脉冲信号和电流方向信号送给MCU进行处理。MCU对电量脉冲进行累计。计算出电量并存贮，同时根据当前费率对剩余电兰进行减法处理，并判断是否告警或断电。MCU不断读时钟，并决定当前运行的费率。MCU还监测RS485总线和红外通讯信号，接收或响应命令，进行串行通讯。另外，电表还监测继电器状态和电池电压、功率等参数，对非nI:常状态告警和记录。

　　基于RFID的一单相电子式电能表的硬件电路包括电能计量单元、射频接口单兀、通信单兀、存储单元、时钟单元、显示单元、键盘处理单元、负荷控制单元、MCU监拧单元和直流电源单元等部分。智能电能表原理框图如图1所示。

　　微控制器采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F427，它具有16kB FLASH和1kB RAM，自带有128段LCD驱动器。计量部分用ADI公司的专用电能计量渗片ADE7755 。射频读写接口芯片选用PHILIPS公司读写器专用芯片MF RC500，射频卡选用低成本无源型Mafare MF1卡。存储部分采用E-PROM存储器AT24LC16,实时时钟采用MAXIM公司的带温度自动补偿的DS3231。锂电池用于保证在电网断电时电能表的n1常运行。掉电监测单兀采用MAX705实时监控线性电源网络的工作情况。负荷控制部分采用上海贝斯特公司的BST-902-(50)A型磁保持继电器控制负载的通断。电能表与卜位机的信息交互采用近红外光电通信和远程HS485总线方式。电能表采用按键实现关键信息的杳询。

　　图1 电能表原理框图

　　2 硬件设计

　　2.1 电能计量部分

　　ADE7755 采用混合电路设计，模拟部分包括2个16 位Σ - Δ 模数转换器( ADC) 、1 个基准电路; 数字部分又称为数字信号处理模块，包括相位校正器、高通滤波器、乘法器、低通滤波器、数频转换器等。混合电路设计结合了模拟电路和数字电路的优势，高精度16 位Σ - ΔADC 保证了信号的线性度与准确度;而在数字域内进行相位校正、滤波、乘法运算、数频转换有利于提高运算结果的稳定性。因此，ADE7755芯片即使长期运行于极端恶劣的环境下，仍具有较高的稳定度和准确度，其准确度超过了IEC61036 标准提出的要求。

　　ADE7755 的计量电路如图2 所示。电压通过电阻分压网络后连接到ADE7755 取样的电压计量通道，电流通过锰铜片后送入ADE7755 的电流计量通道，ADE7755 的线性度为1‰，保证了计量的准确性。CF 频率输出端经过外接滤波电路与MCU 的IO 口连接。ADE7755 设定了一个最小输出频率，当负载产生的输出频率低于这个规定的最小输出频率，F1、F2和CF 将不会输出任何脉冲，这个频率是满量程输出频率对应的F1-4的0.0014%。电能表的脉冲常数是1600imp/kWh，最大负载电流是40A，最合适的F1-4频率为13.6Hz，即S0=1，S1=1，SCF=0。

图2 电能计量电路

　　2.2 射频接口部分

　　MF RC500 是应用于13. 56MHz 非接触式通信中高集成IC 系列中的一员。该IC 系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13. 56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500 支持IS014443A 所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线( 可达100mm) ，接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A 兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A 帧和错误检测( 奇偶和CRC) 。此外，它还支持快速CRYPTOI 加密算法用于验证Ml 队RE 系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8 位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性，特别适合在三表中的应用。

　　RFID是电能表实现预付费的工具，借助RFID技术，我们可以很容易的实现电能表的预付费。利用MF RC500 芯片作为RFID 中的读值和减值。由于单片机的总线不外扩，所以不能把MF RC500 直接作为外部存储器操作。对此，笔者采用模拟总线的方式与MF RC500 进行通信。如图3 所示为MF RC500 芯片与MSP43O 的连接简图。这里选用P6 口与MFRC500 的DO-D7 相连。Pl. 6 接READ，Pl. 7 接WRITE，Pl. 4 接ALE ，P2. O 接RSTPD 等。天线部分采用数据手册上推荐的天线。

图3 MF RC500 芯片与MSP430 的连接简图

　　3 软件设计

　　3.1 主程序流程

　　软件是电表的灵魂所在。电能表需要完成电能计量、费率和时段控制、查询、显示、电费充值、负荷控制、事件记录、测试输出等功能。电能表软件设计主要采用C 语言，采用模块化编程思想，主要包括以下几个模块: 上电初始化模块、主程序模块、电量累计模块、数据存储模块、中断程序模块、LCD 显示模块、按键处理模块、费率处理模块、实时时钟处理模块、射频读写模块、通讯事件处理模块、负荷控制模块等。主程序流程图如图4 所示。

图4 主程序流程图

　　主程序检查脉冲中断子程序累计的用电量是否达到某个预定的值( 如0. 1kWh) 。到达则将此值记入累计用电量的单元。因为是复费率电能表，根据实时时钟切换费率，要按设定的不同时段将它们分别存入峰电量、平电量或谷电量单元，并按照需求显示电量以及相关数据。

　　3.2 射频卡读写流程

　　Mifare 卡与读写器天线之间的工作距离≤10mm，数据传输速率为106 kbit /s，完成一次读写的时间可小于0. 1s。该卡具有防冲突功能。整个电路( 除线圈外) 集成在一个芯片内。单片机首先对MFRC500 进行初始化配置，寄存器设置好后MF RC500就可以接收MCU 的命令执行操作，实现与Mifare 卡片通信了。Mifare 卡可以根据接收到的指令进行相应操作。但是单片机并不是通过简单的指令就可以读写IC 卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括: 1) 请求唤醒; 2) 防重叠( 防止多张卡片重叠造成的数据错误) ; 3) 选择卡片; 4) 密码认证; 5) 读写操作。单片机对Mifare 卡片的这一系列操作流程必须按固定的顺序进行。当有Mifare 卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序将开始进行上述一系列的操作。为提高处理和响应速度，程序设计采用单片机汇编语言和C 语言混合编程。中断服务程序采用汇编语言编写. 其它程序采用C 语言编写，调用PHILIPS公司提供的基本库函数实现各种功能。

　　4 抗干扰设计

　　由于电表的工作环境非常恶劣，常见的干扰源主要有: 瞬变及高频脉冲，低频脉冲，雷电，辐射电磁场，谐波与闪变等。作为一种非常重要的计量仪表，电能表在运行中要确保CPU 在十年内正常运转程序不跑飞，数据不丢失，芯片不异常复位，即使偶尔发生异常，系统要能够及时地从故障中恢复，所以必须从软硬件两方面进行细致的可靠性设计。

　　4.1 硬件抗干扰

　　1) 减小带宽，隔离系统的敏感部分: 如电量采集模块由于从电网中采集用户电量，其干扰非常多，可将它与电量计量电路单独金属封装，并保持一定的距离。

　　2) 采用压敏电阻: 电能表遭到瞬变干扰时，压敏电阻以纳秒级的速度极快响应，在过压期间形成一个低阻的分流器，能加强电能表抗电网瞬间浪涌冲击的能力。

　　3) 光电隔离: ADE7755 产生的脉冲信号通过光电隔离后再供单片机采集，可防止脉冲干扰信号窜入单片机。

　　4) 电路板抗干扰设计: ①模拟电路与数字电路分开; ②模拟地与数字地分开并单点接地; ③PCB板大面积铺地; ④CPU 芯片引脚不悬空; ⑤将有较大干扰的芯片放在距单片机较远的位置等。

　　4.2 软件抗干扰

　　1) 按键重复检测: 利用定时器进行重复检测，以40Hz 的频率对按键进行扫描，只有连续3 次检测到按键接口为低电平才认为发生一次按键事件。这样能够得到消抖之后的可靠有效信号，从而避免因干扰导致的按键误操作。

　　2) 指令冗余: 指令冗余就是在程序关键的地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写。它是使程序从“乱飞”状态恢复正常的一种有效措施，其前提条件要求PC 指针必须指向程序运行区，且必须执行到冗余指令。

　　3) 软件陷阱: 当乱飞的程序进入非程序区，通过软件陷阱的设定，即加入跳转指令，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，再进行错误处理，使程序重新纳入正轨。

　　4) 程序监视定时器( 看门狗) : 看门狗通过监视程序运行状态，判断程序是否进入死循环或出现程序“跑飞”现象，进而强迫程序回到复位状态。系统的主程序是循环结构，在循环路径上设置看门狗清零指令。

　　5 结束语

　　电能表的发展趋势是高精度、多功能和智能化。射频识别技术已经成为信息技术的生力军。本文的创新点体现在:

　　1) 将TI 公司的16 位MSP430 单片机应用于电能表设计，其超低功耗性能促进了“低碳经济”的发展;

　　2) 射频卡代替接触式IC 卡，寿命长，使用方便，数据传输安全;

　　3) 多功能。该电表能实现复费率、分时段计费、预付费、负荷控制、近红外抄表及远程RS485 总线抄表、掉电保护等功能。