射頻卡技術(shù)在數字式預付費電表系統中的應用

2004年7月A版

摘  要：本文介紹了一種基于射頻卡的數字式預付費電表系統，給出數字式電表的硬件和軟件結構。

關(guān)鍵詞：射頻卡；電表；U2270B；AD7755

引言

　　射頻卡是一種非接觸式智能IC卡，它是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù)，它是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行數據傳輸的，沒(méi)有接觸式IC卡的電氣觸點(diǎn)，因此，相對于傳統的接觸式IC卡具有可靠性高、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛應用。

　　我們用ATMEL公司TEMIC系列125kHz射頻卡的讀寫(xiě)基站芯片U2270B設計預付費數字電度表。

系統組成

　　整個(gè)系統由電表管理系統、射頻卡、射頻卡預付費數字電表三部分組成。電表管理系統用于用電管理部門(mén)對用戶(hù)發(fā)行電表射頻卡、用戶(hù)購電寫(xiě)卡、用戶(hù)購電信息管理。系統由微機、電表管理軟件、電表專(zhuān)用射頻卡讀、寫(xiě)設備等組成。它完成的功能有：電表射頻卡的初始化，可以設置、清除、更改密碼，將用戶(hù)的預購電度數寫(xiě)入用戶(hù)卡中，同時(shí)把用戶(hù)新購的電度數寫(xiě)入數據庫。電表射頻卡數據庫的維護包括查詢(xún)、刪除、轉帳和打印等。

　　射頻卡用于記錄用戶(hù)序列號、預購的電度數以及所配電度表的工作參數等信息。

　　預付費電表根據用戶(hù)預購的電度數為用戶(hù)供電，并準確記錄用戶(hù)的用電情況，在用戶(hù)預購的電度數將要用完時(shí)發(fā)出報警信息，若用戶(hù)在規定的用電范圍內未重新購電，電表將自動(dòng)切斷用戶(hù)電源，直到再一次用射頻卡寫(xiě)入預購電度數，并被確認才恢復供電。

射頻讀寫(xiě)系統的硬件構成

　　TEMIC系列射頻卡內有264bit的EEPROM，它分成8塊(block)。8個(gè)block中，block0是控制塊，用來(lái)控制卡的各種操作特性，如：同步信號、編碼方式、波特率、數據流長(cháng)度、加密和口令喚醒等功能的啟用關(guān)閉等；block1~bloc6是用戶(hù)塊，用來(lái)存放用戶(hù)數據和信息；block7是密碼塊，若加密功能不被啟用也可以作為用戶(hù)塊使用。

　　本系統設置基站工作在125kHz的載波頻率下，采用RF/32的傳輸波特率，Manchester編碼，使用Sequence Terminator同步信號，循環(huán)發(fā)送block1~block6的數據。在這樣的工作模式配置下，位時(shí)鐘周期ms =256ms。

　　本系統選用AT89S52單片機作為主控模塊，與TEMIC系列射頻卡讀寫(xiě)模塊、串口通信模塊和聲光提示電路共同構成了一個(gè)TEMIC系列射頻卡讀寫(xiě)器系統。系統硬件電路如圖1所示。

　　基站天線(xiàn)需要用戶(hù)自己繞制。一般用銅制漆包線(xiàn)繞直徑3cm、150圈即可，電感值為1.35mH。

　　載波頻率fosc典型值為125kHz，也可以由用戶(hù)自己設定。此頻率是由流入RF(15)引腳的電流值決定的，所以通過(guò)調節RF(15)和VS(14)引腳之間的限流電阻Rf1和Rf2的值就可以改變此頻率，具體的計算公式如下：

Rf1+Rf2=kΩ

當fosc=125kHz時(shí)，Rf1＋Rf2=110kΩ。

　　基站從射頻卡讀入的是經(jīng)過(guò)125kHz載波調制后的信號，它通過(guò)CIN電容耦合輸入到INPUT(4)引腳，經(jīng)過(guò)低通濾波器、放大器、施密特觸發(fā)器后，在OUTPUT(2)引腳輸出解調后的信號。低通濾波器的截止頻率由fosc決定，一般是fosc/18。INPUT引腳的耦合電容CIN以及HIPASS(16)引腳的去耦電容CHP的值決定了解調電路的高通特性，有利于更進(jìn)一步慮除干擾信號。CIN和CHP的值依據射頻卡的數據傳輸波特率的不同而不同，波特率為fosc/32下分別為：680pF和100nF。CHP與下限截止頻率的關(guān)系式如下：

Ri=2.5kΩ。需要注意的是，OUTPUT引腳輸出的信號只是經(jīng)過(guò)了解調，并沒(méi)有解碼，解碼任務(wù)要通過(guò)單片機編程完成。

預付費電表的硬件結構及軟件

圖2為數字式射頻卡預付費電表的原理框圖。

　　表頭電路選用了高精度電能計量芯片AD7755，采用脈沖輸出計量電量。在A(yíng)D7755中只有A/D轉換器和基準電路使用了模擬電路，其它所有的信號處理(如乘法、濾波)都是采用數字電路，保證了在各種極端環(huán)境條件下的穩定性和精確度。該器件具有以下特點(diǎn)：高精度，支持50/60HZ國際電工委員會(huì )521/1036標準，在動(dòng)態(tài)范圍500:l內誤差小于0.1%；AD7755在頻率輸出端F1和F2提供平均實(shí)功率；高額輸出端CF提供即時(shí)功率，可接口到MCU；在電流通道中的可編程增益放大器方便與傳感器接口；片內電源監控。表頭的CF端的脈沖輸出經(jīng)光電隔離后，與單片機的I/O口連接。其接口電路如圖3所示。

　　顯示部分由4位LED數碼顯示管顯示，采用動(dòng)態(tài)顯示模式，四只LED輪流點(diǎn)亮，每一位保持1ms，10ms后再次點(diǎn)亮重復不止。為了延長(cháng)LED的使用，數碼顯示管的顯示與控制由單片機I/O口直接驅動(dòng)。

　　射頻卡讀寫(xiě)部分電路與上面所述的售電系統射頻卡讀、寫(xiě)器大體相同。

　　用戶(hù)電源切斷電路采用磁保持繼電器及其驅動(dòng)電路，由單片機的IO口配合其通和斷，該電路的誤動(dòng)作率極低。

　　電源電路分為兩路，一路為表頭供電，一路為單片機及其所控制的電路供電，它們分別由220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩壓獲得，兩路電源各自獨立，不共地。

　　圖4為主監控程序流程因，在系統上電復位初始化時(shí)，先讀取電表數據存儲器EEPROM內的密碼、電度數等數據，并實(shí)現以下功能：

　　當電表工作時(shí)，只要有外部中斷發(fā)生，就立即執行外部中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序完成脈沖計數即用電計量功能。每次進(jìn)入中斷時(shí)，軟件脈沖計數器加1，當計數值達到標準計數值，則扣電標志置起，然后退出中斷程序。主監控程序查詢(xún)到扣電標志置起后，將在總電度數中扣除所用電度數。

結語(yǔ)

　　本文介紹的數字式射頻卡預付費電表系統，嚴格按照產(chǎn)品化的要求設計，用高精度電能計量芯片AD7755為電能測量單元，系統電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟。本系統已經(jīng)實(shí)際應用在溫州某非接觸式IC卡預付費電度表的售電系統中，實(shí)際應用表明，該系統在精度和可靠性上都能滿(mǎn)足設計的要求，系統運行良好，可靠性高?！?/P>

參考文獻：

1. 陳邦媛. 射頻通信電路. [M].北京：科學(xué)出版社，2002

2. 王愛(ài)英.智能卡技術(shù)—IC卡.[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2000