基于无线识别技术的预付费电能表的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于无线识别技术的预付费电能表的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

,即应答器 ):由祸合元件及芯片组成 ,射频卡含有内置天线 ,用于和读写器天线间进行通信。 b、读写器 :读取 (在读写卡中还可以写入 )射频卡信息的设备。 c、天线 :在射频卡和读写器间传递射频信号。 有些系统还通过读写器的 RS232 或 RS485 接口与外部计算机 (上位机主系统 )连接 ,进行数据交换。 系统的基本工作流程是 :读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号 ,当 射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流 ,射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去。 系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号 ,经天线调节器传送到读写器 ,读写器对接收的信号进行解调和解码 ,然后送到后台主系统进行相关处理。 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性 ,针对不同的设定做出相应的处理和控制 ,发出指令信号控制执行机构动作。 不同的射频识别系统虽然在祸合方式 (电兰州理工大学毕业设计 6 感一电磁 )、通信流程 (FDX、 HDX、 SEQ)、数据传输方法 (负载调制、反向散射、高次谐波 )以及频率范围等方面有根本的区别 ,但所有的读写器在功能原理上 ,以及由此决定的设计构造上都很相似。 所有读写器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。 高频接口包含发送器和接收器 ,其功能包括 :产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量。 对发射信号进行调制 ,用于将数据传送给射频卡 :接收并解调来自射频卡的高频信号。 不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。 读写器的控制单元的功能包括 :与应用系统软件进行通信 ,并执行应用系统软件发来的命令。 控制与射频卡的通信过程 (主一从原则 )。 信号的编解码。 对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法 ,对射频卡与读写器间要传送 的数据进行加密和解密 ,以及进行射频卡和读写器间的身份验证等附加功能。 射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。 目前 ,长距离射频识别系统的价格还很贵 ,因此寻找提高其读写距离的方法很重要。 影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的 RF 输出功率、读写器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 Q 值、天线方向、读写器和射频卡的祸合度 ,以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。 大多数系统的读取距离和写入距离是不同的 ,写入距离大约是读取距离的 40%~80%。 典型的射频识别系统见图。 射频卡的电气部分 由天线和专用集成电路组成。 卡内的天线是几组绕线线圈 ,适合封装到卡片中 ,卡片的专用集成电路由一个高速的 RF 接口、一个控制单元和一个 EPROM 组成 射频卡的读写原理是 :读写器向射频卡发射一组固定频率的电磁波 ,在电磁波的激励下 ,LC 谐振电路产生共振 (卡内有 LC 串联谐振电路 ),从而使电容内有了电荷 :在这个电容的另一端 ,接有一个单向导通的电子泵 ,将电容内的电荷送到另一个电容内存储 ,当所积累的电荷达到 2V 时 ,此电容可作为电源为其他电路提供工作电压 ,将卡内的数据发射出去或接收读写器的数据。 图 射频识别系统原理图 兰州理工大学毕业设计 7 非接触 IC 卡读写器 非接触式 IC 卡是射频识别技术与 IC 卡技术的结合而出现的，自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。 由于具有安全性、智能性、较大存储容量、更好的应用环境适应性，读写设备简单，操作速度快等优点，其技术和应用发展十分迅速，当前在国内已大量普及。 可以相信，随着大规模集成电路和制造工艺的发展及开发工具的日渐成熟，非接触式 IC 卡必将在我国各个领域广泛应用。 我国现在已经开始在很多城市的公共交通、考勤、身份证、校园一卡通等行业大量使用非接触式 IC 卡，特别是其中的近距离识别卡得到 广泛应用，相应的读卡器也随之得到了较普遍的应用。 在现阶段国内使用的读卡器的核心射频电路读写芯片基本上都是使用 Philips、 TI、 ATMEL 等国外公司的专用集成电路芯片，特别是用 Philips 公司所生产的 RC500(Type A)或 RC531 (Type A 和 Type B) 芯片制作的读卡器占有较大市场份额。 这些射频芯片外围电路简单，设计方便，但由于该类芯片价格较贵，因此限制了一些对成本要求比较苛刻的场合使用而未得到较好的推广。 而随着国内某些行业在开始采用 ISO/IEC 14443 标准规定的 Type B 型近距离非接触式 IC 卡，因此对该类读写器的需求也在逐渐增加，读卡器生产厂家的竞争也在加剧，产品进入微利时期。 非接触式 IC 卡技术近年在国内的发展十分迅速，它可识别和跟踪几乎所有的物理对象，该技术已广泛应用在各个行业，逐渐改变和影响我们的生活。 其典型应用有： 身份识别。 电子标签可以嵌入到身份证、护照、工作证等各种证件中，用作人员身份识别，也可用在动物身上，便于种群保护等科学研究。 其一般都工作在 135KHz 以下或 ，因为这个频段对人体或动物影响较小。 如中国正在使用的第二代身份证就是 基于 ISO/IEC14443B 标准的 非接触式 IC 卡，该证件已在国内各大城市逐步发行，相应的读卡器也被指定厂家生产并在公安、银行等部门得到使用。 在这些读卡器中通常采用 Philips 公司生产的 RC531 或 TI 的 RIR6C 等射频读写芯片。 公共交通应用。 公交管理是在中国应用最早，且最成功的领域。 主要应用于公交车上的电子车票。 使用非接触式 IC 卡的电子车票具有防伪性高、结算安全、使用方便等特点。 现在，基本上国内很多省会城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合 ISO/IEC14443A 的 的非接触式 IC 卡，而读卡器的射频电路部分大多采用 Philips 公司生产的 MCM200 射频模块或 RC500 射频芯片。 兰州理工大学毕业设计 8 第二章 方案设计及硬件选择 方案选择 “ A/D 采样 +DSP+MCU”方案和“专用电能计量芯片 +MCU”为当前的多功能电能表的两种选择方案。 “ A/D 采样 +DSP+MCU”方案，经 A/D 对数据行进采样处理，再由 DSP 对采样得到的数据进行运算，然后 MCU 则专门负责电能数据的后续管理。 “专用计量芯片+MCU”方案，先由专用 计量芯片对电能采集及计算，接下来由 MCU 进行电能数据的管理。 事实上专用计量芯片也就等同于 A/D 采样 +DSP 的集成，所以可以说第二种方案实际上是在第一种方案的基础上升华得到的。 在专用电能计量芯片开始试用阶段，其计量精度及性能的限制使得实现起来不够灵活，所以电能专用计量芯片不能够广泛的运用到实际之中。 随着芯片 IC 技术的不断发展和进步，计量芯片的功能日趋完善，该芯片具有完善的模拟采样效验功能以及强大的数字信号处理技术，使得电能专用计量芯片的性能得到极大地提高。 国际上 Cirrus Logic、 ADI 公司等各大 IC 生产厂商相继推出了他们在电能表领域的专业的电能计量芯片。 例如 ADI 公司推出的 AD775X 系列、 Cirrus Logic 公司生产的 CS5460 系列等。 这些芯片组成的电能表都在广泛的应用。 近几年来几乎 50%以上的全电子式电能表生产厂商一般都是采用的解决方案都是使用这种“专用计量芯片 +MCU”双核结构多功能电能表。 性能优越、功能较为齐全是此结构下的电能表所具备的特点。 但数据传输的可靠性及核与核之间匹配及等多个方面的问题是双核模式不可避免的一些弊端，而且因为采用通用的 MCU，系统整体的 芯片数量比较多，电能表的成本下降的空间很小，这些给电子式电能表大范围的应用造成了比较大的阻碍。 在工业领域以及民用产品中， SOC 整体解决方案也正在逐步被使用，例如消费电子和精密仪器都使用了这种方案，这都要归功于超大规模的集成电路的设计水平与数模混合集成电路的制造工艺的迅速提高。 关于产品性能和可靠性，在整个系统中应用周边电路高度集成和多个核心组件后，使得产品体积的缩小、外围元件的减少与能耗的降低，除此之外更要的一点还有单个硅片上的元器件的高度一致性。 在 SOC 中，越来越多的数字信号处理单元（ DSP）在 SOC 之中取代了模拟元器件，使得长期工作稳定性和性能可能会比传统设计方案更加优越，这是因为整个产品关于如电磁环境、湿度、温度及长时间工作漂移等等条件变的敏感程度极低。 兰州理工大学毕业设计 9 电能计量芯片的设计领域随着时间的推移，集成度比以往更高的芯片也被许多大半导体公司也相继推出， ADI 公司的 AD71x 系列和 TDK 公司推出的 71M651x 系列都是典型的系列。 以 SOC 作为基础的电能表芯片处理体系在电能计量芯片单元与 MCU 进一步地集成的基础上逐渐形成，并且进一步集成的芯片还具有其它的功能模块，从而使多功能电能表软硬 件的实现被极大的简化。 之所以传统的实现方案没有被它大批量的取而代之，是因为由于工艺上的某些原因立足于单芯片 SOC 的电能表的实现方案还有各种各样的缺陷。 但是因为其性能的优越、成本的低廉、功能的丰富、系统的高度集成的优势，决定了未来电能表计的发展方向。 电能表系统硬件结构 电能表硬件结构如图 所示 ,整个系统由七大部分组成 :射频卡读写模块、电能计量模块、存储器模块、通讯模块、显示模块、电源模块以及继电器和声光报警等系统采用模块化设计思想 ,以 MCU为核心 ,将其他模块有机的整合在一起 ,形成一个统一的系统。 以下各节是系统各部分的具体设计方案。 图 电能表硬件结构图 控制芯片的选择 51 系列的单片机，即最常用的 AT89C52，优点是内部结构简单，价格便宜，缺点在于：无 PWM 输出功能，采用定时器配合软件使用。 因为 AT89C52 是我们最熟悉的器件， AT89C52 存储模块 24LC256 电能计量模块ADE7755 24LC256 继电器 报警 LED 射频读写模块 MF RC500 24LC256 通讯模块 RS232 通讯模块 RS232 扬声器 四位LED 电源模块 管理 微机 兰州理工大学毕业设计 10 用起来可以很好地控制和调试。 所以选择为 AT89C52。 AT89C52 的工作原理 AT89C52 提供以下标准功能： 8K 字节 FLASH 闪存， 256 字节内部 RAM， 32 个 I/O口线， 3 个 16 位定时 /计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 AT89C52 的芯片管脚及功能说明 AT89C52 管脚如图。 VCC 管脚为电源电压； GND 为地； P01 口 ~P07 口是一 组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“ 1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 FLASH 编程时， P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P10 口 ~P17 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门 电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 兰州理工大学毕业设计 11 图 AT89C52 芯片管脚 与 AT89C51 不同之处是， 和 还可分别作为定时 /计数器 2 的外部计数输入（ ）和输入（ ），参见表。 表 和 的第二功能 引脚号 功能特性 T2（定时 /计数器 2 外部计数脉冲输入），时钟输出 T2EX（定时 /计数 2 捕获 /重装载触发和方向控制） P20 口 ~P27 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口 P2 写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据 存储器时， P2 口送出高 8 位地址数据。 在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 口 ~ 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 P3 口除了作为一般的 I/O。