蓝热－毕业论文－基于IC卡工厂预付费电能表

蓝热－毕业论文－基于IC卡工厂预付费电能 本科毕业设计(论文)说明书 基于IC卡工厂预付费电表控制器的硬件研制 院(系) 电子与信息学院 专 业 信息工程 学生姓名 蓝 热 指导教师 陆 以 勤 提交日期 2007年6月15日 华 南 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论文) 任 务 书 兹发给 03级4 班学生 蓝热 毕业设计(论文)任务书，内容如下: 1.毕业设计(论文)题目: 基于IC卡工厂预付费电表控制器的硬件研制 2.应完成的项目: (1) 完成电能表的电能采集部分的电路设计。 (2) 对电能表的显示，要采用液晶显示。 (3) 对整个电能表的IC卡输入输出，完成接口电路。 (4) 电能表的处理器设计，完成对各部分单元的接口电路。 3.参考资料以及说明: (1)蒋焕文.电子测量[M],中国计量出版社，1998年. (2)刘必佐.电卡式电能表原理及其应用,天津科学技术出版社，2002年. (3)王滋庭.国外电子电能表发展动向[J]，电世界，2002年. (4)潘永雄,新编单片机原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.2. (5)朱灿.基于非接触式IC卡的读卡器的设计与开发[J],2006年4月. (6)陈启平. 非接触式IC 卡[J].煤矿自动化, 1999 年第2 期. (7) 4.本毕业设计(论文)任务书于2007年1月28日发出，应于2007年6月18日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组(系)、研究所负责人 审核 年 月 日 指导教师 签发 年 月 日 ii 毕业设计(论文)评语: 预付费电表是用电管理部门规范管理、防止拖欠电费贺偷电现象的重要手段。本论文在对国内外 IC 卡预付费电能表的现状进行分析的基础上，提出了一种基于AVR高端单片机ATMega16、非接触式IC卡和ADE7758电能芯片的预付费电能表的解决及实现方法。针对系统的设计任务及整体技术要求，提出了系统的完整解决方案对电能表硬件设计进行了详细的说明。 本文克服了以往预付费电表采用接触式IC卡，有机械磨损，以数码管显示，信息单一等缺陷。 作者收集资料丰富，善于学以致用，对问题分析详细，完成的工作量较大，具备电子设计的较深厚的基本功，动手较强。文章的结构合理，逻辑性强，文字流畅，符合本科生毕业设计论文规范。答辩过程中条理清晰，回答问题基本正确。本文达到本科毕业设计论文水平，同意通过答辩。 毕业设计(论文)总评成绩: 毕业设计(论文)答辩负责人签字: 年 月 日 iii 摘 要 摘 要 本文详细介绍了一款基于工厂的大型IC卡预付费电能表的硬件控制器。其采用高性能的AVR单片机ATMega16作微处理器，以AD公司生产的三相电能芯片ADE7758作全电子式的电能采集，采用图形点阵液晶RT12864显示，以非接触式IC卡作输入输出。此硬件控制器在现有预付费电能表控制器的基础上，采长补短，克服了以往预付费电表采用接触式IC卡，有机械磨损;以数码管显示，信息单一等缺陷。 本文先对硬件控制器所用到的元件、模块以及协议等作了细致的介绍，包括核心处理器ATMega16、ADE7758、RT12864模块及IC卡读写模块等。然后对课题作了方案的分析和选择，对系统结构作了模块化介绍。在单元电路的基础上，分别作了电路的设计和可行性分析，对其与微处理器的通信等作了说明和介绍。 本文在硬件控制器单元电路完成后，在其实验电路板上作了较细致的测试和结果分析，对其每部分电路作修正。结果表明，此硬件控制器的每一单元可以完全正常工作，整个控制器电路配上配套的电表控制程序，可以较为精确的测试电能，提供必要的信息给用户和供电部门。 关键词:硬件控制器，电能采集，非接触式，单元模块 I 电信学院学士学位论文 Abstract This paper describes a section of the large factory-based IC card prepayment meter hardware controller. It used high-performance AVR ATMega16 for microprocessors, the AD Company’s production of three-phase power for the whole chip ADE7758 Electronic Power Acquisition, Dot-matrix LCD graphical RT12864 indicate that the non-contact IC card for input and output. This hardware controller in existing prepayment meter controller on the basis of long-mining short, overcome the past prepaid meters using contactless IC card, mechanical wear; LED Display, a single information such defects. The article focuses on the hardware used by the controller components, modules and the agreement gave detailed briefing, ATMega16 including core processor, ADE7758、RT12864 and IC Card Reader module. Then the subjects were analyzed and the program of choice, the modular system structure was introduced. In circuit modules on the basis of the circuit were made to design and feasibility analysis, its microprocessors and communications, and other related issues and presentations. Based on the hardware controller circuit is completed, the experimental circuit boards made a more detailed test results and analysis, each part of its circuit for the amendment. The results showed that the hardware controller for each module can be completely normal. The controller circuits featuring matching meter control procedures can be more precise testing Energy, provide the necessary information to the user and electricity sectors. Keywords: Hardware controller, Power acquisition, Non-contact, Modules II 目 录 目 录 摘 要 ....................................................................... I Abstract ..................................................................... II 第一章 绪论 ................................................................ 1 1.1 课题研究背景及意义.................................................................................................. 1 1.1.1 IC卡预付费电能表的现状 ............................................................................... 1 1.1.2 IC卡预付费电能表的发展前景 ........................................................................ 2 1.2 课题任务综述 ............................................................................................................. 2 1.3 本章小结 ..................................................................................................................... 3 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 .......................................... 4 2.1 高性能AVR单片机ATMega16 ................................................................................. 4 2.1.1 ATMega16的特性 ............................................................................................. 4 2.1.2 ATMega16的引脚说明 ..................................................................................... 4 2.2 图形点阵液晶RT12864-3M ....................................................................................... 6 2.2.1 液晶RT12864-3M显示模块概述 ..................................................................... 6 2.2.2 模块引脚说明 ................................................................................................... 6 2.2.3 汉字显示坐标及RAM ...................................................................................... 7 2.3 时钟芯片DS1307 ....................................................................................................... 7 2.4 三相电能测量芯片ADE7758 ..................................................................................... 9 2.4.1 ADE7758特点及描述 ....................................................................................... 9 2.4.2 ADE7758引脚及功能 ....................................................................................... 9 2.5 非接触式IC卡及其读写模块 ...................................................................................11 2.5.1 非接触式IC卡.................................................................................................11 2.5.2 非接触式IC卡读写模块ZLG500 .................................................................. 12 2.6 光电耦合元件TLP521-4 .......................................................................................... 12 2.7 本章小结 ................................................................................................................... 13 第三章 系统概要设计 ....................................................... 14 3.1 系统需求分析 ........................................................................................................... 14 3.1.1 预付费电子电能表的一般功能需求 ............................................................... 14 3.1.2 工厂预付费电子电能表控制器的具体要求 ................................................... 15 3.2 方案选择及论证 ....................................................................................................... 15 1 电信学院学士学位论文 3.2.1 课题方案分析 ................................................................................................. 15 3.2.2 系统结构 ......................................................................................................... 17 3.3 本章小结 ................................................................................................................... 18 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 ..................................... 19 4.1 ATMega16微处理器单元 ......................................................................................... 19 4.1.1 ATMega16接口电路 ....................................................................................... 19 4.1.2 DS1307时钟电路 ............................................................................................ 20 4.2 基于ADE7758的电能采集系统 .............................................................................. 22 4.2.1 电能采集系统实现电路 .................................................................................. 22 4.2.2 ADE7758的电流采样 ..................................................................................... 23 4.2.3 ADE7758的电压采样 ..................................................................................... 23 4.2.4 ADE7758与微处理器的通信 ......................................................................... 23 4.2.5 ADE7758电能的计量 ..................................................................................... 25 4.2.6 ADE7758的校准 ............................................................................................ 26 4.3 输入输出单元 ........................................................................................................... 27 4.3.1 非接触式Mifare标准IC卡MF1 IC S50 ....................................................... 27 4.3.2 IC卡读写模块ZLG500 .................................................................................. 27 4.4 基于图形点阵液晶12864显示单元 ........................................................................ 29 4.4.1 RT12864-3M液晶描述 ................................................................................... 29 4.4.2 RT12864液晶与微处理器的接口 ................................................................... 29 4.5 数据存储单元 ........................................................................................................... 30 4.5.1 ATMega16片内EEPROM .............................................................................. 30 4.5.2 ATMega16片内EEPROM寄存器.................................................................. 31 4.6 负载控制单元 ........................................................................................................... 32 4.6.1 报警电路 ......................................................................................................... 32 4.6.2 工作指示及断电电路 ...................................................................................... 33 4.7 电源单元 ................................................................................................................... 33 4.8 本章小结 ................................................................................................................... 34 第五章 调试与结果分析 ..................................................... 35 5.1 调试平台 ................................................................................................................... 35 5.2 调试过程分析 ........................................................................................................... 35 5.2.1 电源单元调试 ................................................................................................. 35 5.2.2 微处理器单元调试 .......................................................................................... 36 5.2.3 显示单元调试 ................................................................................................. 36 2 目 录 5.2.4 电能采集单元调试 .......................................................................................... 36 5.2.5 EEPROM读取测试 ......................................................................................... 37 5.2.6 报警及断电电路测试 ...................................................................................... 37 5.2.7 IC卡输入输出单元的测试 ............................................................................. 37 5.2.8 时钟日历测试 ................................................................................................. 37 5.3 本章小结 ................................................................................................................... 37 第六章 总结及展望 ......................................................... 38 6.1 全文总结 ................................................................................................................... 38 6.2 研究展望 ................................................................................................................... 38 参考文献 ................................................................... 40 附 录 ..................................................................... 42 附录A 实物图片 ............................................................................................................ 42 附录B 测试实例图 ........................................................................................................ 43 附录C 电能表总实验电路板PCB及原理图................................................................. 44 附录D 电表模拟显示效果 ............................................................................................. 46 致 谢 ..................................................................... 47 3 第一章 绪论 第一章 绪论 随着电子技术的发展,信息时代的到来，计算机已广泛深入到各个行业, 其参与管理与控制的技术在各行各业越来越重要。其中IC卡以其存储容量大、保密性能好、携带方便、可反复使用等各方面的优点，在金融及其它领域中得到广泛的应用。IC卡预付费电能表在其基础上出现，是一种必然的趋势。 1.1 课题研究背景及意义 IC卡预付费电能表的出现，可以说是电能表发展的一个里程碑，其对用户特别是售电部门，产生的作用巨大。但是作为一个新型的产物，其发展及普及必然是一个长期的过程。 1.1.1 IC卡预付费电能表的现状 IC卡预付费电能表作为信息时代的产物，从技术上满足了飞速发展的电力工业对电能的计量以及对售电及用户用电的控制与管理提出的越来越高的要求，这些要求主要表现在以下几个方面: (1) 让用户先先付费购电,然后才能用电。让电能成为真正的商品，使电力工业的发展有了可靠的资金保障，对电能售出的回收不再存在拖欠等问题。 (2) 电力部门可以对用户用电进行定期的监控和检查，对偷电起到了有效的控制，对电表计量不准等问题有了可行的解决办法。 (3) 自动抄表及收费，不仅节省了大量人力物力，而且抄录的数据更多、更准确、更便于利用。IC 卡预付费电能表作为一种新颖的电能计量收费工具正越来越受到电力部门 [1]的欢迎。 国际上预付费电能表经过了投币、磁卡、电钥匙到IC 卡的发展过程。80 年代末，西欧首先推出了IC 卡预付费电能表, 它是IC 卡在电话、金融等领域后的又一成功应用。 [2]我国用于电能表的IC 卡1997 年为100 万张,1998 年达600 万张。目前国内生产IC 卡预付费电能表的单位较多，种类也多。按功能可分为: 预付费电能表、预付费复费率电能表、多功能电能表;按供电制式可分为:单相表和三相表;按计量原理可分为:机电式、全电子式;它们可适合各种类型的用户，可安装在普通用户、公司、环境照明、工厂等地方。目前市场上常见的为单一费率的IC 卡电能表, 有单相感应式IC 卡电能表和单相全电子式IC卡电能表。感应式IC 卡电能表是IC 卡电能表发展的过渡产物,全电子式IC 卡电能表则充分体现了电子技术的优点, 具有体积小、造型美观、精度高、长期使用误差不会改变等特点，它将电能计量和收费结合起来，是今后电能表行业的发展方向。 1 电信学院学士学位论文 1.1.2 IC卡预付费电能表的发展前景 从IC 卡电能表的使用情况看，虽然IC 卡电表在技术方面还存在一些问题，其发展和应用的过程中也遇到了很大阻力，但其顺应电表的发展方向，在解决电费拖欠问题方面的优点却使得其市场需求不断增大。因此，只要IC 卡电表的技术缺陷及其引发的社会问题能得以妥善解决，其发展前景非常乐观。针对目前IC卡电能表说出现的问题，其主要如下: (1) IC 卡电表最主要的技术缺陷即其有一个向用户完全开放的插卡口,从而易被攻击, 而非接触式IC 卡(又称射频卡)的出现解决了这一难题。非接触式IC 卡是国外近几年发展起来的新技术, 它成功地将射频识别技术和IC 卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源，它与读写器间无机械接触，避免了接触故障，它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击空及弯曲损坏等问题，射频卡使用时没有正反 [3]面。总之，非接触式IC 卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。 (2) 目前的IC卡电表显示主要采用齿轮式的计度器卡字和数码管显示，容易失灵，而且显示信息少，采用液晶显示可以完好的解决这一问题。现有简单的液晶可以完全通过单片机驱动显示，显示更多的字符和汉字信息。 (3) 全电子式电能表，其电路复杂，特别是对电能采集部分，导致其价格较普通感应式、半电子式电能表高出很多，对其普及造成很大的困难。但现有电能测量集成芯片的出现，可以很好的解决这个问题，现在的集成芯片制造公司开发生产了各种单相、多相电能测量芯片，简化了测量电路，增加了电表功能，大大降低其成本。 随着科技的不断进步以及新技术的不断涌现，各种技术的相互结合越来越普遍。而IC 卡电表也会随之更加完善。可以预计, 未来的一段时间内，在国内推广IC 卡电表及其收费管理方案是可行的，应该具有较为良好的市场前景。本课题正是在针对目前IC卡电表发展出现的问题提出的。 1.2 课题任务综述 本课题是基于IC卡工厂预付费电表控制器的硬件研制，所以主要的工作任务是在IC卡技术和电表硬件方面的开发。 IC卡技术是一种串行数据通信技术，实现数据的传输与交换功能，所以它首先是一个数据存储器。同时，根据IC卡与IC卡接口设备IFD (一般指由厂家提供的读写器及预付费电能表)之间通信的安全性要求，又分为存储卡、逻辑加密卡、及智能CPU卡。其中存储卡(如ATE24C01)的安全性最差,数据安全仅依赖于读写器的软件口令及算法加密;CPU卡由于具有控制信息交换的芯片操作系统COS，安全性最高，主要用于金融场合;逻辑加密卡的安全性介于两者之间,适合当前预付费电能表的工作环境，在当前电能计量 [4]IC卡中占据主导地位。对于应用于预付费电表的IC卡要求有的基本功能如下: 2 第一章 绪论 (1)智能控制功能:IC 卡电能表采用采样脉冲计数方式或是读取寄存器数据自动累计电量，对用户的用电量进行检测，同时可以对电压过压和电流过流等进行检测。 (2)预报警及断电功能:当用户IC 卡电能表中所剩电量小于报警电量时，能够给予用户报警提示，以便用户尽快购电;当用户购电量用完时，自动切断用户用电。同时在电压过压和电流过流时通过指示灯给出指示。 (3)显示功能:电能表具有显示单元，用户可以从电能表的显示单元获取有效信息，比如剩余电量，用电电量等。 (4)电量读取功能:用户每次将购电卡返读到IC 卡电表后，IC 卡电能表将自动把购电卡清零，把剩余电量、上月用电量等信息回写到电卡中。在购电时，售电部门可以通过 用户用电情况。 售电系统从购电卡中查询 (5)安全保护功能:采用加密卡作为购电卡，再通过IC 卡电表内的EEPROM存储密码，与加密卡相互做密钥认证,具有高度安全性，保证一张购电卡对应一个电能表,每次购电卡只一次输入有效。 (6)补卡功能:当用户购电卡丢失或是损坏时，可以通过售电网络为用户补发电卡。 对于电能表方面的主要任务，除了完成其基本要求之外，性能上要求对用电量进行准确的计量，再转换成脉冲或数据等方式输入单片机进行智能处理。智能电表大体上可以分为机电式和全电子式两种:机电式借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量;而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式，进行A/D转换，将采样值相乘并累计，计算用户的用电量。机电式智能电表成本较低，主要用于单相电度表，适合于居户使用;全电子式电表主要用于三相电计费,针对企业应用，本课题是基于工厂应用，考虑到其长期性及准确性，将采用全电子设计以适应其发展需要。 1.3 本章小结 本章介绍了IC卡预付费电能表的现状及其发展前景，对其发展中出现的问题及可行的解决方法作了简单的说明。并对IC卡预付费电能表作了功能上的说明，对课题研究提出了基本的要求。 3 电信学院学士学位论文 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 各种产品在实现过程中，离不开各种模块及元件的功能支持。一个功能的实现，都是由一个或是几个元件(或模块)通过某种方式实现的，下面就对电能表实现各种功能的元件和模块作简要的说明。 2.1 高性能AVR单片机ATMega16 AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。AVR系列单片机具有电路简单、故障率低，可靠性高、成本低、开发容易等优点，同时安全、高速、低耗、强大的性能使 AVR 单片机成为同类单片机中的佼佼者。AVR 的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR 单片机系列品种齐全，一般来说分为高中低三个档次，低档 Tiny 系列，中档 AT90S 系列，高 [5]档 ATMega 系列。 2.1.1 ATMega16的特性 ATMega16单片机时AVR系列中的高性能、低功耗的 8 位微处理器。其采用先进的RISC 结构，拥有131 条指令 ，而且大多数指令执行时间为单个时钟周期;32个8 位通用工作寄存器;工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS，而且可以全静态工作;其只需两个时钟周期的硬件乘法器是其一大特点。 ATMega16拥有16K 字节的系统内可编程非易失性程序Flash存储器，具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作;还具有512 字节的EEPROM数据存储器，可擦写100,000 次。 ATMega16具有两个有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器和其独立振荡器的实时计数器RTC，可进行精确的计数功能。另外，其8路10 位ADC是其在8位单片机中的一大特色。 ATMega16内部通信接口齐全，有一个面向字节的两线接口、两个可编程的串行USART、可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口，还有具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器和片内模拟比较器。工作于4.5 , 5.5V，32个可编程的 I/O可产生或吸收20mA的工作工作电流。 2.1.2 ATMega16的引脚说明 ATMega16单片机的引脚信息图示如下(图2.1)，两种封装，图(a)为40引脚PDIP封装;图(b)为44引脚TQFP封装: 4 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 (a) (b) [6]图2.1 ATMega16封装图 对照上面封装图所示，其基本引脚功能如下: (1) VCC 数字电路的电源; (2) GND 电源地; (3) 端口A(PA7..PA0) 端口A;做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。 (4) 端口B(PB7..PB0) 端口B;为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。 (5) 端口C(PC7..PC0) 端口C;为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。 (6) 端口D(PD7..PD0) 端口D;为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。 5 电信学院学士学位论文 (7) RESET 复位输入引脚;持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 (8) XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 (9) XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 (10) AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接;使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。 (11) AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 2.2 图形点阵液晶RT12864-3M 随着电子技术的发展，现今的液晶模块种类越来越多，集成度也越来越高，越来越多的电子电器都采用液晶作输出显示。采用液晶的显示，不仅外表更加美观，而且显示的信息更直接明了，液晶RT12864是初学者最常用的显示模块之一。 2.2.1 液晶RT12864-3M显示模块概述 RT12864,3M汉字图形点阵液晶显示模块(附录A图A1)，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。采用VDD，3.3V,+5V(内置升压电路，无需负压)，显示点阵为128列× 64行，可通过8位或4位并行/3位串行与MCU连接，此外还具有多种软件功能。 2.2.2 模块引脚说明 表2,1 显示模块引脚信息 引脚号 引脚名称 方向 功能说明 1 GND , 模块的电源地 2 VDD , 模块的电源正端 3 V0 , LCD驱动电压输入端 4 RS(CS) H/L 并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号 5 R/W(SID) H/L 并行的读写选择信号;串行的数据口 6 E(CLK) H/L 并行的使能信号;串行的同步时钟 7,14 DB0,DB7 H/L 8位数据线 15 PSB H/L 并/串行接口选择:H-并行;L-串行 16 NC , 空脚 17 /RET H/L 复位 低电平有效 18 NC , 空脚 19 LED_A , 背光源正极(LED+5V) 20 LED_K , 背光源负极(LED-OV) 6 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 对照液晶显示模块引脚1,20，信息如下表(表2,1):逻辑工作电压(VDD):4.5,5.5V;电源地(GND):0V;工作温度(Ta):0,60?(常温) / -20,75?(宽温)。 2.2.3 汉字显示坐标及RAM (1)液晶模块可以显示8×4的汉字信息，其显示坐标如下表(表2,2): 表2,2 汉字显示地址 Y坐X坐标 标 Li80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 8ne1 7H Li90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 9ne2 7H Li88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8ne3 FH Li98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9ne4 FH (2)文本显示RAM(DDRAM) 文本显示RAM提供8个×4行的汉字空间，当写入文本显示RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型;ST7920A可以显示三种字型 ，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型。三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，各种字型详细编码如下: ? 显示半宽字型 :将一位字节写入DDRAM中，范围为02H-7FH的编码。 ? 显示CGRAM字型:将两字节编码写入DDRAM中，总共有0000H，0002H，0004H，0006H四种编码。 ? 显示中文字形:将两字节编码写入DDRAMK ，范围为A1A0H-F7FFH(GB码)或 [7]A140H-D75FH(BIG5码)的编码。 2.3 时钟芯片DS1307 ,ICDS1307是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，它是一款总线接口的时钟日历芯片，采用两线与CPU进行通信，片内含有8个特殊功能寄存器和56bit的SRAM。 其主要技术性能指标如下:具有秒、分、时、日、星期、月、年的计数功能，并且具有12小时制和24小时制的计数模式，可自动调整每月的天数，具有闰年调整的功能，具 [8]有自动掉电保护和上电复位的功能。 (1) DS1307的引脚功能 7 电信学院学士学位论文 DS1307的引脚图如图(图2.2)所示，8引脚双列直插DIP封装，各引脚功能如下: ? Vcc:主电源;GND:逻辑地。 ? Vbat:备份电源。当Vbat>Vcc+0.2V时，由Vcc2向DS1307供电;当Vbat< Vcc时，由Vcc向DS1307供电。 ,,ICIC? SCL:总线时钟线;SDA:总线数据线。 ? X1，X2分别为晶振的输入输出。 图2.2 DS1307的引脚信息 (2) DS1307的内部寄存器 DS1307有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器(读时81h,8Dh，写时80h,8Ch)，存放的数据格式为BCD码形式。 小时寄存器(85h、84h)的位7用于定义DS1307是运行于12小时模式还是24小时 AM/PM模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。 秒寄存器(81h、80h)的位7定义为时钟暂停标志(CH)。当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1307处于低功耗状态;当该位置为0时，时钟开始运行。 控制寄存器(8Fh、8Eh)的位7是写保护位(WP)，其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 (3) DS1307电路设计 DS1307采用与CPU进行通信，电路连接简单。DS1307的内部振荡电路结构如图(图2.3)所示，在芯片内部连接有两个电容，目的是为了使晶振起振，所以在电路设计中就不需要另外再加电容了，其中晶振采用的是32.768kHz，经内部电路分频后可获得一个标 ,IC准的秒脉冲信号;电阻R_SCL、R_SDA是总线的上拉电阻。 8 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 [9]图2.3 DS1307的内部振荡电路 2.4 三相电能测量芯片ADE7758 ADE7758是一款高精度的电能测量芯片，支持IEC60687、IEC6l036、IEC61268、IEC62053 21、IEC62053—22、IEC62O53—23。可以测量三相3线制、三相4线制等三相电能的测量，精度达0.1级，动态范围可达1 000:1。芯片可测量有功、无功、视在电压、电流，两路脉冲输出，一路为有功功率，另一路可选为无功或视在功率。 2.4.1 ADE7758特点及描述 ADE7758是一款高精度的三相电能测量芯片，集成有一个串行接口和二路脉冲输出。ADE7758 内集合了Σ- Δ的 ADC数字电路、 叁考电路、 温度感应电路和信号处理，可进行有功、无功、视在功率的计算以及数字方式校正相序。ADE7758 可以测量有功、无功、视在等多种状态的三相电路, 比如威伊或三角州服务,三或四线制电路。 ADE7758 提供系统的校正功能如:有效值偏移的校正、相位和功率的校正等。引脚APCF 的逻辑输出给出了有功功率的信息，引脚VARCF 的输出提供了瞬时复功率和视在功率的信息。ADE7758 具有一个波形取样寄存器，其值来自于ADC 的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的监测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中的任一相过零监测是同步进行的，过零监测的结果可用于测量三路电压输入中任一路的周期。ADE7758内部具有一个波形采样寄存器，允许存取ADC的输 [10]出。 2.4.2 ADE7758引脚及功能 ADE7758是一款24引脚的SO封装，其引脚信息如下图(图2.4): 9 电信学院学士学位论文 [11]图2.4 ADE7758引脚说明 引脚功能说明: (1) APCF:有功功率校正频率逻辑输出引脚。该引脚的输出主要用于校准和操作的目的。满刻度输出频率可以写入APCFNUM 和APEFDEN 寄存器中。 (2) DGND:ADE7758 数字电路部分参考地端，例如乘法器、滤波器、数,频转换器的地端。由于ADE7758 中的回路电流很小，可以直接跟整个系统的模拟地端AGND相连，但是DOUT端的大总线电容产生的数字噪声电流可能会影响其性能。 (3) DVDD:数字电源。该引脚为ADE7758 数字部分提供电压源。电压维持在5V?5%。该引脚可用一个10μF 的电容和一个100nF 的瓷片电容并联后进行去耦合。 (4) AVDD:模拟电源端。该引脚为ADE7758 模拟部分提供电压源。电压维持在5V?5%。该引脚应该采用正确的去耦方法，尽量减小电源波动和噪声。该引脚用一个10μF 的电容和一个100nF 的瓷片电容并联后，再连接到AGAND 引脚来去耦合。 (5),(10) IAP，IAN;IBP，IBN;ICP，ICN:电流通道模拟输入。这些输入是全差动电压输入，最大的差动输入信号为?0.5V，?0.25V，?0.125V。根据内部放大器的增益选择，来设定输入电压的最大值，增益选择放大器的增益由PGA 寄存器来设定。所有的输入引脚均能承受?6V 的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。 (11) AGND:模拟电路部分的参考地端。该引脚为内部的ADCS、温度敏感元件、参考电压端等部分的参考地端。该引脚应该连接到系统的标准模拟地或者干扰最小的接地参考点。干扰最小的接地参考点应该跟所有的模拟线路相连。为了减小ADE7758 的地端噪声，模拟地端应该和数字地端只用一个点来连接。也可以把整个器件都安放在模拟接地面上。 (12) REFIN/OUT:该引脚是片上基准电压。 片上基准电压标称值为2.5V?8% 。外部参考端也可以与该脚相连。无论是否连接外部参考电压端，该引脚都应该用一个1μF 的瓷片电容跟AGND 端连接以去偶合。 (13),(16) VN，VCP，CBP，VAP:电压通道的模拟输入。这些输入是单端电压输入，最大信号电压为?0.5V，(相对于VN 端)。可以通过内部寄存器PGA选择输入信号的最大值为?0.5V，?0.25V 或者?0.125V。所有的输入引脚均能承受?6V 的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。 (17) VARCF:复功率校准频率逻辑输出。通过设置WAVMODE 寄存器的VACF 位来选择输出复功率或者视在功率。该输出常用于电能表的校准。满刻度输出可以通过写入VARCFNUM 和VARCFDEN 寄存器的数值来调节。 (18) IRQ:中断请求输出。低电平有效的开漏极逻辑输出端。可屏蔽的中断包括:有功能量寄存器和视在功率寄存器半满和波形采样速率达到26kSPS。 (19) CLKIN:数字信号处理ADCS 的主时钟。最高为15MHZ。可以用一个外部时钟 10 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 信号来提供时钟输入，也可以在CLKIN 和 CLKOUT 端并联一个AT 晶体来提供时钟信号。应该根据晶体的参数确定所需要的负载电容值，接一个几十PF 的瓷片电容到振荡门电。 (20) CLKOUT:当外部时钟提供或者连接一个晶体时，该引脚能驱动一个CMOS 负载。 (21) CS:片选信号，低电平有效。这时ADE7758 与数据总线接通。 (22) DIN:串行接口的数据输入端。在串行口的时钟信号SCLK 的下降沿输入数据。 (23) SCLK:串行时钟信号输入端。所有串行数据被该信号同步。该引脚具有施密特触发输入，以适应速度较慢的边沿变化时间。 (24) DOUT:串行口的数据输出端。在SCLK 信号的上升沿数据从该引脚传输出去。在没有数据的时候该引脚为高阻抗状态。 2.5 非接触式IC卡及其读写模块 非接触式IC 卡,又称感应卡、射频卡，是近几年来发展起来的一项新技术，它成功地将无线识别技术和IC 卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和非接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。与传统的接触式IC 卡相比较，它继承了接触式IC卡的优点，如容量大,保密性好，又克服了接触式IC卡的诸多弱点，如机械故障率高,操作不方便， IC 卡芯片寿命低等。在IC 卡的应有领域里又向前迈进了一大步。因此，非接触式IC 卡一经问世,就在全球范围内受到广泛的关注,并且迅速在很多领域得以推广和应用，充分显示了它良好的应用前景。非接触式IC 卡由IC 卡芯片、感应天线组成，并完全密封在一个标准的PVC 卡片中，与接触式IC卡的芯片相比，不容易受到外界的不良因素影响。例如:污染,划伤,磨损,静电等。使用寿命完全能接近IC 卡芯片的自然寿命，因而卡本身的使 [12]用频率和期限大大高于接触式IC 卡。 2.5.1 非接触式IC卡 (1) 非接触式IC卡技术参数 -10536-1标准(54mm×86mm ×0.76mm)，即一般非接触式IC卡其尺寸大小符合ISO 信用卡尺寸，便于携带;工作时无需电源，在10cm以内均可通过读卡器，以无线电磁感应工作，其工作频率为13.56 MHz。 非接触式IC卡内通过EEPROM存储数据，其内EEPROM可分成16 个不同区域,每个区分4行,第1 、2 、3 行有16 个字节的可读写存储器,第4 行是密码区,有一个12 个字节的密码,只读。每张卡有1个不可更改的32 位卡号;对卡内数据的读写，需要通过次互感鉴定符合ISO-9798-2标准，其读写寿命长(大于10万次)，读写错误率低(小于1/133000次)。 (2) 非接触式IC卡特点 11 电信学院学士学位论文 其运行速度快，数据传送率可达100kbps ,一般1张卡的操作时间小于0. 3s。其内部存储器分区，可一卡多用，卡的16 个区域可应用于不同的应用领域,每区能独立而且有有独立的密码。卡抗干扰性强，每张卡均有1 个32 位的独特系列号,不可更改,允许同时多卡操作，系统内卡与读写器之间无任何物理接触,设备机械故障率低，使用时无须固定方向插卡,快捷简便。 2.5.2 非接触式IC卡读写模块ZLG500 (1) ZLG500读写模块的特征 采用最新PHILIPS 高集成ISO14443A 读卡芯片MF RC500，采用三线SPI 接口，能与任何MCU 接口连接，能读写RC500 内EEPROM。有发光二极管和无源蜂鸣器指示模块当前状态，蜂鸣器信号输出能用软件控制输出频率及持续时间。 (2) ZLG500 IC卡读写模块实际尺寸41.5mm× 25.3mm，其引脚信息如下图(图2.5) 所示: 图2.5 ZLG500接口引脚 其中J1 为与天线的接口，J2 为与MCU 的接口。J1中，引脚1，3，5接地，引脚2，4为天线发送，引脚6为天线接受。J2中，引脚6，7，8为SPI通信接口，引脚5, 3接电源正负端，引脚4为模块复位，引脚1，2分别为蜂鸣器和发光二极管显示端。 2.6 光电耦合元件TLP521-4 TLP521是东芝生产的高速光电耦合元件，TLP521-4是四通道的光耦集成块，其内部结构如下图(图2.6): 12 第二章 IC卡预付费电能表的理论基础 [13]图2.6 TLP521,4结构图 由图可知，TLP521-4由四个发光二极管和四个光敏三极管构成4路光电耦合通道，其电流传输比率最小为50,，可以隔离有效值5.3KV，峰值7.5KV的电压，输出的三极管可以承受55V的电压。 2.7 本章小结 本章介绍了本课题硬件设计的各个单元所使用到的主要的元件，通过对其特点、性能以及功能等方面分别介绍了高性能的AVR单片机ATMega16、图形点阵液晶RT12864、时钟芯片DA1307、三相电能测量芯片ADE7758、光电耦合元件TLP521、非接触式IC卡及其读写器模块。这一章的内容为下面电路的设计实现提供了理论依据。 13 电信学院学士学位论文 第三章 系统概要设计 预付费电表从出现至今，已经经过了多个阶段的发展，从出现到过渡产品，再到相对成熟，不论从性能上还是功能上，都提高了很多，解决了许多的其发展过程中出现的问题。但是，面对社会需求在电能方面对电能表的需要，要求其具有更高的实用性和长期性等特点。 3.1 系统需求分析 3.1.1 预付费电子电能表的一般功能需求 早在1996年，经机械工业部批准，国内发布了机械行业标准“预付费电度表”(JB/T8382-1996)。随着技术的发展，IC卡预付费技术日趋成熟，为了更好地满足制造商和用户的需要，参照IEC，又制定了新的国家标准。 国家质量监督检验检疫总局于2001年10月8号批准发布了“IC卡预付费售电系统”标准(GB/T18460-2001)。该标准规定了IC卡预付费售电系统的组成、基本定义、基本功能和基本流程;规定了IC卡中的基本数据定义、数据传输方式、安全保证和管理流程:规 [14]定了电能表的计量和控制特性。 按照GB/T18460-2001的要求，预付费电子电能表应该具有以下功能: (1) 实现用户先买电后用电的功能 当电能表内剩余电量或剩余金额小于或等于系统所设定的报普电量或报警金额时，电表应该能够以声、光或其它方式提醒用户:当剩余电量为零或剩余电量为双方约定的允许的赊欠电量时，电表应该发出断电信号，并控制负荷开关自动切断。只有当用户输入新的购电量后，电能表才能自动恢复;输入的本次购电量与表内的剩余电量应该能够叠加。 (2) 具有显示电量的功能 电能表应该能显示累计所用的电量、剩余电量或剩余金额等信息。 当供电线路停止供电时，剩余电量或剩余金额以及其它需要保护的信息不能丢失。 (3) 具有读写IC卡的功能 用户将IC卡插入后，电能表除了可以读取卡上的信息，还应该自动将当前剩余电量或剩余金额、表的状态等信息返写到IC卡中，以供IC卡预付费管理系统查询。电能表应能接受由售电管理系统制做的检查卡的检查，并能将当前表的状态信息返写到检查卡中。 (4) 具有识别有效卡的功能 当用户使用非法卡或进行非法操作时，电能表应该能够辨其真伪，具有一定的防护功能，在撤消非法卡或进行非法操作以后，电能表应能继续正常工作而且不会丢失数据。如 [15]果用户原IC卡丢失，经过补遗操作后，电能表应能接受新补的IC卡，拒绝原IC卡。 14 第三章 系统概要设计 3.1.2 工厂预付费电子电能表控制器的具体需求 本课题所要求的预付费电子电能表的功能如下: (1) 全电子电能表 全电子电能表是利用电能测量集成电路对电压、电流采样信号进行计算处理，并输出 )信号或是转换成为数据存储，微处理器通过对脉冲计数或读与电功率成正比的频率(脉冲 取电量数据来计算所消耗的电量。 用户将写有己购电量的IC卡，通过与微处理器相连接的读写器，在微处理器的控制下，电能表将卡中的电量读出，并与表内的剩余电量叠加后写入EEPROM中，并且能自动将当前剩余电量、用电电量、电能表的状态等信息返写到IC卡中，供售电管理系统查 询。 (2) 非接触式IC卡 IC卡用于存放由售电管理系统写入的密码、用户信息、电能表常数、电量数等信息，I还能存放由电能表返写的累计用电量等信息，此IC卡摒弃以前采用的接触式IC卡，以非接触式IC卡作为用户用电电卡，不但提高了其安全性和准确性，而且不会产生机械磨损，延长其使用寿命。 (3) 读写卡器 读写卡器既要与IC卡进行通信，实现对IC卡的读写操作，又要与售电管理系统进行通信，实现预售电的功能，此读写器要与非接触式IC卡配套，而且要对应一个读写器对应一张IC卡，提高电表的安全性能。 (4) 液晶显示 显示部分采用先进的液晶显示，摒弃以前电表采用的齿轮卡字式或是数码管式显示方式，在技术上更加先进;内容上，显示的信息更多更清楚，用户可以从电表上获取更多的信息。 3.2 方案选择及论证 3.2.1 课题方案分析 经过课题的要求及分析，整个电能表主要可以由7个单元构成，分析如下: (1) 中央处理单元 中央处理单元用于完成电能计算、用电监测以及完成电量数据本地处理或协助数据的远程处理，其是电能表的核心，要求其性能强大，而且成本低及实用性好，有如下两种方案: ? 以C51系列单片机作为电能表的微处理器，其价格便宜，资料多，开发容易，但是性能一般。 ? 以AVR系列单片机作为电能表的微处理器，其性能优越，速度快，功能强大，但 15 电信学院学士学位论文 价格较C51稍贵，开发难度较C51大。 经分析，决定采用?AVR系列的ATMega16单片机作为电能表的处理器。其功能强大，I/O口驱动能力强，可以内部上拉，通过软件来设置I/O口作为输入或是输出，而且内置512个字节的EEPROM，省去了外置EEPROM调用的麻烦，不但节略了成本，而且提高了安全性，减少了电路设计上的难度。 (2) 用电量采集单元 电能采集单元是整个电表最重要的部分之一，它直接关系到整个电能表对电能的计量，其准确性及长期性是最重要的特性。考虑到的方案如下: ? 机电式，通过光电传感器读取转盘转数来计算用户的用电量。此类型电表的数据采集在原有机械感应式电表的基础上改造而成，对机械式电表的计量不准，有效时间短等缺陷没有克服，只是变换一种电能采集方式而已。 ? 全电子式电度表采用通过A/D测量电压电流值来计算用户的用电量;此种方式克服了机电式的特点，用采样电路对用电电路进行电压和电流采样后，在通过乘法积分电路对电能进行累计计算。此电路计算准确，没有机械式电表磨损的缺陷，但是电路复杂，而且用到的元气件多，成本高。 ? 通过集成电能测量芯片对电能进行计量，然后与微处理器通信处理数据。这是现有的全电子式电能表发展的趋势，采用集成的电能测量芯片，简化了电能表的内部电路，只需对芯片外围电路进行设计就可对电量进行测量，而且功能强大，可以测量有功、无功、视在等多种功率，还集成过流、过压等保护，并在芯片上集成专门的通信接口用以与微处理器通信，但是芯片价格较高，与微处理器的通信及校准较为困难，但实用性很强。 经分析，决定采用?集成电能测量芯片来制作电能表。经查找，AD公司生产的测量芯片ADE7758，它是一款专用的多功能三相电能测量，其功能强大，价格适中(50左右/片)。而且其SPI接口与微处理器匹配，方便通信，非常适合本课题的设计要求。 (3) 数据存储单元 数据存储单元用于保存用电量及其相关的数据，关系到用户及电力部门的利益，现有的方案如下: ? 采用外部EEPROM存储元件，通过微处理器的I/O口与外部存储器相连，存储与 2IC读取数据。适合的元件有采用协议通信的AT24CXX系列及三线SPI通信的AT93CXX系列EEPROM存储芯片。 ? 采用微处理器ATMega16的内部自带EEPROM存储器。其容量为512字节，完全可以满足电能表的需求。 选择采用?ATMega16的内部自带EEPROM，不但简化了电路，降低了成本，而且对数据的存取更简单，更安全。 (4) 显示单元 16 第三章 系统概要设计 显示单元用于显示电量及日期等必要的信息。参考以前的电能表采用的卡字式及数码管式的显示，其显示方式对于微处理器来说，占用资源大，工作功率较高，而且显示信息单一，方式落后。本课题决定采用12864液晶显示，其价格虽然较高，驱动较为困难，但是接口少，占用资源少，采用串行通信只需三个I/O口，而且可以显示大量信息，用户可以对电能表的信息一目了然。 (5) 负荷控制单元 负荷控制单元用于监测用户安全的、合法的用电，并在电能不足时发出报警，电量用完时断开用户用电，同时具有过流过压检测功能。本课题采用微处理器I/O输出，配合检测信息，用逻辑电平控制报警器的报警，并通过光电耦合隔离高电压，同时采用较高电压驱动电闸对用户用电进行控制。 (6) 数据交换单元 数据交换单元从课题中已经说明，采用IC卡作数据交换，在背景说明及电能表的发展中对现有电能表进行分析，为数据保密安全及使用寿命等方面考虑，采用非接触式IC卡将成为趋势。基于此，本课题将采用非接触式IC卡，但是由于其读写接口电路复杂，制作不易，本课题决定采用配套的读写模块作为数据交换的接口。现有的读写模块，其接 2IC口通信方式也是种类繁多，有双线、SPI、USB、USART及韦根协议的等等，由于前面的电能采集芯片ADE7758采用SPI与微处理器通信，这里考虑软件问题，采用具有相同通信协议的具有SPI接口的读写模块，可以简化了电路和软件的设计难度。 (7) 电源单元 电源单元用于对整个电表电路进行供电，有两种方式: ? 从三相电源中提取一相，直接采用变压器变压输出，再通过整流滤波，之后用集成稳压后输出所需电压。此钟电路结构简单，性能较好，价格低廉，而且纹波小，稳定性较好，但效率低。 ? 采用开关电源作为电能表供电电源。其重量小，拥有回路反馈，稳压性好，效率高。但是其电路复杂，纹波较大，价格较高。 本课题从成本及其性能上考虑，因其电源可以独立于电能表，决定采用线性稳压源做测试，产品中若从效率、寿命等方面考虑，用开关电源较好。 3.2.2 系统结构 通过上面的方案分析及论证，可以得出系统结构图如下图(图3.1)所示: 电能采集系统采用ADE7758电能测量芯片，用其对电量进行精确的测量累计，并发送给微处理器作数据处理;输入输出单元采用非接触式IC卡Mifare标准IC卡MF1IC S50作电能表与售电部门交换信息的媒介，通过与微处理器相连接ZLG500读写模块对其读写实现数据在电能表的输入输出;微处理器单元采用性能强劲的ATMega16单片机，对各个单元电路进行适时的处理，作出相应的操作;显示单元用LCD12864-3M显示相关信息， 17 电信学院学士学位论文 将电能表的信息直接呈现在用户的眼前;数据存储采用微处理器内部的EEPROM，安全可靠。 图3.1 系统结构图 3.3 本章小结 本章对IC卡预付费电表的功能作了基本介绍，并对课题的要求作了分析。在课题要求电能表实现的功能及要求上，对课题进行了多种方案的讨论分析，并从中作出最佳的选择。然后以最佳的方案作了整体的方案汇总，得出了整个电能表的系统结构，并对系统结构图作了说明。 18 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 目前的智能电子产品，一般都是以一个核心处理器为核心，配置实现各种功能的外围元件。处理器再通过软件程序的运行，与各单元外围电路进行通信，控制各部分正常的工作，下面就对采用ATMega16单片机作微处理器的IC卡预付费电能表作各单元电路的说明。 4.1 ATMega16微处理器单元 4.1.1 ATMega16接口电路 微处理控制是整个电能表的心脏，是决定电能表性能的关键因素。微处理器可以实现对采集的电能脉冲进行累计转换为实际用电量，可以完成对IC卡的数据和内存数据的读写控制，可以实现对显示电路、报警电路的控制，可以实现对磁保持继电器的驱动等功能。预付费电能表虽然属于普通的计量器件，但是由于微处理器的引入，对电能表的设计提出了较高的要求。 例如:由于电源等引入的强干扰信号很容易导致控制程序跑飞，从而引起不可预测的后果，比如剩余电量等重要数据的丢失或改变，甚至死机等等。另外，由于环境温度和湿度等因素的变化较大，因此，在选择微处理器时应该考虑功耗低、电磁兼容性好和可靠性高的微处理器。根据这些要求，我选择高端AVR单片机ATMega16作为微处理器。ATmega16 作为高档的 AVR，采用增强的 AVR 结构，其中 ATmega16 先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，使 ATmega16 的数据吞吐量可达16MIPS/16MHZ，完全可以胜任本电能表的要求。 ATMega16处理器的基本信息见第二章(2.1 高性能AVR 系列ATMega16单片机)，下图(图4.1)为微处理器与其他单元连接的接口电路图。 (1) 复位电路 )分别通过一个10K的电阻和10u复位电路采用简单的上电复位，复位引脚(引脚4 的电容和逻辑高低电平相连。在处理器上电瞬间，电容充电，复位引脚低电平复位;当电容充电完成之后，复位引脚呈高电平，处理器正常工作。其电路如上图引脚4连接所示。 (2) 晶振电路 晶振采用ATMega16处理器内部自带的精准晶振，可以通过烧写处理器熔丝设置频率为1MHz/2MHz/4MHz/8MHz中的一种。在本电路中设为8MHz，外部晶振引脚7和引脚8悬空。 (3) I/O接口连接 微处理器通过其I/O口与外围五个单元电路连接，对各部分电路进行控制。IC卡模 19 电信学院学士学位论文 块通过4线与单片机的PB2,PB4、PD2相连，采用SPI作为从机与微处理器通信;ADE7758电能采集模块有一个SPI通信接口、两路计数脉冲、一路中断与微处理器的PA0,PA4、T0(PB0)、T1(PB1)、INT1(PD3)相连。微处理器通过通信接口对ADE7758芯片进行设置，以T0、T1计数脉冲累计电量，中断口表明ADE7758的工作状态;液晶模块RT12864其片选、时钟、数据线引脚分别与PA5,PA7相连，微处理器通过此3个I/O端口来驱动 2IC液晶显示;时钟芯片DS1307通过双线的协议连接微处理器的两线TWI串行口;微处理器通过PC4,PC7，经光电耦合放大，控制负载报警电路工作。 图4.1 ATMega16接口电路 4.1.2 DS1307时钟电路 时钟电路采用时钟日历芯片DS1307作为精确的时钟,电能表的时钟显示程序从DS1307寄存器读取数据作时钟基准。其主要是以微处理器作主要硬件，所以把时钟归于微处理器单元。基于DS1307的时钟日历电路如下图(图4.2)。 2IC时钟芯片外接32.768KHz的晶振，引脚6(SCL)和引脚5(SDA)和微处理器的接口对应相连接，微处理器通过数据线SDA与芯片进行通信，对芯片DS1307进行寄存器的读写。 引脚3(VBAT)外接应急电源，在芯片断电时作为备用电源。当Vbat>Vcc+0.2V时，由Vbat向DS1307供电;当Vbat< Vcc时，由Vcc向DS1307供电; S1和S2为时钟设置按钮，直接与微处理器连接，微处理器通过扫描S1、S2连接的I/O口来判断按钮状态，用于设置日历时钟。 20 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 图4.2 时钟芯片DS1307电路图 22ICIC时钟芯片DS1307采用两线与微处理器进行通信，它们遵从协议，通信协议如下: (1) 只有在总线空闲时才允许启动数据传送。 (2) 在数据传送过程中当时钟线为高电平时数据线必须保持稳定状态不允许有时钟 [16]跳变，时钟线为高电平时数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。 微处理器对DS1307进行读写操作的时序如如下图(图4.3)所示: 图4.3 DS1307通信时序图 2IC(1) 起始信号(START):时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为 总线的起始信号。 2IC(2) 停止信号(STOP):时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为 总线的停止信号。 (3) 在时钟低电平时，数据发生变化;时钟高电平时，数据被读取，读取后时钟变为 21 电信学院学士学位论文 低电平，此后一段时间数据线保持不变，以便数据正确写到串口。 4.2 基于ADE7758的电能采集系统 4.2.1 电能采集系统实现电路 本课题的电能采集系统采用了基于AD公司生产的多相多功能电能计量芯片ADE7758的全电子式电能采集电路，对于芯片ADE7758，其基本信息见第二章(2.4三相电能测量芯片ADE7758)。 ADE7758的采用，简化了电能测量模块的设计难度。基于ADE7758设计的多功能电能测量表具有高精度、高稳定性、体积小、成本低等特性，具有市场推广价值。 其基本实现电能采样结构图如下(图4.4)所示: 图4.4 电能采集结构图 实现电路图如下图(图4.5)所示: 图4.5 ADE7758电能采集电路图 22 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 其实验电路板图片见附录A图A2。 4.2.2 ADE7758的电流采样 电流通道由三对差分电压输入，分别是IAP，IAN;IBP，IBN;ICP，ICN，该3对输入分别代表A、B、C三相。这三个电流通道最大的信号电压变化范围为?0.5V，电流通道内有一个8位的可编程增益放大寄存器(PGA)，通过设置其位0和位1，可以设定电流通道放大器增益为1，2 或4。前面提到，通道的最大输入电压变化范围为?0.5V，利用设置增益寄存器的位3 和位4，ADC 的输入电压可以设置为?0.5V，?0.25V，?0.125V。 上图(图4.5)以A相为例画出了电流采样的电路图(B相和C相与A相同)，电流信号来自电流互感器TA，R3、R9、C2构成的RC电路用来补偿相序，而该RC电路随时 C8主要构成一个低通滤波器，其频率定在4.8KHz。电会被开关S1短接，后面的R16、 流互感器TA，一般会产生0.1,1度的相角误差，不过这可以在ADE7758中的相位校正寄存器中得到校正(APHCAL、BPHCAL、CPHCAL)。 4.2.3 ADE7758的电压采样 电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP，VBP 和VCP。电压输入的最大变化范围为?0.5V。相对于VN 来说，电压通道也有一个PGA，增益为1，2 或4，可由用户编程设置PGA的位5和位6来决定。设定后，所有的输入通道的增益相同。 上图(图4.5)以A相为例(B相、C相同)，电压信号的输入，由接口电路直接与线性电压源相连输入。在电压信号到达芯片之前先被两个单电阻构成的衰减网络衰减，由C1和R2构成RC滤波器，虽然ADE7758的相电压输入可以承受6V的输入电压而不致损坏，但是信号最大值仍应不超过额定波峰0.5V。 4.2.4 ADE7758与微处理器的通信 三相电压、电流经过ADE7758测量计算后，可以转换为有功功率、无功功率、视在功率、复功率等(脉冲)信号输出，微处理器可通过ADE7758的串行口读写其上的数据或计数脉冲累计电量。如上图(图4.5)所示，ADE7758通过门电路与微处理器隔离相连，输入输出分别以DOUT和SCLK为例，其他引脚视输入或输出与DOUT或SCLK相同。 CSADE7758内有一个SPI串行接口，其接口由4路信号构成:SCLK，DIN，DOUT，。以SCLK的时钟输入作为数据传输的时钟信号。逻辑输入通过一个施密特触发器相连，允许有缓慢的上升或是下降沿。所有的数据传输和时钟同步，数据通过DIN在SCLK时钟的下降沿输入ADE7758，ADE7758内的数据通过DOUT在SCLK时钟的上升沿输出。CSCS是片选信号输入，一个下降沿到会重置串行接口和通信模式，在数据传输的整个 CSCS过程中，应该拉到低电平。在数据传输过程中，若给一个高电平会中断数据传输， CS串行总线呈现高阻态。如果ADE7758只是作为一个串行总线的驱动，应拉到低电平，所有已经开始的数据传输都会完成，不会中断。 23 电信学院学士学位论文 每个寄存器的LSB是传递的，因为在没有复位整个芯片时，通信模式不会改变。采用软件复位可以设置OPMODE[7:0]寄存器，其地址是13H。ADE7758可以通过设置几个片上寄存器实现其功能。寄存器上的数据的读写可以通过串口来完成。设置通信模式，ADE7758通过写通信寄存器实现，被写到通信寄存器的数据包含地址和下一个数据是读或是写的命令。因此，所有对ADE7758的数据读写，都是从写通信寄存器开始的。当断 [17]CS电、复位或是给一个下降沿的时候，ADE7758的通信模式都会重置。 (1) 通信寄存器 通信寄存器是一个8位的只写寄存器，最高位决定了下一个数据操作是读操作还是写操作，7位LSBs包含了寄存器的存取地址和完成一个数据读或是写，ADE7758一旦进入通信状态，下一条指令必须写通信寄存器。当ADE7758寄存器的LSB被寻址，一个数据的读或是写操作完成。 通信寄存器控制处理器和ADE7758之间的数据传输，所有数据传输都必须先写通信寄存器，写到通信寄存器的数据决定了下一步操作是读或是写操作和那一个寄存器被访问。其列表如下: 表4,1 通信寄存器 位地址 位标注 备注 0,6 A0~A6 通信寄存器的低7位指明数据操作的目标寄存器 7 A7 表明下一操作为读或是写操作，其中置1时为写操作，置0时为读操作。 (2) ADE7758的串行写操作 CSADE7758的串行写时序如下:在ADE7758处于通信模式时，片选输入低电平时，首先写通信寄存器，通信寄存器最高位置1，表示写数据到寄存器，其余7位为要写入的寄存器的地址。ADE7758将在下一个SCLK时钟下降沿开始写数据到寄存器，剩余的位数据将会陆续在时钟脉冲的下降沿写入寄存器。时序图如下图(图4.6)所示: [18]图4.6 ADE7758的串行写时序图 如上所述，写操作从写通信寄存器命令开始，接着才是写入数据。数据一次写一个字节到ADE7758寄存器。在一个字节写到串行口后，串行口将的数据写到ADE7758寄存器间有一个短暂的延时。在字节写到目标寄存器中，下一字节可以开始写到串行口，但是 24 第四章 IC卡工厂预付费电能表的硬件设计 这一字节不能完成写到寄存器的操作直到上一字节完全写到寄存器至少900ns之后(见下 CS图4.7中t6)。如果在写操作中数据传输失败(被置高)，字节将不会被写到目标地址。 目标寄存器最高有3个字节，因此在串行口的第一个字节将会写到目标寄存器的MSB。如果目标寄存器为12位，将会传输两个字节，这种情况下，第一个字节的高4位将被忽略，低4位将被写入作为12位数据的高4位。 (3)ADE7758的串行读操作 在从ADE7758读数据的时候，数据在SCLK时钟的上升沿从DOUT输出。读取数据 CS和写数据一样，必须先写通信寄存器。在ADE7758处于通信状态，片选置低，先写8位数据到通信寄存器。通信寄存器的最高位置0，表明下一数据是从目标寄存器读出。其余7位为要读的寄存器地址。ADE7758将在下一个SCLK时钟的上升沿输出数据，DOUT从高阻态转换为驱动数据总线输出，所有剩余的位数据将会陆续在时钟上升沿输出，串口在数据输出完成之后又将回到通信模式，DOUT将在最后一个SCLK时钟的下降沿转换为高阻态。读操作可能在数据传输过程中失败(比如CS被置高)，DOUT将会在CS的上升沿转变为高阻态。 当ADE7758的寄存器处于读取操作的时候，寄存器的整个数据将被传输到串行口。在多字节传输中，允许ADE7758改变片内寄存器而不用害怕数据被破坏。 当一个写操作后接着是一个读的操作时，读操作应至少在写操作发生后1.1μs，如果读命令在写操作1.1μ,内发生，写操作的最后字节可能会丢失。 其读操作的时序图如下所示: 图4.7 ADE7758的串行读时序图 4.2.5 ADE7758电能的计量 ADE7758在LINE CYCLE 累计模式下计量的有功/无功在同一周期，因此矢量方法很容易在外部MCU中实现。采用ADE7758做电能计量时，有功电能计量是通过MCU采集ADE7758的有功脉冲输出管脚APCF，然后MCU累加脉冲数;无功电能或视在电能计量是通过设定ADE7758让无功或/视在复用脉冲输出无功或视在脉冲信号，计量方法同有功电能计量一样。因为ADE7758只能输出两路脉冲信号，所以无功/视在复用脉冲输 25 电信学院学士学位论文 出设定只能为一种。 4.2.6 ADE7758的校准 ADE7758的校准有两种方法可供选择:?利用ADE7758的校表脉冲输出APCF/VARCF通过校表台来校准ADE7758，这种方式最为常用，生产厂家也都具备这些条件，但这种方式的缺点就是效率较低。?利用精密基准源，设置ADE7758工作在线路周期累计模式。这种模式的优点是效率高，校准比较快。 因为ADE7758的电压增益，电流增益都会对后续的有功/无功/视在能量有影响，所以ADE7758必须先校准电压增益，电流增益，ADE7758的校准要校准三相电压增益，三相电流增益，三相有功增益，三相无功增益，三相相位校准，视在电能门槛的校准。 (1) 电流电压校准 通过调整电压电流的增益可以弥补由于外围硬件电路的误差而导致计算的电压电流误差偏大。具体实现方法如下: ? 加入A 相VN=240V，电流Ib=1.5A。 ? 用实验板清零电压增益器AVRMSGAIN，电流增益寄存器IGAIN; ? 用实验板读取存器电压有效值AVRMS; ? 根据公式: 4800，256,, (4-1) AVRMSGAIN,,1，4096,,AVRMS,, 求出电压增益写入ADE7758; ? 用实验板读取电流有效值AIRMS; ? 根据公式: ,,1500，256,,AIGAIN,,1，4096,, (4-2) AIRMS,, 求出电流增益写入ADE7758。 (2) 有功/无功电能校准 为了控制电表的误差在规定的范围内以达到国标规定的电能表精度等级要求, 我们 希望能够逐步逼近的减小电表的误差,方法如下: ? 加入A 相VN=220V，电流Ib=1.5A; ? 用实验板读取有功增益寄存器初始值AWG0的数值; ?根据公式: 1AWG,AWG0，(,1)，4096 (4-3) 1，ER% 求出有功增益AWG 的值，写入ADE7758。 ? 改变电流，验证各点误差。(可控误差范围为: - 33% 报告

软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载