基于信息纽扣的预付费电度表的设计

摘 要：数字式预付费电度表目前主要采用IC卡，在性能方面存在一些不足。该设计所采用的智能卡是美国达拉斯半导体公司推出的一种智能化信息载体信息纽扣iButton。介绍利用信息纽扣组成预付费电度表的设计方法，重点描述信息纽扣的特点和使用方法，阐述相关的硬件和软件的设计方法。采用这种方案相对IC卡系统具有操作方便、稳定性高、便于携带、使用寿命长等特点。

关键词：电度表；预付费；信息纽扣；单总线

中图分类号：TP216文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)2204302

Design of Prepayment Watt-hour Meter Based on iButton

CHEN Wei,ZHAO Yuhong

(College of Electrical Engineerting,Nanhua University,Hengyang,421001,China)

Abstract：At present,prepayment Watt-hour meter mainly uses IC,there are some shortages in the performance.The intelligent card used in this design is iButton,iButton is launched by Dallas Semiconductor (Dallas Semiconductor Corporation) .The design method of the prepayment Watt-hour meter by using iButton is introduced in this paper,characteristic and operation guide of iButton are emphasized.Method of hardware and software designing are pared to IC system,this method has characteristics as easy operation,high stability,portability,long life and so on.

Keywords：Watt-hour meter；prepayment；iButton；1-wire

预付费电度表由于取代了传统感应式电度表需要人工抄表、工作量大、易出错等缺点已得到了广泛的使用。目前使用的、多为使用接触式IC卡作信息载体。接触式的IC卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据。存在机械磨损，触点易污染特别是操作不方便等缺点。

本文采用美国DALLAS公司生产的信息纽扣DS1991设计的电度表较好地解决了IC卡存在的携带不便、易受损坏等不足，并提高了系统的安全性和延长使用寿命。本文描述DS1991的特性和原理，并给出组成电度表的实现方法。

1 DS1991

多密钥信息纽扣DS1991是一种封装在纽扣型不锈钢外壳里的坚固耐用的自供电产品，内圈圆面为I/O数据线，外圈圆面为地线。外形见图1。DS1991采用一种特殊的单总线 (1-Wire)接口协议，通过单条连接线解决了控制、通信和供电，降低了系统成本并简化了设计。DS1991同其读写器的信息传递只需短暂接触即可完成，传输速率可达16.3 kb/s。而且每一个信息纽扣都有工厂光刻的独一无二的64位序列号。

DS1991是一款加密存储型信息纽扣，为用户的保密数据提供了可靠的保护措施。内部有密码保护存储区（1 152 b的可读写非易失安全存储器）和512 b非密码保护的暂存器。密码保护存储区又分为3个独立的密钥子区，每个密钥子区包括384 b，具有独立的64 b密码和识别码。对密钥子区的读写操作均需进行密码验证。512 b的暂存器主要用于加密数据的拷贝，能够保证数据的完整性。信息纽扣坚固的封装形式，具有防尘、防潮、抗震等特性，与DS1991配套的附件又使其可以装在塑料钥匙环上、图像身份证上、印刷电路板或任何其他表面平滑的物体上。

本设计的智能电度表选用DS1991信息纽扣为数据载体，保密性强、便于携带、不易损坏，只需在读写器触头上一碰，就可轻松完成交易。

2 硬件组成

本电度表采用信息纽DS1991作信息载体，以PIC单片机为核心组成，其硬件组成框图如图2所示。由PIC单片机、信息纽扣触头、存储器、计量模块、光电传感器、通信接口等部分组成。

DS1991三个密钥子区相互独立，具有独立的密码和识别码，存放卡类型、购电量、常用参数等。用户在管理部门购买的可用电量存放入信息纽扣相应存储单元中，在信息纽扣触头上触碰后传递给PIC单片机并且信息纽扣相应存储单元清零，PIC单片机将新购电量和原剩余电量相加得到新的剩余电量，存放于单片机和存储器中。专用计量芯片AD7755对模拟电压、电流进行采样并处理，其产生的脉冲输出频率与输入功率成正比，经光电传感器送入单片机的计数I/O口。单片机根据设置的脉冲量对脉冲进行计数，当达到电量显示的最低数位时，引发内部中断，存储器相应单元减1，并重新开始计数。当剩余电量不为0时，供电；当剩余电量为0时，切断供电。在本设计中当剩余电量为10时，将提示用户购电。信息纽扣触头与单片机的连线极其简单，只需单片机1根口线与其相连，外接1个上拉电阻即可。单片机选用PIC16F877，该机最大的特点是低功耗，35条单字节的指令，即保证了必要的指令效率也兼具了控制芯片成本和简化编程复杂度，同时集成多种外设，简化电路。计量模块选用AD7755，单稳选用CD4098,存储器选24WC256。用于实时保护数据和掉电保存数据。

数码管显示工作状态，剩余电量以及出错信息等。

3 软件设计

PIC单片机软件采用模块化设计，由主程序、各子程序、串行通信中断处理程序、外部和内部中断处理程序等组成。主程序完成初始化和各子程序的调用；内部中断处理程序完成计量控制；串行通讯中断用于实现与上位机的通讯。当 DS1991 触碰触头时通过单稳电路引发外部中断处理程序，实现DS1991与单片机的数据交换。

DS1991在单总线上的数据访问必须遵循如下协议：初始化ROM功能命令存储功能命令处理/数据。DS1991的ROM功能命令有4种：读取序列号命令［33H］；寻找与指定序列号匹配的DS1991［55H］；读取在线DS1991的序列号［FOH］；跳过64位序列号直接访问存储器命令［CCH］。DS1991的存储功能命令有6种：写数据到暂存器［96H］；读取暂存器数据［69H］；将指定的数据块从暂存器复制到选定的密钥分区［3CH］；读密钥分区数据［66H］；数据写入密钥分区［99H］；写密码［5AH］。DS1991读操作流程图见图3所示。

4 结 语

采用DS1991设计的智能电度表是以信息纽扣为数据载体，以单总线技术为核心，以单片机为控制器的应用系统。相对IC卡系统具有操作方便、稳定性好、便于携带、使用寿命长等特点。本装置适当改造同样适用于各类燃气表、水表等其他流量计量装置中。

参考文献

［1］刘启中.PIC单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

［2］陈蔚.信息纽扣用于公交卡读写器的设计［J］.电子技术,2005,32(10):33-35.

［3］崔伟，王建华,额日登布鲁格,等.一种新型单相多费率预付费电能表［J］.电测与仪表,2002(4):14-17.

［4］徐心睿.全电子式电能表的特点及其选用［J］.上海电力,2006,19(2):205-208.

［5］李景新，黄李,姜久春.无轨电车专用智能电能表的设计［J］.电测与仪表,2007,44(1):25-28.

［6］李友红.多功能电能表计量应用的现状与展望［J］.电测与仪表,2007,44(4):32-35.

［7］杜晓.基于CS5460A的单相多费率电能表的设计［J］.现代电子技术,2006,29(16):34-36.

［8］匡少龙，黄家兵.电子式多功能电能表在计量中的应用与管理［J］.安徽电力,2007,24(1):55-58.

［9］李峰.电子式电能表的结构及误差分析［J］.仪器仪表标准化与计量,2006(4):29-30,33.

［10］季汉涛，闫小静,孙繁欣.电能量自动抄表系统［J］.仪表技术,2004(2):36-38.

作者简介 陈 蔚 女,1968年出生，副教授，硕士。研究方向为计算机测控技术、仪器仪表等。