关于IC卡智能电表的模块设计与实现

【摘要】ic卡智能电表大量投入到楼宇的使用当中，其制作技术也逐渐成熟。本文将对IC卡智能电表的模块设计与实现进行浅析，从系统总体设计到模块化分析对IC卡智能表的设计进行整体剖析。

【关键词】IC卡，智能电表，模块，设计

中图分类号：S611文献标识码： A

一、前言

随着科技的不断发展，越来越多的智能化进入到人们的生活当中，电表作为生活中必不可少的计量工具势必应当得到智能化。目前我国IC卡智能电表已基本普及，其好处在于可远程操作，对用户的账户安全也有了保障等。因此，为了使IC卡智能电表更好的为人们的生活服务，我们应对其模块设计有所了解。本文将IC卡智能电表的模块设计与实现进行了阐述。

二、系统总体设计

1.智能IC卡电表的结构与工作原理

为了保证计量的精度并具备表计运行状态的自动化管理功能，将传统的电表机芯与高水平的测控电路集成在同一个表壳内，制作而成了现代IC卡智能电表，其可有效地防止人为破坏系统和私自开启IC卡控制系统导致的控制失灵行为。

图1 IC卡只能电表的总体结构图

在电子计量工作原理中，将西门子SLE4442IC卡控制器AT89C51单片机与智能IC卡电表相结合，构成具有智能IC卡控制功能的电表。仪表进入工作状态取决于用户插入IC卡或计量模块发出脉冲信号。首先，LCD液晶显示模块上由运算控制模块显示出存储在电能表数据模块中的用户电量剩余值。然后判断计量脉冲是否到来，若到来则启动计数及计算功能，对此时用电量进行计算，运算结束后得到这段时间用户消耗的电量。对于新的用户预购电量剩余值，是由上次用户预购电量剩余值减掉用电量后值所得。当用户预购电量剩余值低于某一设定值时，仪表会自动产生关闭开关指令，对用户停止电能供应，与此同时电表进入低功等待状态，用户需持IC卡向供电单位购电。

当用户将购电后的IC卡插入智能电表的IC卡接口中时，智能电表自动产生开启开关指令，若IC卡属于合法卡，智能表将对IC卡中存储的预购电量数据解密，并与之前剩余值相加得到新的用户电量剩余值，打开继电器开关，恢复对用户的电能供应，同时智能电表进入计量状态。用户通过按键可对预购电量剩余值和累计电量等数据进行查看，当用户电量预购剩余值低于某限定值时，IC卡智能电表将对用户发出提示。

2.系统的组成

智能IC卡电表主要由运算处理模块、LED显示模块、计量模块、看门狗电路模块、电源模块以及IC卡读写接入模块等部分组成。

三、系统的硬件设计与实现

1.单片机模块

本系统的主机采用AT89C52，即AT89C51的增强型，是由美国Atmel公司生产的CMOS 8位单片机，其具有低电压、高性能的特点。片内含有8KB可反复擦除程序存储器（ROM）与 12KB的随机存取数据存储器（RAM）。AT89C52单片机采用了Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，并与标准MCS-51指令系统相兼容，片内配置了Flash存储单元和通用8位中央处理器（CPU），其功能之强大可灵活运用于各种控制领域。AT89C52单片机具有如下特性：

a.片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

b.片内数据存储器内含256字节的RAM；

c.具有32根可编程I/O口线；

d.具有3个可编程定时器；

e.中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；

f.串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

g.具有一个数据指针DPTR；

h.低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

i.具有可编程的3级程序锁定位；

j.AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

k.AT89C52最高工作频率为24MHz。

2.计量模块

预付费表有全电子式预付费和机电一体的预付费表两类，其区别在于电能变换的元器件不同。电子式电表将电压电流进行A/D转换后将采样值相乘并累计，最终得出消耗电度数；机电式预付费表借用原感应式电表机芯，通过光电传感器读取转盘数，最终得出消耗电度数。目前一般采用全电子的预付费表，成本比机电一体的预付费表还低。

IC卡智能电表电能计量专用芯片CS5460A是由Crystal公司推出的用于测量电流、电压、功率的芯片，其具有精度高、性能强、成本低等优点，其增强设备可独立运行而无需微控制器。CS5460A具有2个增益可编程放大器、2个高速滤波器及2个调制器，可实现系统校准和有效值、功率计算功能，能提高顺势电压、电流、功率数据采集、VRMS、IRMS的周期计算结果。输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值应成正比，从而适应低价测量CS5460A，并在给定引脚上输出脉冲串，有较广的适应范围。CS5460A内部结构图如图2所示。

图2 CS5460A内部结构框图

微控制器连接在CS5460A的串行口上，通过此借口来接受微控制器发出的指令，在其控制下进行测量与数据传输。测量电表模块如图3所示。

图3 测量电表模块原理图

3.IC卡模块

本方案中选用了SLE4442芯片，由德国西门子公司设计2KByte的逻辑加密卡，是目前应用于电子消费卡、会员卡中最广泛使用的芯片之一，其具有32位保护存储器，有自动写保护功能。新编的串行接口标准符合ISO7816同步传输协议，并采用多存储器结构。其管脚图如图4所示。SLE4442的地址空间为0～255，具有256Byte的存储容量，为保证用户信息安全，设密使数据在密码核对前无法读取，所有数据在核对正确后才能写入和更改（其中包括密码本身）。

图4 SLE4442芯片引脚图

4.其他模块的设计

对整个系统时间进行计算的芯片采用DS1302、LCD12864液晶显示、4X4行列式键盘扫描、以及电源模块等。

四、具体模块分析

1.看门狗电路部分

电表系统主要采用电网供电，在运行过程中，有突然断电的可能性。如果突然掉电，会对内部存储器中的数据造成很大的影响，存在数据丢失的危险，因此需要采取措施保护单片机内部存储中累积的数据。主要采取的措施是使用掉电检测芯片，如IMP813L.该芯片内部包含两种电路，即看门狗电路和电压检测电路。主要是实现看门狗以及掉电检测功能。IMP813L属于微处理器监控芯片，它具有较高的性价比，以及优良的性能，且使用起来比较方便。如图中电路设计可以看出，该看门狗电路中具有一个高电平有效的复位输出，且WDI端作为看门狗定时器的输入端。如果1.6秒内，有相关信号进入WDI端，则看门狗定时器将被复位，重新开始计时。如果在这个时间段没有信号触发WDI端，则不会使看门狗定时器清零。在电路设计中，变压器输出整流后的电源与P引脚直接连接，当电网停电时，这里最先反映出来。在电压低于7V时，PFO的输出电平跳变为低电平，利用这个电平跳变作为信号出发MCU的中断，之后MCU迅速响应，并将RAM中的数据存储到数据存储器中。

图5 看门狗电路原理图

2.传感器电路部分

光电传感器是传感器中最常用也是最方便的传感器之一。其采用光电元件作为检测元件，将被测的变化转化为信号的变化，再利用光电元件将光信号转化成电信号。一般来说，光源、光学通路和光电元件三部分共同组成光电传感器。机电一体的预付费电度表采用本法，是较落后的方法，目前多采用计量模块。发光二极管的光照射在铝盘上时，可产生光电效应；当光照射在黑胶布上时则不能产生光电效应。这样周而复始的间断光电效应可实现电表的计量功能。

图6 传感器电路组成的计量电路

3.报警电路部分

本文采用发光二极管和蜂鸣器共同组成的声光报警器作为报警电路部分。将这两个元器件分别于AT89C52单片机的P25、P26引脚相连接，其中在高电平状态下二极管发光。当单片机工作电压不正常时，P25引脚的电压为低电平，经过反相器后电压变为高电平，后通过发光二极管时电压为高电平，因此二极管导通发光，并报警。蜂鸣器的报警系统与发光二极管相同，当P26引脚电压为低电平时，经过反相器后，电压为高电平通过蜂鸣器，后产生报警现象。

图7 报警器的部分电路

五、结语

IC卡智能表与传统的电表相比，具有更多先进的技术含量，且使用起来，具有较为精确且快速的计量模式。在如今电子技术飞跃发展的时代，未来的IC卡智能电表将具有更加明朗的前景。在本设计中，主要是将现代的智能技术与传统技术巧妙的结合起来，产生一个新的突破。设计使用的芯片是AT89C52，在整个设计过程中，让各个模块正常工作，实现电表计数。并且合理的应用智能提示警报系统。虽然整个电路设计比传统的设计具有更多先进的技能，但存在电路复杂的缺点。因此完善并简化智能IC卡电表是日后的工作重点和难点，不断方便人们的生活和工作。

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