基于數(shù)字信號處理器TMS320C5409的射頻IC卡智能電表的設計方案
1.引言
目前，供電部門電費的征收仍然采用人工上門抄表收費的傳統(tǒng)方式，已不能適應現(xiàn)代生活。原來的感應式電能表具有準確度低、適用頻率范圍窄、功能單一等缺點。因此新型電能表的研制也日益成為電力行業(yè)的迫切需求。我們研制了預付費的射頻IC卡智能電表。這種電表采用美國德州儀器公司（TI公司）的TMS320C5409定點數(shù)字信號處理芯片，具有自動計數(shù)、自動供電斷電、自動保存數(shù)據(jù)、自動報警、使用壽命長,實現(xiàn)電費的預付和分時段計費等特點,從而提高了電網(wǎng)效能，實現(xiàn)了用戶的合理付費。
2.系統(tǒng)硬件設計
圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖，主要包括TMS320C5409定點數(shù)字信號處理芯片、射頻IC卡讀寫電路、電脈沖檢測電路、內(nèi)存擴展模塊、LCD顯示模塊、電源電路等。
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2.1 TMS320C5409定點數(shù)字信號處理器
電表需要對輸入的電能信號進行實時采樣處理，并且由于解碼算法有較高的復雜性，就要求CPU應該具有高速的數(shù)字信號處理能力。根據(jù)這樣的要求，采用了TI公司的TMS320C5409定點數(shù)字信號處理芯片。該芯片采用先進的超級哈佛結構，多組總線結構實現(xiàn)并行處理機制，有獨立的累加器、乘法器和比例移位器實現(xiàn)復雜的算術運算，它還具有高效的片上外設，有一個可以用來與同一個系統(tǒng)中的其他芯片進行直接連接的高效全雙工的MCBSP；一個可以實現(xiàn)處理器之間通信的增強型的8位的HPI(主機接口);一個硬件16位定時器；6個獨立的可編程DMA(直接存儲器訪問)通道，可以在不影響CPU運算的情況下，在內(nèi)部存儲器、片上外設、外部存儲器之間傳遞數(shù)據(jù)。最有實際意義的是，他的性能價格比已下降到普通單片機的價格水平。
2.2 射頻IC卡讀寫電路
射頻IC卡系統(tǒng)由讀寫器和射頻IC卡兩部分組成。應用系統(tǒng)通過讀寫器對卡進行操作；讀卡器通過射頻信號同步進行近距離通訊，并為卡上芯片提供能量；射頻IC卡響應讀寫器的指令，并報告處理的結果。
射頻IC卡采用了ZLG500A芯片，讀/寫基站芯片選用Atmel公司的U2270B芯片，它們可以在5cm距離內(nèi)通過頻率為125Hz的載波通信，如圖2所示。
讀/寫基站將數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)EEPROM中。片內(nèi)EEPROM中用來存儲用戶1D號、IC 卡類型、IC 卡狀態(tài)、電表號、密碼、累積電量、剩余電量（金額）和當前時間等。
讀IC卡時，ZLG500A發(fā)送數(shù)據(jù)給MCU。MCU通過多次讀取比較來保證數(shù)據(jù)的正確性。
寫IC卡時，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)給ZLG500A，可以通過設置數(shù)據(jù)校驗的方法來保證數(shù)據(jù)可靠性。
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2.3 電脈沖檢測電路
使用集成電路CS5460將電阻分流器和電阻分壓器變換得到的交流電壓信號和電流信號轉換成頻率正比于用電功率的能量脈沖。電壓模擬信號由Vin+，Vin-輸入后由△∑模擬/數(shù)字轉換器進行轉換，轉換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計算器。電流模擬信號由Vin+，Vin-輸人后由另一路△∑模擬/數(shù)字轉換器進行轉換，轉換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后也送人功率計算器。功率計算器將兩路信號進行處理運算后輸出測量到的電壓、電流、功率等。所有這些數(shù)據(jù)由串行SPI接口和MCU進行數(shù)據(jù)交換。
2.4 LCD顯示電路
顯示電路采用LCM1602構成，顯示用戶的用電量和剩余電費，當輪流顯示鍵沒有按下時，顯示器一直實時顯示用戶的總用電量和所剩余的電費，當輪流顯示鍵按下時，顯示器將顯示用戶分時段的用電量，過后又恢復顯示總用電量和剩余電費。
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3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件由主程序和中斷處理子程序組成。主程序完成系統(tǒng)初始化和顯示處理的功能。中斷處理子程序包括電脈沖檢測子程序、電脈沖異常中斷子程序、IC卡檢測中斷處理子程序、通信處理子程序、上電自檢子程序和看門狗中斷處理子程序等。
3.1 主程序流程圖
主程序首先對各個模塊進行初始化，接著進入一個顯示處理狀態(tài)，然后判斷此時用電功率是否超過允許最大功率，如果超過了，則斷電，等待復位處理；如果沒有超過，則等待按鍵處理，并進入睡眠狀態(tài)，等待中斷喚醒。當中斷處理程序被觸發(fā)后，主程序立即進行中斷處理，之后再進入顯示處理狀態(tài)。
3.2 IC卡檢測中斷處理程序
當射頻IC卡需要讀寫時，系統(tǒng)將進入射頻IC卡讀寫子程序。首先程序對卡進行防沖突，選卡，認證等操作，然后MCU將卡中所存的電費與EEPROM中用戶所剩余的電費相加，并存入EEPROM中，最后將IC卡中的電費值清零。圖3為射頻IC卡讀寫子程序的流程圖。
3.3 電能計量中斷子程序的設計
電能計量子程序首先累計總電量，然后判斷當前值處于哪個計費時段，再累計相應時段的電能，并扣除相應的電費。在這里累計的電量和扣除的電費都是一個脈沖所代表的電能數(shù)和電費。圖4為電能計量中斷子程序的流程圖。
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4 結論
本文的創(chuàng)新在于，這種智能電表將數(shù)字信號處理器技術與射頻IC卡技術相結合，可以實現(xiàn)電費的預付和分時段計費，從而提高了電網(wǎng)效能，提高了居民用電收費的管理水平，具有很好的推廣價值。
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