河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计.docx
- 文档编号:7580505
- 上传时间:2023-01-25
- 格式:DOCX
- 页数:62
- 大小:582.95KB
河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计.docx
《河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计.docx(62页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计
摘要
国家电网于2009年5月首次向社会公布“智能电网”发展计划以来,智能电网开始逐步的走进了人们的生活,智能电网作为未来电网发展的大趋势,在智能电网的改造和建设中,智能电力设备将会从中受益,智能电能表是智能电力设备中必不可少的设备,目前普遍采用的单相电能表技术虽然成熟,运行稳定,电能计量准确,但是其智能管理和安全保密性却很难满足智能电网建设和管理的需要,因此费控智能电能表的研发对智能电网的改造和建设具有重要的意义。
本文以低功耗高性能的ATMEL公司生产的Atmega16单片机为核心,配以ADI公司的高精度电量测量芯片ADE7755,SLE4442卡等外围电路设计的IC卡预收费电度表控制系统,采用硬件和软件相结合的方法,通过C语言编程实现IC卡在电表终端的持卡消费。
本系统所涉及的主要内容有:
IC卡的基础知识;硬件的选用、硬件设计和功能分析:
主程序、掉电中断子程序、AT24C02读写子程序、SLE4442卡子程序和显示子程序的软件设计以及数据安全设计。
通过对系统中涉及的硬件的选用和组合使整个系统的功耗和稳定性达到较好效果。
通过对IC卡的选用和内部存储器的合理分配以及对程序的合理设计增强了IC卡中数据的安全性。
关键词:
IC卡;电度表;ADE7755;单片机
Abstract
Sincethestategridfirstpublicizethedevelopmentplanof"smartgrid"inMay2009,Smartgridstepsintopeople'slifegradually,Smartgridasatrendsofgriddevelopmentinfuture,smartpowerequipmentwillbenefitfromthereformandconstructionofsmartgrid,smartelectricityisaindispensableequipmentofsmartpowerequipment.Thecurrentpoly-phaseelectricityalthoughhasthecharactersofmaturetechnology,stableoperationandpoweraccuracy,butitdefectsinsmartmanagementandsafetyconfidentiality,thereforethesmartelectricitywillhavetheimportantsignificanceofthereformandconstructionofsmartgrid.
Basedonlow-power,high-performanceproductionATMELCorporationAtmega16asthecore,coupledwithADI'shigh-precisionmeasurementofelectricitychipADE7755.ALE4442cardsandcardsandotherexternalcircuitdesignofICcardchargesmetercontrolsystem,Thecontrollingsystemoftheprepaidelectrodynamicmeterwith1CcardcombineshardwareandsoftwareknowledgeandaccomplishesconsumptionoftheelectrodynamicmeterterminalwithICcardthroughassemblylanguageprogramming.Mainprogram,brownoutinterruptsubroutine,AT24C02readandwritesubroutines,SLE4442cardanddisplaysubroutinesubroutinedesignandsoftwaredesignanddatasecurity,systemofthehardwareprimarilytoanalyzewiththefunction;Themainprocedure,theICcardbreak-sub-procedure,thecustomercardsub-procedure,thepulsebreak-sub-procedureandthedisplay-sub-proceduredesign.anddatasecurity.Thesysteminconsumptionandstabilityisoptinaleffectthroughselectionhardware.Thecard'ssecuritywithdataisenhancedthroughprogramminginreason.
Keywords:
ICcard;theelectrodynamicmeter;ADE7755;microchipcomputer
1引言
研究背景
IC卡是集成电路卡(IntegratedCircuitCard)的英文简称,在有些国家也称之为灵巧卡(SmartCart)、智慧卡(IntelligentCard)、微芯片卡(MicrochipCard)等。
将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。
IC卡的最初设想是由日本人提出来的。
1969年12月,日本的有村国孝(KarnatakaArimura)提出一种制造安全可靠的信用卡方法,并于1970年获得专利,那时叫ID(IdentificationCard)。
1974年,法国的罗兰•莫雷诺(RolandMoreno)发明了带集成电路芯片的塑料卡片,并取得了专利权,这就是早期的IC卡。
1976年法国布尔(Bull)公司研制出世界第一枚IC卡。
1984年,法国的PTT(PostsTelegraphsandTelephones)将IC卡用于电话卡,由于IC卡良好的安全性和可靠性,获得了意想不到的成功。
随后,国际标准化组织(ISO,InternationalStandardizationOrganization)与国际电工委员会(IECInternationalElectrotechnicalCommission)的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范,极大地推动了IC卡的研究和发展。
IC卡较之以往的识别卡,具有以下特点:
一是可靠性高──IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力,信息可保存100年以上,读写次数在10万次以上,至少可用10年;二是安全性好;三是存储容量大;四是类型多。
从全球范围看,现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域,而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。
目前在我国,随着金卡工程建设的不断深入发展,IC卡已在众多领域获得广泛应用,并取得了初步的社会效益和经济效益。
2010年,全国IC卡发行量约为2.3亿张,其中电信占据了大部分市场份额。
公用电话IC卡1.2亿多张,移动电话SIM卡超过4200万张,其它各类IC卡约6000万张。
2011年IC卡总出货量约3.8亿张,较上年增长26%;发行量约3.2亿张,较上年增长40%。
从应用领域来看,公用电话IC卡发行超过1.7亿张,SIM卡发行5500万张,公交IC卡为320万张,社保领域发卡为1400万张,其它发卡为8000万张。
尽管IC卡的发行量保持了较高的增长率,但市场销售额在IT市场中的比重还很小。
据CCID统计,2011年我国计算机市场销售额约2502亿元,而IC卡市场销售额不到21亿元。
IC卡市场还构不成我国IT业的亮点,对IT市场的拉动作用并不明显。
这一方面制约IT企业对IC卡技术的投入,另一方面,也预示着我国IC卡市场的巨大发展空间。
随着政府管理和支持力度的加大、技术研发水平的提升,IC卡市场竞争格局将发生深刻的变化。
由于高端芯片、核心模块、金融POS机、生产设备等被国外企业所掌握,造成国外品牌对一些细分市场的相对垄断。
随着政府智能卡项目的启动,移动通信市场的逐步开放,国内企业技术实力和工艺流程的优化,使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制,而国内品牌将会有快速的发展。
2010年乃至今,是我国IC卡应用向纵深发展的时期。
我国IC卡市场格局必将由无序走向有序,市场竞争必将由有限走向无限,IC卡市场将逐步走向成熟,进入微利时代。
在这种形势下,单纯的发卡量和新产品的数量并不能衡量IC卡产业与市场的发展水平,市场发展的程度最终取决于IC卡的应用水平及其带来的社会效益。
从可持续发展的角度讲,加强行业规范,推动IC卡企业由产品和技术型转向应用和服务型,将成为我国IC卡市场发展的重要趋势。
在此后的三十多年里,随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展,IC卡种类更加丰富,技术也更趋成熟,已在国内外得到了广泛的应用[1]。
根据镶嵌的芯片的不同划分为:
(1)存储卡:
卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-onlyMemory),以及地址译码电路和指令译码电路。
为了能把它封装在0.76mm的塑料卡基中,特制成0.3mm的薄型结构。
存储卡属于被动型卡,通常采用同步通信方式。
这种卡片存储方便、使用简单、价格便宜,
在很多场合可以替代磁卡。
但该类IC卡不具备保密功能,因而一般用于存放不需要保密的信息。
例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。
常见的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64。
(2)逻辑加密卡:
该类卡片除了具有存储卡的EEPROM外,还带有加密逻辑,每次读/写卡之前要先进行密码验证。
如果连续几次密码验证错误,卡片将会自锁,成为死卡。
从数据管理、密码校验和识别方面来说,逻辑加密卡也是一种被动型卡,采用同步方式进行通信。
该类卡片存储量相对较小,价格相对便宜,适用于有一定保密要求的场合,如食堂就餐卡、电话卡、公共事业收费卡。
常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428,ATMEL公司的AT88SC1608等。
(3)CPU卡:
该类芯片内部包含微处理器单元(CPU)、存储单元(RAM、ROM和EEPROM)、和输入/输出接口单元。
其中,RAM用于存放运算过程中的中间数据,ROM中固化有片内操作系统COS(CardOperatingSystem),而EEPROM用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。
CPU管理信息的加/解密和传输,严格防范非法访问卡内信息,发现数次非法访问,将锁死相应的信息区(也可用高一级命令解锁)。
CPU卡的容量有大有小,价格比逻辑加密卡要高。
但CPU卡的良好的处理能力和上佳的保密性能,使其成为IC卡发展的主要方向。
CPU卡适用于保密性要求特别高的场合,如金融卡、军事密令传递卡等。
国际上比较著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberger等
(4)超级智能卡:
在CPU卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源,即成为超级智能卡,有的卡上还具有指纹识别装置。
VISA国际信用卡组织试验的一种超级卡即带有20个健,可显示16个字符,除有计时、计算机汇率换算功能外,还存储有个人信息、医疗、旅行用数据和电话号码等。
1.2IC卡电度表发展现状
95年前,主要为电钥匙IC卡,以93C46和24C01为主IC卡为可擦写存储芯片(EEPROM)或一般存储卡,IC卡存储方便、使用简单、价格便宜,安全性不高,存在被破解的可能性,用户以物业小区为主。
95年~99年,主要为电话卡式IC卡,以存储卡(24C01)和逻辑加密卡(4442、4428)为主其中逻辑加密卡(4442、4428)的安全性得到进一步提高,内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑,在访问存储区之前需要核对密码,只有密码正确,才能进行操作。
用户从单纯物业小区扩展到电力行业管理部门,开始大规模普及使用。
98年~至今,主要为金融级IC卡,以CPU卡(CPU卡和SAM模块为加密介质)为主CPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机,内部除了带有控制器,存储器,时序控制逻辑等外,还带有算法单元和操作系统,存储容量大,处理能力强,信息存储安全等特性。
率先在北京供电局全面推广,并在河南、湖南等城市开始推广。
IC卡预付费电度表为电力部门的收费及抄表带来了极大的方便和收益,也为生产厂商带来了利润;作为IC卡预付费电度表各生产厂家应充分借鉴该案件所带来的众多思考,积极进行自我反思,防微杜渐,积极淘汰问题产品,做到对企业自身负责、对行业发展负责、对社会负责!
共同维护电度表行业的健康发展!
特点:
(1)不需要人工抄表,有利于现代化管理。
IC卡电表的使用避免人工抄表上门收费给客户带来的诸多不便,且历史购电数据均可以保存,便于客户查询。
(2)充分体现了电力的商品属性。
实行先买电后用电,客户可以根据自己的实际需要有计划地购电、用电,不会因欠费而发生滞纳金,增加不必要的开支。
(3)解决了收费难的问题。
能很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问题。
1.3本文研究的主要内容
该IC卡预付费电度表是以标准的单相电子式电度表为基表改装而成,采用具有加密逻辑的存储器卡作为预付费传递媒介,以单片机作为处理和控制系统的核心。
使传统型电度表的功能得以更新。
用户从电力部门购买的电费通过IC卡传递给电度表,单片机将新购电费与表内剩余电费相加得到新的剩余电费,存于EEPROM芯片中。
电度表通过计量芯片把功率转换成电脉冲信号,送单片机计数。
计数值的大小反映了用电量大小,当用电量达到一个计费单元,单片机计费一次,从剩余电费中扣除用去电费,并对用去电费进行累加。
该电表具有以下功能:
(1)预付费功能:
通过IC卡实现先买电后用电;
(2)数字显示功能:
购电量、剩余电量、累计用电量随时可供查询。
(3)预告功能:
当剩余电量小于设定的警告门限时,点亮提示用电量将尽的发光二极管和驱动提示扬声器发出声音,提醒用户及时购电;
(4)监控功能:
剩余电量为零时,自动切断用电回路;
(5)数据保护功能:
电网停电时,数据自行保持;
(6)防伪卡功能:
一表一卡,购电IC卡采用具有加密逻辑的存储器卡,加上
软件算法和“动态”密码技术,严格有效地防止伪造和复制购电卡的行为;
2系统的方案论证
2.1电能计量系统方案设计
2.1.1电子式电能表的测量原理
作为电能表,最重要的功能就是电能测量。
有功电能测量可简单地描述如下[8]:
设在
时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为:
(2-1)
(2-2)
其中,
为
时刻电压瞬时值;
为
时刻电流瞬时值;
为电压峰值;
为电流峰值;
为电压有效值;
为电流有效值;
-电流与电压相位差;ω-角频率。
则在一个周期内平均有功功率
为:
(2-3)
一个周期内的电能W为
(2-4)
各种乘法结构的电能测量单元都是以式(2-4)为理论基础形成的。
实际上用户负荷是不断变化的,无法快速而准确地测得每个周期的电压有效值、电流有效值,以及电压向量与电流向量之间的相位差,所以无法直接按式(2-4)计算电能。
电能的测量方式有电解式、感应式、电子式,目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。
下面简单介绍一下电子式电能表的测量原理,并介绍基于
A/D转换器的数字乘法器的工作原理。
电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元,其作用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号,送至分频和计数。
它是电子式电能表的关键,其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。
电子式电能表的电能测量单元种类繁多,其中乘法器是该单元的核心组成部分。
乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。
由此大体可分为模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。
数字乘法器则以微处理器为核心的高精度A/D型为代表。
初期的电子式电能表以时分割型为主的较多,目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。
下面简单介绍一下数字乘法器。
数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心,将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由A/D转换器完成数字化处理,然后微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算,从而可实现多种功能。
图2-1分时采样与采样点功率
利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率,图2-1为分时采样与采样点功率。
从图2-1可以看到各采样点功率
为
(2-5)
一个周期T内平均功率
为
(2-6)
即各采样点功率
为
(2-7)
则一周期内平均功率
为
(2-8)
令
,则一个周期内的电能
为
(2-9)
若
→0,则有
(2-10)
式(2-9)说明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电能。
式(2-10)是一个数值计算公式,由微处理器可以轻松完成。
这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。
如果100
采样一次,而工频50Hz的交流电压、电流的周期就是20ms,则一个周期内可采样200次。
研究指出,利用高精度A/D转换器,增加采样次数就可以将电能计算得很准确。
这种测量方法的误差来源主要有采样频率、A/D转换器的转换精度,取样电路及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和相位误差。
误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。
数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。
这种电路的硬件部分元件多、体积较大;而其软件也较复杂,因为数据采集、计算、积分等都是通过数字电路来实现的。
由于计算机技术的发展和ASIC技术的应用,使开放专用芯片的工作相对容易。
这种专用电能计量模块不仅集成了乘法器、P/f变换电路,而且还包含有其他电路,如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等,采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表。
数字型乘法器以A/D变换原理也分为两类;用逐次比较型A/D进行采样的数字乘法器和用
原理进行A/D转换的数字乘法器。
2.1.2方案的选择
①方案一机械电子式
前置通道采用原感应式电度表电路,通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。
具体方案是在转盘上涂上大约1cm宽的“黑条”,在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。
当红外线照射在“黑条”处,红外线被吸收,无反射。
当红外线照在其他部分时,被反射,接受管能接收到红外线。
这样转盘每转一圈,产生一个脉冲,再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。
这种方案显示直观,读数容易,但它仍然具有机械式感应电度表的缺点,即耗电多、笨重。
②方案二模数转换式
对电流和电压分别采样,再通过A/D转换器转换成数字信号,然后送入单片机进行相乘运算。
并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加,如图2-2所示。
这种方案对信号的采样速率快,但A/D转换器的精度要求高,而且由于电网的电力谐波引入前置通道,导致A/D转换后产生错误数据。
为抑制这种干扰,必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大。
这将增加CPU的负担和硬件电路成本,其方案可行而不可取。
I/U变换UUU变换
A/D转换
A/D转换
CPU
IC卡座
控制键盘
液晶显示器
I
U
图2-2方案二的系统框图
③方案三电压频率转换式
采用电压频率(V/F)转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。
这样,模拟通道中本身的干扰信号被抑制。
无须专门的A/D转换器,大大减少了硬件成本。
CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数,便可测出电压和电流的数字量。
同时,电压和电流分别经过零检测电路。
将过零脉冲送CPU处理,得出电流和电压的相位差(),经过查表得功率因数
计算,便得有功功率,再定时累加就是电能值。
系统框图如图2-3所示。
I
U
图2-3方案三的系统框图
这种方案的CPU要实现读写卡控制、求功率因数()、电能计算等功能,负担较重,一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。
④方案四功率累加式
将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘,得到一个与功率P成正比的模拟电压(或电流),再经过V/F变换(或I/F变换)变成频率信号
。
单片机对频率信号f进行累加,即可得出电能。
系统框图如图2-4所示。
I
U
图2-4方案四的系统框图
这种方案不但兼有方案三的优点,而且对CPU的要求低,采用MCS-51系列单片机完全可以胜任。
而且,现在已有集成电路(如:
BL0932、SM9903)将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器集成,其性能指标都远远高于分立元件。
基于以上分析,方案四明显优于其他三种方案。
其中,模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器采用集成电路ADE7755。
CPU采用Atmega16,它内部有16KB的程序存储器,应用于此系统绰绰有余。
2.2IC卡系统方案设计
①方案一 非加密存储器卡
非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片。
非加密存储器卡的特点:
卡内嵌入的芯片多为通用EEPROM。
无安全控制逻辑,可对片内信息不受限制地任意存取。
卡片制造中也很少采取安全保护措施。
多采用2线串行通信协议(I2C总线协议)。
[3]
非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜,很多场合可替代磁卡。
但由于本身不具备信息保密功能,因此只能用于保密性要求不高的场合,对于某单位或学校内部进行定量用电,超标付款,则可采用此方案。
②方案二 加密存储器卡
加密存储器卡(SecurityCards接触型)的芯片由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成。
加密存储器卡的特点:
具有安全控制逻辑,安全性能较好。
同时采用ROM、PROM、EEPROM等存储技术。
从芯片制造到交货,均采用较好的安全保护措施。
为提高安全性,加密存储器卡的存储空间被分为多个不同的功能区。
加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。
在访问存储器前,需要核对密码。
只有密码正确,才能存取数据。
允许连续密码核验的错误次数很少(一般在十次以内),可以有效防止非法试探。
若在限定的次数密码仍不对,则卡片死锁作废。
这类器件保密性较好,应用较广泛。
此方案保密性优于方案一,可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。
③方案三CPU卡
CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器(含RAM、ROM、EEPROM等)、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU。
CPU卡的特点:
CPU一般均为兼容于8位字长单片机等(如MC68HC05、Intel8051等)的微处理器。
它将在COS(ChipOperationSystem,片内操作系统)控制下,实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。
ROM用于存放COS,3KB~16KB。
RAM用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓冲器,128B~1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 河南 理工大学 毕业设计 基于 IC 智能 电能表 设计