智能IC卡电能表设计

0 引 言 

    IC卡的使用与其应用系统是密切相关的。一方面，采用IC卡可以使系统的运作更富创造性；另一方面．应用系统又会不断地对IC卡提出新的要求．促使其功能更加完善。因此．怎样把IC卡与实际应用有机地结合起来。充分发挥IC卡的优越性．一直是IC卡技术的一个重要课题．智能IC卡电能表就是IC卡技术的一种实际应用。

1 智能IC卡电能表的结构与工作原理 

    智能IC卡电能表是将传统的电能表的机芯和高水平的测控电路集成在一个整体的表壳内，既保持了计量精度．又具备了表计运行状态的自动化管理功能。同时能杜绝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。根据上述功能其结构设计如图1所示。

图1 智能IC卡电能表的总体结构图

    智能IC卡电能表在电子计量工作原理基础上．加上西门子SLE4442IC卡控制器和PIC16C62B单片机构成智能IC卡控制功能。当计量模块发出脉冲号或用户插入IC卡时．仪表进入相应工作状态。首先，运算控制模块将存储在电能表数据存储模块中的用户电量剩余值取出并在LCD液晶显示模块上显示。接着，判断是否是计量脉冲到来，若是则启动计数及计算功能．计算此时的用电量．经过一定的运算得到这段时间中用户消耗的用电量。那么，上次用户预购电量剩余值减去用电量后，得到的就是新的用户预购电量剩余值。如果该值小于某一值时，仪表输出指令关闭开关，停止对用户的电能供应，电能表也进入低功等待状态。此时用户可以持IC卡到供电单位购电。 

    当该用户将已经购电的IC卡插入电能表的IC卡接口中，电能表被唤醒。如果IC卡是合法卡，电能表将IC卡中储存的预购电量数据解密后与原来用户预购电量剩余值相加得到新的用户电量剩余值，同时擦除IC卡中储存预购电量数据．打开继电器开关．从 而恢复了对用户的电能供应，电能表随后又进入计量状态。预购电量剩余值、累积电量等可用按键选择查看。若用户电量预购剩余值过少时，电能表将提示用户需要购电。

1．1运算控制模块 

    智能IC卡电能表选用PIC16C74作为其控制模块。PIC系列微控制器是美国Microchip公司率先推出的采用精简指令集计算机fRISC——Reduced Instruc．tion Set Computer)、哈佛(Harvard)双总线和两级指令流热线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Em．bedded Controller)。它具有高速度(每条指令最快可达160ns)、低工作电压(最低工作电压可为3V)、低功耗
(3V，32kHz时耗电151µA) 及较大的输入输出直接驱动LED能力(灌电流可达25mA)。芯片的低价位、小体积、指令简单易学易用(35～37条指令1及优秀的抗干扰能力都体现了微控制器工业发展的新趋势。其中PIC16C74型单片机更具有静态低功耗休眠功能和通过内部或外围中断方式唤醒转入正常工作方式功能。考虑到经济性和实用性．智能IC卡电能表开发调试阶段采用紫外线可擦除双列直插式芯片．最后现场运行产品选用的是一次性用户可编程型器件OTP。PIC16C74作为智能IC卡电能表的核心器件，采用串行通信方式与IC卡、EEPROM，DS1302等外围器件连接、通信，简化了件电路，从而降低成本。

1．2 计量模块 

    最早的电子式电能表只能通过使用分立元件来实现，但是随着微电子技术的发展，电能计量新技术和新产品不断问世，目前已开发出用于各种电能计量的专用集成电路，如单相电子式电能表专用集成电路BL0931、单相全电子式电能表专用集成电路BLo932、静止式电子电能表专用大规模集成电路GW6832PA等。虽然这些电路在内部集成了电能检测电路．但是其外围电路的设计和调整比较复杂，因此在设计中采用了电能表专用厚膜电路HDB6作为电能测量芯片。 

    电能表专用厚膜电路HDB6是一种采用厚膜工艺技术，把计量IC与其相关的阻容元件二次集成到陶瓷基板上的模块化单元电路。由于采用厚膜工艺技术，使得电路的绝缘性能、阻值精度、温度特性、外部环境适应性都比一般分立焊接的电路有明显的改善，而且计量电路外围芯片的高度集成减少了贴装(插装1元件及焊接点，提高工效，增加产品可靠性及设计产量。同时HDB6还采用单排直插式引脚．使得电能表内部结构简单，便于装配、调试和维修。

    HDB6的实际工作电路如图2所示。其中AC— OUT1是220V交流电压的火线输入；AC_OUT是220V交流电压的火线输出；DATA1是经过光耦隔离输出的功率脉冲。由于220V交流电压不能直接加到芯片内部的计量IC的输入端，所以计量IC中所需的
电压采样值和电流采样值是通过电阻网络对电压进行分压和对锰铜合金上的负载电流采样得到的。获得的电压及电流采样值被送入计量IC中的乘法器相乘．乘法器输出经过转换器转换为占空比反应瞬态功率的脉冲序列输出。

图2 HDB6工作电路图

    图2中R3 是一个小电阻的锰铜片电流采样电阻，从R3 上采样得到的电流经过能R2和R 5输入到计量IC的采样电流输入端，可在电能表的小电流线性出现正偏差或负偏差时通过调整保证输出的线性化，其取值与R3 上2线端选取的位置有关。电流采样电 阻R3 的大小选取一般存在以下问题：选取的电流采样电阻过小时，芯片对于小信号的处理就比较差，特别是小信号时的非线性误差和启动电流的指标容易变坏；而若电流采样电阻选取得太大，则会因为受到电流输入端动态范围的限制，使电能表的过量程指标降低。为此在设计中，与HDB6一同购买了370µΩ 的电流采样电阻，这样直接选取100µΩ的R2 和R5 就可以基本实现输出的线性化。在这里输出的脉冲为3750P／kWh。