基于数字信号处理器TMS320C5409的射频IC卡智能电表的设计方案

    1.引言 

    目前，供电部门电费的征收仍然采用人工上门抄表收费的传统方式，已不能适应现代生活。原来的感应式电能表具有准确度低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。因此新型电能表的研制也日益成为电力行业的迫切需求。我们研制了预付费的射频IC卡智能电表。这种电表采用美国德州仪器公司（TI公司）的TMS320C5409定点数字信号处理芯片，具有自动计数、自动供电断电、自动保存数据、自动报警、使用寿命长,实现电费的预付和分时段计费等特点,从而提高了电网效能，实现了用户的合理付费。 

    2.系统硬件设计 

    图1是系统的硬件原理框图，主要包括TMS320C5409定点数字信号处理芯片、射频IC卡读写电路、电脉冲检测电路、内存扩展模块、LCD显示模块、电源电路等。 

    2.1 TMS320C5409定点数字信号处理器
 
    电表需要对输入的电能信号进行实时采样处理，并且由于解码算法有较高的复杂性，就要求CPU应该具有高速的数字信号处理能力。根据这样的要求，采用了TI公司的TMS320C5409定点数字信号处理芯片。该芯片采用先进的超级哈佛结构，多组总线结构实现并行处理机制，有独立的累加器、乘法器和比例移位器实现复杂的算术运算，它还具有高效的片上外设，有一个可以用来与同一个系统中的其他芯片进行直接连接的高效全双工的MCBSP；一个可以实现处理器之间通信的增强型的8位的HPI(主机接口);一个硬件16位定时器；6个独立的可编程DMA(直接存储器访问)通道，可以在不影响CPU运算的情况下，在内部存储器、片上外设、外部存储器之间传递数据。最有实际意义的是，他的性能价格比已下降到普通单片机的价格水平。 

    2.2 射频IC卡读写电路 

    射频IC卡系统由读写器和射频IC卡两部分组成。应用系统通过读写器对卡进行操作；读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯，并为卡上芯片提供能量；射频IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。 

    射频IC卡采用了ZLG500A芯片，读/写基站芯片选用Atmel公司的U2270B芯片，它们可以在5cm距离内通过频率为125Hz的载波通信，如图2所示。
读/写基站将数据写入片内EEPROM中。片内EEPROM中用来存储用户1D号、IC 卡类型、IC 卡状态、电表号、密码、累积电量、剩余电量（金额）和当前时间等。 

    读IC卡时，ZLG500A发送数据给MCU。MCU通过多次读取比较来保证数据的正确性。 

    写IC卡时，MCU发送数据给ZLG500A，可以通过设置数据校验的方法来保证数据可靠性。 

    2.3 电脉冲检测电路 

    使用集成电路CS5460将电阻分流器和电阻分压器变换得到的交流电压信号和电流信号转换成频率正比于用电功率的能量脉冲。电压模拟信号由Vin+，Vin-输入后由△∑模拟/数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后送人功率计算器。电流模拟信号由Vin+，Vin-输人后由另一路△∑模拟/数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后也送人功率计算器。功率计算器将两路信号进行处理运算后输出测量到的电压、电流、功率等。所有这些数据由串行SPI接口和MCU进行数据交换。
 
    2.4 LCD显示电路 

    显示电路采用LCM1602构成，显示用户的用电量和剩余电费，当轮流显示键没有按下时，显示器一直实时显示用户的总用电量和所剩余的电费，当轮流显示键按下时，显示器将显示用户分时段的用电量，过后又恢复显示总用电量和剩余电费。 

    3 系统软件设计
    本系统软件由主程序和中断处理子程序组成。主程序完成系统初始化和显示处理的功能。中断处理子程序包括电脉冲检测子程序、电脉冲异常中断子程序、IC卡检测中断处理子程序、通信处理子程序、上电自检子程序和看门狗中断处理子程序等。 

    3.1 主程序流程图
    主程序首先对各个模块进行初始化，接着进入一个显示处理状态，然后判断此时用电功率是否超过允许最大功率，如果超过了，则断电，等待复位处理；如果没有超过，则等待按键处理，并进入睡眠状态，等待中断唤醒。当中断处理程序被触发后，主程序立即进行中断处理，之后再进入显示处理状态。 

    3.2 IC卡检测中断处理程序
    当射频IC卡需要读写时，系统将进入射频IC卡读写子程序。首先程序对卡进行防冲突，选卡，认证等操作，然后MCU将卡中所存的电费与EEPROM中用户所剩余的电费相加，并存入EEPROM中，最后将IC卡中的电费值清零。图3为射频IC卡读写子程序的流程图。 

    3.3 电能计量中断子程序的设计
    电能计量子程序首先累计总电量，然后判断当前值处于哪个计费时段，再累计相应时段的电能，并扣除相应的电费。在这里累计的电量和扣除的电费都是一个脉冲所代表的电能数和电费。图4为电能计量中断子程序的流程图。 

    4 结论
    本文的创新在于，这种智能电表将数字信号处理器技术与射频IC卡技术相结合，可以实现电费的预付和分时段计费，从而提高了电网效能，提高了居民用电收费的管理水平，具有很好的推广价值。