河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计(2)

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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（Electrically Erasable Programmable Read-only Memory），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，

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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（Card Operating System），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。

1.2 IC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，

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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；

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（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；

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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t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：

u(t)?Umsin?t?2Usin?t (2-1) i(t)?Imsin(?t??)?2Isin(?t??) (2-2)

其中，u(t)为t时刻电压瞬时值；i(t)为t时刻电流瞬时值；Um为电压峰值；Im为电流峰值；U为电压有效值；I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P为：

1P??u(t)i(t)T01??Umsin?tIM(?t??)dtT01??UI[?cos(2?t??)?cos?]dtT0?UIcos?TTT

（2-3） 一个周期内的电能W为

T W??u(t)i(t)dt?TUIcos? （2-4）

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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

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