河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计(3)

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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。

U(i)U(t)0t1t3i(t)0P(t)0 P(tk)?UA(tk)tTtki(t)tiA(tk)t

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P(tk)为

P(tk)?UA(tk)iA(tk) (2-5)

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一个周期T内平均功率P为

P?[uA(t1)iA(t1)???uA(tk)iA(tk)???uA(tn1)iA(tn)]1??uA(tk)iA(tk)k?1nn1n

(2-6) 即各采样点功率P(tk)为

P(tk)?UA(tk)iA(tk) （2-7）

则一周期内平均功率P为

1P??u(tk)i(tk)k?1n （2-8）

n令

?t?tk?tk?1，则一个周期内的电能W为

1W?[?u(tk)i(tk)]?tk?1nn

（2-9）

（2-10）

若?t→0，则有

TW??u(t)i(t)dt?TUIcos?0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?s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

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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。

图2-2 方案二的系统框图

I/U变换 A/D转换 CPU 液晶显示控制键盘 IC 卡座 A/D转换 ③方案三 电压频率转换式

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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能值。系统框图如图2-3所示。

模过零检测 液晶显示过零检测 I/U变换 摸拟开关 CPU V/F转换 IC卡座 控制键盘 计算,便得有功功率,再定时累加就是电

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f。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。

液晶显示

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I/U变换 模拟乘法器 低通滤波器 I/F 转换器 IC卡座 CPU 键盘 图2-4 方案四的系统框图

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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。

2.2 IC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（Security Cards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

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