河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计(4)

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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(Chip Operation System，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～1KB。

EEPROM则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密码、应用文件等，1KB～16KB。

CPU卡（Smart Cards接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。CPU卡有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性要求特别高的场合。

此方案保密程度高，适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统。 所以在对以上三种方案的比较后，我在本设计中，选用第二种方案，以逻辑加密存储器卡作为售电的传输媒质，具体型号是SLE4442。

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2.3 系统总体方案设计

本次设计的IC卡预付费电度表是以标准的单相电子式电度表为基表，采用具有加密逻辑的存储器卡SLE4442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， 主要包括掉电检测及掉电保护电路、用电检测电路及窃电检测、IC卡接口电路、功能键及显示电路、报警电路、用电控制电路、数据存储电路。如图2-5所示。

掉电检测电路显示电路电量检测电路单片机IC卡接口电路报警电路用电控制电路功能键数据存储电路

图2-5 系统总体结构图

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3 系统的硬件设计

3.1 电量检测电路

3.1.1电量测量芯片的选择

IC卡预收费电度表的技术核心就是使用专用电能测量芯片。电量测量单元的任务就是保证系统在各种负载条件下和各种电源质量时，都能以较高的精度准确的测量有功电量。目前国内生产该种功能的芯片的公司有：上海贝岭、苏州华芯、深圳国微等多家公司;国外计量IC公司有美国ADI公司，南非Sames公司等;其中ADI公司先后推出了ADE7750,ADE7751,ADE7755等系列产品，而且性价比优于国内产品。因此本设计采用该公司的ADE7755.

3.1.2电量测量芯片ADE7755

1. ADE7755简介

ADE7755是美国ADI公司生产的一种用于功率测量或电能计量的专用高精度集成电路，其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。ADE7755为+5V单电源供电，低功耗的CMOS芯片;具有量程宽(负载能力高达4～6倍Ib)、精度高(在1%～500%Ib范围内，误差小于0.3%),内部具有掉电、上电自动复位电路等优点。当发生短路、开路、旁路的情况时，除了具有输出指示外，还能以原精度继续计量。只有在ADC和基准源中使用模拟电路，所有的其他信号处理(相乘和滤波)都使用了数字电路，有效的去除尖脉冲等干扰信号，使得ADE7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。引脚 Fl和 F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微处理器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微处理器接口。逻辑输出REVP用来指示负功率或错线。电流通道中的可编程增益放大器(PGA)使仪表能使用小阻值的分流电阻。ADE7755芯片的AVDD引脚处有一个电源监控电路，除非引脚AVDD电压达到4V，否则AD7755一直保持在复位状态，如果电源下降到4V以下，ADE7755将重启，而且Fl, F2,和CF引脚将不会有电脉冲信号。无论电流通道的HPF是接通的还是断开的，

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ADE7755内部相位匹配电路使得电压和电流通道的相位始终是匹配的。另外，其内部的空载阐值特性保证了ADE7755在空载时没有潜动。

其芯片的输入引脚可直接与不同量程的传感器相连接，因而简化了与传感器的接口。由于输出为脉冲信号，因此便于用计算机进行测量处理。

ADE7755的内部电路主要由信号输入和信号处理两部分组成。电流输入通道中的增益可编程放大器可根据引脚G1和G0的输入信号来选择不同的放大倍数，表4.1是通过G0和G1来选择通道1的增益的具体方法。两个16位的A/D转换器采用∑-Δ结构，采样频率为900kHz，这种模拟输入结构使得芯片在很大的动态范围内直接与传感器相连接，因而简化了与传感器的接口设计。信号处理部分包括相位校正环节、高通滤波器HPF、乘法器、低通滤波器LPF和数字/频率转换电路等。ADE7755的内部结构如图3-1所示。

G0G1AVAGNDAC/DCDVDGNDRESET1615311 21219电源监控电路V1P5PGAV1N6ADC相位校正低通低通V2P8V2N7ADCPGA2.5V基准源1810REF数字---频率转换器171214S013S120REVP22CF24F123F2CLKOUTCLKINSCF

图3-1 ADE7755内部结构框图

2.ADE7755的有功电能的测量原理 若电压U(t)和电流I(t)均为正弦波，且

U(t)?2Usin?t （3-1） I(t)?2Isin(?t??) （3-2）

则瞬时功率p(t)为：

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p(t)?2Usin?t?2Isin(?t??)?UIcos??UIcos(2?t??) （3-3）

从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量UIcos?和交流分量UIcos(2?t??)两部分。在绝大多数场合特别是民用仪表关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率P定义为瞬时功率p(t)在一个周期内的平均值，即

11 p??p(t)dtT 0

t1 cos ? ? UI cos( 2 ? t ? ? ) （3-4） ? ? [ UI]dtT 0

?UIcos?

为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波即可。图3-2给出了瞬时功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获得有功功率，这个设计方案也能确定计算非正弦电流和电压波形在不同功率因素情况下的有功功率。所有信号处理都是有数字电路完成的，因此具有良好的温度和时间稳定性。

PGAADC低通低通F1F2ADC瞬时功率信号数字--频率转换器瞬时有功功率信号CF

图3-2 信号处理框图

ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信号的累计产生的，即在两个输出脉冲之间通过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。由于乘积后的LPF不是理想的滤波器，因此LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即这个信号通过数字一频率转换器，随时间被积分(累加)，进而产生输出频率。如果CF以较高的频率输出，是因为在对瞬时功率进行累加完成频率转换过程中，采用较短的累加时间，这就意味着减弱了对cos2(?t)成分的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。当CF用于带微处理器的电量测量场合，

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