河南理工大学毕业设计基于IC卡的智能电能表设计(5)

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CF应该进行平均后再计算功率,图3-3为ADE7755与单片机的接口。下图中，频率输出CF端连接到MCU的端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，即：平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间

则在一个积分周期内消耗的电能为：电能=平均功率×积分时间=（脉冲个数/积分时间）×积分时间=脉冲个数

根据事先设定好的计量芯片的脉冲数（即计量1度电所对应的CF输出的脉冲个数），通过对ADE7755输出的脉冲计数也就实现了对电量的测量。

MCUADE7755 CF中断计数器定时器

图3-3 ADE7755与MCU的接口

3.1.3电量采集电路硬件设计

电量采集电路如图3-4所示

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3-4 电量采集电路

ADE7755外围元器件的选择： (1)分流器的选择

为了使通道V1(电流通道)的动态范围最大，选用阻值为350μΩ的分流器。选择分流器时，有几个重要问题应该考虑。第一，要使分流器的功耗最低。由于本设计方案的最大额定电流为20A，所以分流器的最大功耗为(20A)(20A)2×350μΩ=140mW,而国际GB7251/T-1998要求最大功耗为2W.第二，如果功耗过高会给芯片散热带来困难。虽然分流器是采用低温度系数的锰铜合金材料制成的，但是在高温下对重负载仍会产生明显的误差，所以不宜选用阻值太大的分流器。第三，应该考虑电能表对相电压短路造成损害具有的防护能力。由于分流器的阻值非常小，所以外部短路对分流器的影响也非常小。因此分流器总是应该做得尽量小，但这样必然抵消通道Vl(0-20mV,G=16)的信号范围。如果分流器的阻值太小，在轻负载情况下又不能符合IEC1036标准精度的要求。因此本设计权衡利弊将分流器的阻值选为350μΩ。

(2) 分压网络的设计

线电压衰减是通过简单的电阻分压器来实现的，如图3-5所示。这种衰减网络的特点是，即使当衰减程度改变时，电流通道和电压通道之间仍能保持相位匹配。在对电度进行精确校验时，可采用逐次逼近的方法，从跳线J1开始按照顺序，依次接通每个跳线，直到合适为止。

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图3-5 分压网络

ADE7755通过计算电流通道和电压通道两个输入电压的乘积，然后对乘积进行低通滤波，获得有功功率信号。再将这个有功功率信号进一步转化为频率，以低电平有效信号从引脚F1和F2输出。

输入频率与输入电压的关系由下式确定

2 F= (8.06×V1×V2×G×F1?4)/VREF （3-5） 式中：F—引脚Fl,F2输出的脉冲频率(Hz) V1—通道1差动输入电压有效值(V) V2—通道2差动输入电压有效值(V)

G—增益值（1,2,8,16），由G0和G1的逻辑输入确定，见表3-1 VREF—基准电压(2.5V±8%)(V)

F1-4—由主时钟CLKIN分频获得，分频系数由S0和S1确定，见表3-2

表3-1 通道1的增益选择 G0 0 0 1 1

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G1 0 1 0 1

Gain 1 2 8 16

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表3-2 F1-4 频率选择

S1 0 0 1 1

S0 0 1 0 1

F1-4（Hz）

1.7 3.4 6.8 13.6

分频系数 221 220 219 218

为了校验该电度表，需将线电压衰减到248.9m V。线电压衰减是通过简单的电阻分压网络来实现的。衰减网络应该具有一定的校验范围，此校验范围是通过如下方法确定的:

F1-4的误差几乎为0，它的误差取决于晶振；芯片的典型增益误差为7%；片内参考源误差为8%；通道1和通道2的误差均假设为1%。

Error≈l% +1%+7%+2×8%=25%

在设计时将衰减网络增益校正范围确定在30%，即经过衰减网络的电压可以在 175mV-333mV之间进行调整。取R5=300KΩ，R6=150KΩ，R7=75KΩ，R8=39KΩ，R9=18KΩ，R10=9.1KΩ ，R11=5.1KΩ，R12=2.2KΩ，R13=1.2KΩ ，R14=560Ω。校表时可以将某些电阻用0Ω电阻代替，即可在电压通道得到248.9mV的电压，从而达到的校验的目的。

3.2 IC卡接口电路

3.2.1 IC卡的选择

IC卡电度表和售电管理系统之间的联系是以IC卡为媒介的，用户和电力管理部门之间的供、购电也是通过用IC卡传递信息的方式进行联络，从而完成对电表初始化、用户购电、电力部门送电等操作，实现电表用电的过程管理。因此IC卡的选择及其接口电路的设计也是本次设计的重要一环。

目前市场上的IC卡功能齐全，种类繁多。按照与电表卡座的接口方式来分的话，分为接触式卡和非接触式卡两大类。非接触式卡使用时不用直接和智能表连接，使用比较方便，但是功耗大，运行不够稳定；接触式卡则由于使用时必须和卡座接触，所以表上需设计插槽，经常插拔IC卡，容易使插槽受损，而且使用也不如非接触式卡方便。但是考虑到功耗和稳定性问题，系统在设计时选择了接触式IC卡。

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接触式IC卡中的存储卡内部集成了串行E2PROM，结构相对简单，由于没有硬件保密措施，内部数据很容易被截获，而且可被随意擦写。因此在使用时如果需要对数据进行安全保护的话，需要借助软件加密来保证。逻辑加密卡有E2PROM和密码控制逻辑构成，在每次写操作之前都需要进行密码校验，只有密码校验成功才能进行改写数据，因此在安全性方面比存储器卡有了很大的提高:然而其存在的缺点是读数据时不需要校验密码，一旦加密逻辑被破译，将严重威胁系统的安全。CPU卡则是在卡内同时集成了CPU和存储器，CPU执行复杂的逻辑加密算法控制使用权限，因此目前CPU卡的安全性最高，广泛使用于金融、安全等领域。但是 CPU卡的缺点是需要用户自己编写卡操作系统(COS)，开发量和难度大，其价格也偏高，不利于推广。

综合3种接触式卡的优缺点，认为逻辑加密卡既有一定的保密逻辑功能，不像存储卡那样可以随意修改数据，也不像CPU卡需要编写复杂的操作系统，价格也适中，因此具有很好的实用推广价值。考虑系统要求，综合各类IC卡的优缺点，本课题选择逻辑加密卡SLE4442。

3.2.2 SLE4442卡

SLE4442是德国西门子SIMENS 公司设计的逻辑加密存储卡它具有2K 位的存储容量和完全独立的可编程代码存储器PSC 内部电压提升电路保证了芯片能够以单+5V 电压供电较大的存储容量能够满足通常应用领域的各种需要因此是目前国内应用较多的一种IC 卡芯片芯片采用多存储器结构2 线连接协议串行接口满足ISO7816 同步传送协议NMOS 工艺技术每字节的擦除/写入编程时间为2.5ms 存储器具有至少10000 次的擦写周期数据保持时间至少10 年。

SLE4442的触点安排，如图3-7所示。

图3-7 SLE4442引脚图

芯片功能：

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