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江苏信息职业技术学院毕业设计报告 0 基于单片机的低功耗智能 IC 卡电表设计 1 低功耗智能 IC 卡电表 1 2012.3 目目 录录 第一章第一章 序言序言.3 第二章第二章 课题的目的课题的目的.4 第三章第三章 电表的发展及电表的发展及 ICIC 卡的介绍卡的介绍.5 3.1 电表概述.5 3.2 电能表在我国的发展情况.6 3.3 我国电能表收费和管理现状.7 3.4 IC 卡技术.8 第四章第四章 智能智能 ICIC 卡电表的硬件组成卡电表的硬件组成.9 4.1 IC 卡电能表的工作原理.9 4.2 IC 卡电能表的总体设计.9 4.3 系统主要元器件的选择及硬件组成10 4.3.1 电能计量芯片的选择.10 4.3.2 微控制器 .13 4.3.3 IC 卡的选择 16 4.3.4 EEPROM 电路 23 4.3.5 LCD 显示电路 .28 4.3.6 继电器控制电路.32 4.3.7 电源电路.33 第五章第五章 智能智能 ICIC 卡电表的软件组成卡电表的软件组成.34 5.1 内存单元分配说明34 5.2 主程序及部分子程序框图34 第六章第六章 总结总结.42 6.1 全文总结42 6.2 发展方向42 致谢致谢.43 参考文献参考文献.44 附录附录 程序程序.45 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 2 基于单片机的低功耗智能基于单片机的低功耗智能 IC 卡电表的设计卡电表的设计 摘要:低功耗智能 IC 卡电表是自动计量并显示通过电能累计值、金额消耗值 的一种功耗较小的表计，它以 IC 卡为收费媒介，以单片机为微控制中心。 本文从传统电表的原理和特性出发，设计出了智能 IC 卡电表，传承了传统 电表的计量电量方式，充分利用现代高科技手段，弥补了传统电表要人工抄写费 时费力低效率又低准确率的不足，采用低功耗芯片来实现节省能源的利用，容易 实现对电能的计量、收费、监视、控制和管理。在整个智能 IC 卡电表的系统硬 件结构设计上，采用模块化的设计方法，以速度快、功耗低、体积小的 AT89C2051 单片机为核心，利用数字处理运算的 AD7750 实现电能采样，将集看门 狗、电压监控和串行 EEPROM 三种功能于一身的可编程电路的 X5045 做存储器以 加密的 SLE4428 IC 卡做收费媒介以低功耗多功能通用型 8 段式液晶显示模块 LCM103 做显示单元，具备完成自动计算用电量、自动计算用电金额、自动拉闸断 电、自动读写 IC 卡上的数据的功能，是一种智能化电表。此表广泛应用于社会 生活的各个领域，具有很大的发展前景。 关键词：低功耗 智能 IC 卡电表 电能采样 单片机 3 低功耗智能 IC 卡电表 3 第一章第一章 序言序言 长期以来，我国生产的交流电表均为感应式机械电表，几十年来不得不采用 人工抄读电表的原始方式。目前全国大部分电力公司、电业局完成了用电营业计 算机管理系统的开发和应用。但作为用电管理最重要也是最基础的用电数据仍采 用原始落后的人工抄收的方法，不但劳动强度大、效率低，而且还会存在抄表不 到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题，对窃电的防治更无从谈起 在社会走向信息化，网络化，电力系统大踏步现代化的今天，手工抄表更是与无 人值班等高度的自动化形成了鲜明对比，成为制约供电系统现代化管理的一大障 碍。就系统的完整性而言，电力系统从发电，配电，传输一直到区域变电所已基 本实现网络化管理，而唯独用户终端没有和网络连接上，造成了系统的不完整， 直接或间接的影响了系统潜能的发挥。正是由于以上背景，智能 IC 卡电表应运 而生。而 IC 卡作为一种高效、安全、方便、实用的新型信息载体，正以不可抵 挡之势风靡世界，科技界对采用 IC 卡技术的智能水表、煤气表、热量表及电能 表进行了广泛的研究，并取得了很大的进步，使得这些技术越来越成熟。 智能 IC 卡电表不但能实现用电收费的电子化，而且还改变了先用电后收费 的不合理状况，让电能真正成为商品，变被动为主动，完善电力销售环节，从根 本上解决了人工抄表收费耗工费时的弊端，特别是可杜绝拖欠电费现象，加速电 力资金回笼，从而实现用户自我服务，改善供需关系，促进用电计量、收费的科 学化管理。普及智能 IC 卡电表是提高现代化管理的最佳途径，推广使用势在必 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 4 行。 而在计算机技术、网络技术及数据库技术的发展背景下，为电能计量收费管 理引入现代管理信息系统概念，更是使智能 IC 卡电能表的广泛应用如虎添翼， 使电力工业在现代化管理的步伐上取得了很大的提高，在社会生产力的发展上也 起到了积极的作用。 第二章第二章 课题的目的课题的目的 IC 卡的使用与其应用系统是密切相关的。一方面，采用 IC 卡可以使系统的 运作更富创造性；另一方面,应用系统又会不断地对 IC 卡提出新的要求，促使其 功能更加完善。因此怎样把 IC 卡与实际应用有机地结合起来。充分发挥 IC 卡的 优越性，一直是 IC 卡技术的一个重要课题。智能 IC 卡电表就是 IC 卡技术的一 种实际应用。因此成为相关科研单位关注的重点，具有很好的经济效益与社会效 益。 本课题的目的是要设计一个能够为用户提供一个设计先进、技术含量高、功 能完备、计量准确、性能可靠、体积小、显示直观、外形精美以及安装便捷、使 用方便的 IC 卡智能电表，智能 IC 卡电表收费系统的出现，解决了有些用户偷电 的问题，使得收费方式更加方便、灵活，提高了物业管理水平。智能 IC 卡电表 具有成本低、可靠性高、使用寿命长、安全性高等优点，并可提高居民用电收费 的管理水平，确保供电部门能及时收到电费，智能 IC 卡电表是将传统的电能表 的机芯和高水平的测控电路集成在一个整体的表壳内，既保持了计量精度，又具 备了表计运行状态的自动化管理功能。同时能杜绝人为破坏系统和私自开启 IC 卡控制系统导致的控制失灵行为。 这种 IC 卡智能电表，由 IC 卡、控制器、单片机组成， 其解决的关键问题 有液晶显示总用电量和 IC 卡余额;实行预付电费的体制，改变了普通电表抄表收 费困难的现象；电价由供电公司根据市场写入；能有效地识别非法的 IC 卡电表， 5 低功耗智能 IC 卡电表 5 数据传输纠错能力强，解决偷电等问题；有效抑制用户的非法用电现象，提供声 音报警和供电管理；由电池供电，尽量降低了该系统的消耗；本设计属于实用型 设计，据有设计合理、安全可靠、技术性能优良、低功耗、功能齐全、适用性强 以及成本低等优点，为供电系统的现代化管理提供了一套很先进的技术。 第三章第三章 电表的发展及电表的发展及 ICIC 卡的介绍卡的介绍 3.13.1 电表概述电表概述 电能测量仪表电表，是社会拥有量相当多的计量仪表，它是一种计量某 一段时间内通过的电能累计值的表计。普遍应用的是感应式电能表，它是在 1889 年人们根据意大利的费拉里斯教授最早提出的感应式电能表原理而设计制造而成 的，到 19 世纪末形成了较完整的感应式电能表的基本制造理论。到目前为止感 应式电能表的制造技术己相当成熟，价格较低，经久耐用，平均使用寿命超过 10 年。但由于受到其原理和结构等因素制约，要进一步提高计测精度和扩展功能是 有限度的。 3.23.2 电能表在我国的发展情况电能表在我国的发展情况 我国电能表行业，已有近 40 年的生产历史，产品达几十种，目前国内己获 取生产许可证、定点的电能表厂家达 70 多个，具有年产 4500 万只电能表的生产 能力。但是，由于任务不足且国际市场打不进去，出口量很小，多年来实际产量 不足 2500 万只。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 6 我国电能表行业多年来产品结构不良、性能不稳、寿命短，因而长期坐失从 国际市场获取巨大经济效益的良机。即便在国内市场中也因产品结构落后，性能 与质量欠佳，销售价格不合理，而使一批骨干企业连年亏损。尤其近些年，DD28 型等一批老电能表，虽定型生产多年，但限定售价过低，多数企业不盈利，甚至 连年亏损。1987 年电力部统一组织设计、推广的 DD862 型新电能表，技术性能虽 较 DD28 表稍有改进，但自耗电能近 2W，比 DD28 高近一倍，售价也从 DD28 表的 28 元/只提高到 68 元/只，用户一时难以接受。故几年来一直推广不开，形成目 前的“老表生产停不了，新表生产没人要”的僵持局面。为了改进和提高国产电 能表的质量和技术性能，从 1984 年开始，国内各大电能表生产企业和研究所都 对新型电能表的改进和开发做了很多努力，同时也取的了不少进步。 电能表更新工作经过几年的波折之后，目前正逐步走向正轨，市场也正在逐 渐复苏。一些产品的更新工作，已经引起了产、购、销部门乃至社会上许多单位 的极大关注。几年来电能表生产厂及其主管部门，对用户和市场反映出来的该产 品在设计、生产、使用和销售等环节存在的问题非常重视，及时进行协调、解决， 使得产品质量在原有的基础上不断提高。当前大部分生产厂家在不断提高产品质 量的同时，不断扩大生产能力，上海电度表厂、杭州仪表厂、江北机械厂、长沙 电表厂、苏州红旗电表厂、上海第五电表厂、无锡市电度表厂、哈尔滨电表仪器 厂等主要生产厂家的生产能力都在几十万只，生产规模不是很大。 目前国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机 电一体式即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低 造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构。不 改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲 输出的智能表，使电子记数与机械记数同步。其计量精度一般不低于机械计度式 计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，多用于老表改造。全电子 式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件。从而取消了电表上 长期使用的机械部件，与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加,更 加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表 厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。 3.33.3 我国电能表收费和管理现状我国电能表收费和管理现状 我国目前流行的抄表收费管理方式主要是以下三种： 1.人工抄表收费方式。用户安装的是普通电能表(如感应式电能表)，在固定 时间内由管理人员上门抄表和收费。其优点是：电表的成本低，采用付费方式已 为普通用户所习惯，更易接受，基本不存在用户电源被切断的问题；缺点是需要 7 低功耗智能 IC 卡电表 7 管理人员多工作量大而又十分繁琐，而且容易出错。此外，目前人们工作繁忙， 很多楼宇又装有防盗门锁，收费工作更加不便。 2.自动抄表收费方式。用户安装的是具有通信能力的电能表(如电子式电能 表)，通过通信网络系统自动完成用户电表的数据抄收，再通过金融网点方式以 自动或人工方式完成缴费。这种方式的优点是自动化程度高、节省人力；但是缺 点是技术难度高，通信网络建设及维护成本大。 此外电力部门也曾先后试用过无线抄表系统、集中抄表系统、联网式抄表收 费系统、融卡式电表等。其中有的没有从根本上摆脱抄表的麻烦，有的系统过于 复杂成本高而不实用。 3.IC 卡收费方式。用户安装智能 IC 卡电表，以 IC 卡为收费载体，在用户和 电力管理部门之间传递信息，实现电费的抄收和缴费工作，从而实现了抄表、收 费和控制三位一体，彻底杜绝了欠费现象的发生，而且管理人员少和管理费用低。 通常，智能 IC 卡电表管理模式如图 2.1 所示。 用户侧 IC 卡 表 控制 开关 IC 卡 读写 设备 IC 卡表 管理系统 软件 管理侧 IC 卡 图 3.1 智能 IC 卡电表管理模式 纵观以上三种方式，在我国占主导地位的还是最原始的人工抄表、按户收费 的方式，这种落后的入户查表收费管理模式与现代经济的发展和市场经济时代很 不相称，而 IC 卡技术的发展，采用 IC 卡为收费传递媒介的收费管理模式以其独 有的优势与特点，正得到越来越多用户的认可。 3.43.4 ICIC 卡技术卡技术 IC（Intergrated Circuit Card）卡即集成电路卡。尺寸通常为信用卡的大 小。ID-1 的 ISO/IEC 7810 标准定义为 85.60 53.98 毫米。另一种流行的 ID- 000 尺寸是 25 15 毫米（常用的 SIM 卡） 。两者都是 0.76 毫米厚。 包含一个 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 8 安全系统的防干扰性能（例如，一个安全的密码，安全文件系统，人类可读的功 能） ，并有能力提供安全服务（如对信息保密的记忆） 。 自动化芯片是由德国的火箭科学家 Helmut Grttrup 和他的同事 Jrgen Dethloff 在 1968 年发明，最后在 1982 年获得审批的专利。它的首次大规模使用 是始于 1983 年法国用来缴付电话费。实际上 Roland Moreno 于 1974 年已经取得 记忆卡的概念型专利。1977 年，来自 Honeywell Bull 的 Michel Ugon 发明了首 个智能 IC 卡微处理器。1978 年，Bull 获得可定义必要结构、可自动编程的 SPOM（自可编程单片机）芯片的专利。三年后，摩托罗拉公司在此基础上发明了 第一个 CP8 芯片。 与目前使用较多的标识卡（如磁卡、条码卡和凸字卡等）相比，IC 卡具有以 下特点： 1.存储容量大：智能卡的容量可以做到几千个字节，能为信息处理及一卡多 用提供方便。 2.防磁、防静电、抗干扰能力强，抗破坏性和耐用性高：智能卡是由硅片来 存储信息的，可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的能力。而且由于硅片 的体积很小，里面有环氧层的保护，外面有 PCB 板及基片的保护，因此，抗机械 和抗化学破坏能力也很强。现在智能卡的信息保存期都在 100 年以上，而且读写 次数高达 10 万次以上，一张智能卡至少可以使用 10 年。 3. 数据安全可靠，保密性强。 4. 对网络要求不高，系统设计和使用比较方便。 5.读写机构简单、可靠、造价便宜。 第四章第四章 智能智能 ICIC 卡电表的硬件组成卡电表的硬件组成 本章主要介绍全电子式智能 IC 卡预付费电能表的硬件组成结构。IC 卡电能 表作为一种智能仪器，需要在硬件电路设计中采用模块化设计方法。它以 9 低功耗智能 IC 卡电表 9 AT89C2051 单片机为核心，利用 AD7750 实现电能采样，具备完成自动计数、自动 拉闸断电、自动读写 IC 卡上的数据、自动报警、自动显示电表状态等功能。下 面对该表的硬件设计进行详细介绍。 4.14.1 ICIC 卡电能表的工作原理卡电能表的工作原理 IC 卡电表首先通过 AD7750 芯片对电压/电流进行采样，并转换成脉冲信号输 入 AT89C2051 单片机的外部中断 0 引脚，由单片机进行计数，并转换成相应电度 数完成计量。用户所使用 IC 卡中有电量的单价信息，单片机能自动的计量用户 所用电的数量，并转化为相应的金额从 IC 卡中扣除。 用户购电时，智能 IC 卡电表按照购电卡(开户卡第一次插入电表后，由电表 CPU 对其返写数据改变其卡类型，使之成为购电卡)输入的信息及用电情况， AT89C2051 首先进行密码校验，并判断购电卡中的信息(用户号、电表号等)是否 与本电度表一致，否则不写入数据并显示错误信息；只有判断一致时才读入本次 所剩余额，同时将其它信息(如总购电量、总用电量、剩余金额、购电次数等)返 写入 IC 卡，并通过显示设备显示用户的总用电量，剩余金额等信息。 当电表剩余金额低于额定报警金额时，电表报警系统以声光报警的方式提示 用户进行充值。而当 IC 卡中所剩的金额为 0 时，电表自动拉闸断电，直到用户 进行了有效充值才能继续使用。 4.24.2 ICIC 卡电能表的总体设计卡电能表的总体设计 本设计中，采用专用电能计量芯片 AD7750 实现对电能信号的采集，并转换 为电脉冲信号，通过 AT89C2051 单片机实现计数，以 AT89C2051 为总的控制中心， 采用 X5045 型 EEPROM 作为系统的存储单元，显示电路以 LCM103 显示总的用电量 与剩余金额，继电器拉闸断电控制电路采用固态继电器，实现自动拉闸断电及有 效的防止用户窃电。此外，电表还设有电源电路，IC 卡卡座电路等。其仪表基本 组成的硬件结构如图 4.1 所示。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 10 电 流 采 样 电 压 采 样 AD7750 电源电路 AT89C2051 EEPRO M 电源电 压检测 LCD 显 示电路 继电器拉闸断 电电路 图 4.1 IC 卡电能表硬件结构框图 4.34.3 系统主要元器件的选择及硬件组成系统主要元器件的选择及硬件组成 4.3.14.3.1 电能计量芯片的选择电能计量芯片的选择 智能 IC 卡电表的技术核心就是使用专用电能计量芯片。电能计量芯片主要 实现对电压、电流信号的采集，并将采集的电信号转化成脉冲信号输出给单片机 进行计数。电能计量芯片选择的好坏，将直接影响到 IC 卡电表的精确程度。因 此，一定要慎重的选择。 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 AD 公司，南非 Sames 公司等；其中 AD 公司 先后推出了 AD7750、AD7751、AD7755 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 AD7750。 电能计量芯片 AD7750 1AD7750 简介 AD7750 乘积频率转换器(PFC)是美国模拟器件公司(ADI)1997 年推出的一种 功能很强的高性能器件。它能够将两个输入模拟信号(电压或电流)相乘积转换成 11 低功耗智能 IC 卡电表 11 与其成正比的输出频率。AD7750 是专为检测市电电能而开发的 IC。 电能通常用 kWh 表示，AD7750 是将输入的电流和电压相乘，再随着时间的 积累量而输出脉冲数，所有的运算都是数字处理。 图 4.2 为 AD7750 的内部框图。 图 4.2 AD7750 的内部框图 输入级的两个放大器是差动输入，分别输入电流和电压，然后利用两个 MD 转换器进行同步转换，得到的数字信号相乘，其乘积经过数字频率转换(DTF) 被输出，得到与电能相对应的输出脉冲。AD 转换器的基准电压源内藏在芯片 中。AD7750 为 20 脚封装，供电电源为单电源 5V，适用于单相两线交流市电的电 能检测，目标是用小型、价廉、使用方便的电子式电度表取代机械式电度表。 2.AD7750 工作原理 （1）输入级 从框图可知，输入缓冲级由差动放大器构成，分为两个通道，其高的输入阻 抗有利于双极性信号的输入。 通道 1 用于电流输入，其信号取自电流互感器(CT)副边两端的电压，两端电 压极性相反。缓冲级后的放大器增益可选为 1 倍或 16 倍，这可由 G1(脚)的接法 来选择。 通道 2 为电压输入，其后级增益固定为 2 倍。这两个通道，不管是输入单 一信号电压，还是相位差为 180的差动输入电压，加在输入脚上的最大电压都 是1V，其输入波形见图 4.3。在检测市电电能时，要注意输入电流、电压的峰 峰值在上述范围内，各输入脚的保护值最高为+6V。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 12 图 4.3 输入波形 AD7750 的应用电路如图 4.4 所示。 图 4.4 应用电路 （2）数字运算级 AD7750 内设的 AD 转换器由二次 调制器构成，为差动输入，其最大 输入电压是+2V。 由于通道 2 的放大器增益为固定的 2 倍，故像图 3b 那样的输入信号，其峰 峰值不能超过0.5V，AD 转换器之后的处理，完全为数字信号的处理。通道 1 的信号经 AD 转换后进入高。 通滤波器(HPF)。利用 ACDC(脚)的设定，可以将此高通滤波器短路，即信号 直通。在只检测交流的场合，可以使高通滤波器起作用，而把直流误差减小到最 低程度。经过高通滤波的数字信号，被送至延时电路，以便纠正因高通滤波而产 生的相位超前。 通道 2 的电压信号经 AD 转换后送入乘法器，与来自延时电路的电流信号 13 低功耗智能 IC 卡电表 13 相乘，乘积可选择为 2 象限或 4 象限：在 2 象限乘法时只是得到输出的大小， 而在 4 象限乘法时可得到大小和方向。 （3）数字频率转换(DTF) 为了从来自乘法器的乘积获得电能的大小，先将乘积量通过低通滤波器(LPF)滤 除无益的高频成分，再经数字频率转换变成一定频率的脉冲，该频率的高低与 电能的大小成正比，DTF 共输出 F1、F2、FOUT 三个脉冲信号，由 F1、F2 输出 的是宽度为 275ms 的低频脉冲，直接驱动步进马达或电子式脉冲计数器，以显示 电能值。 FOUT 输出较高频率的脉冲，可用来作校准等。通过选择工作模式，可以使 FOUT 只输出与通道 1 的信号成比例，或只与通道 2 的信号成比例的脉冲信号。 3AD7750 有功测量计算 设 u(t)、i(t)为某一线性常无源负载的端口电压、电流，则 u(t)、i(t)为 同一周期的时间函数，负载的瞬时功率 p(t)= u(t)i(t)，若将 u(t)、i(t)作为 两个模拟信号输入 AD7750，根据 AD7750 的转换特性，其输出频率 Fm 与负载的瞬 时功率成正比：Fm=K u(t)i(t)=K p(t)。由于负载在任意时间 T 内所消耗的有功 电度为瞬时功率在时间 T 内的积分： A T 0 t dt=K T 1 0 Fm dt, 若将该公 式离散化可表示为： Fm K A T m 1 1 ，由此可见，要测量任意时间 T 内负载消耗的 有功电度，只要对 AD7750 的输出频率在时间 T 内进行计数即可。式中 K 为与 AD7750 的设置和调节有关的常数。 4.3.24.3.2 微控制器微控制器 微控制器（MCU，Micro-controller Unit）是 IC 卡电能表的核心。所谓微 处理器，就是利用超大规模集成工艺，把原来体积很大的中央处理单元 (CPU)的 复杂电路，制成一片或几片集成电路芯片上，这种微缩的具有 CPU 功能的大规模 集成电路被称为微处理器，也称单片机。 单片机控制显示电路，将系统中要显示的总的用电量，剩余金额等信息通过 I/O 口线传送到 LCD 显示电路。 单片机还完成 IC 卡和表内存储器的读写操作及其他各种数据的处理，并协 调、控制表内的其他逻辑模块。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 14 单片机控制各设备的软件程序见附录一。 目前流行的单片机种类很多，51 系列就有数十种，但是为了更好的完成系统 的要求选择的单片机应满足速度快、功耗低、电磁兼容性能好、体积小等优点。 为了充分利用单片机的硬件资源，减少系统的成本，最大限度的降低系统功耗， 在众多单片机中，本设计选择了 ATMEL 公司的 AT89C2051 单片机。 AT89C2051 的标准特性如下：2K 字节闪存，128 字节 RAM，15 个 I/O 口，两 个 16 位定时器/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，一 个精准模拟比较器，芯片级振荡器和时钟电路。另外，AT89C2051 用静态逻辑设 计，可在低至 0HZ 下工作，支持两种软件可选节能模式。空闲模式下 CPU 不工作， 而 RAM，定时器/计数器，串口和中断系统继续工作。微功耗模式（power-down mode)下保存 RAM 的内容，但冻结振荡器，禁止其它所有的芯片功能，直到下一 个硬件复位到来。由于 AT89C2051 内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为 020MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏 RAM 内容。相比之下，一般 8031 对最低工作时钟限制为 3.5MHz，因为其内部的 RAM 是动态刷新的。 AT89C2051 不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要 ALEPSEN、RD、WR 一类的引脚。 引脚功能说明: VCC：电源电压 GND：接地 P1 口：P1 口是一 8 位双向 I/O 口。 口引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉电阻。 P1.0 和 P1.1 要求外部上拉电阻。 P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入 （AIN1)。P1 口 图 4.5 89C2051 引脚图 输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示。当 P1 口引脚写入 “1”时,其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7 用作输入并被外部拉低时,它们将 因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1 口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的七个双向 I/0 引脚。 P3.6 用于固定输入片内比较器的输出信号，并且它作为一通用 I/O 引脚而不可访 问。P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流。当 P3 口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电 阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的 P3 口引脚将用上拉电阻而流 出电流(In)。 P3 口还用于实现 AT89C2051 的特殊功能,如表 4.1 所示。 15 低功耗智能 IC 卡电表 15 表4.1 P3口引脚的功能介绍 引脚功能特性 P3.0RXD(串行输入口) P3.1TXD(串行输出口) P3.2Error!Error!(外中断 0) P3.3Error!Error!(外中断 1) P3.4T0(定时/计数器 0 外部输入) P3.5T1(定时/计数器 1 外部输入) P3 口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。RST 一旦变成高电平,所有的 I/O 引脚就复位到“1” 。当振 荡器正在运行时,持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一 个机器周期需 12 个振荡器或时钟周期。 XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出 编程方法：要对 AT89C2051 进行编程，推荐使用以下方法。 1.上电次序： 在 VCC 和 GND 引脚之间加上电源。 设置 RST 和 XTAL1 为 GND 电平。 其它引脚置空，等待至少 10ms 以上。 置 RST 引脚为高电平，置 P3.2 引脚为高电平。 2.对引脚 P3.3、 P3.4 、P3.5 、P3.7 正确组合加上逻辑高“H”或“L”电 平即可对 PEROM 进行编程操作。 3.在 000H 地址单元对 P1.O-P1.7 输入数据代码字节。 4.置 RST 端为+12V，激活编程。 5.使 P3.2 跳变一次来编程 PEROM 阵列中的一字节或加密位，写字节周期是 自身定时的，一般需 1.2ms。当校验已编程的数据,使 RST 从+12V 降到逻辑电平 “H”,置 P3.3-P3.7 引脚到正确的电平即可从 P1 口读取数据。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 16 6.对下一地址单元编程字母,使 XTAL1 引脚正脉冲跳变一次,使地址计数器加 1,在 P1 口输入新的数据字节。 7.重复 5 至 8，可对整个 2K 字节阵列全部编程,直到目标文件结束。 8.下电次序: 置 XTAL1 为低“L”电平 置 RST 为“L”电平 置空所有其它 I/O 引脚 关闭 VCC 电源 4.3.34.3.3 ICIC 卡的选择卡的选择 IC 卡是电能表和售电管理系统之间联系的媒介，用户和管理部门之间供购电 也是通过 IC 卡传递信息的方式进行联络，从而完成对电表的初始化。用户购电、 管理部门送电等操作，实现用户用电的过程管理。IC 卡还将用于存储用户的用电 及购电信息、总的用电量、剩余金额等信息。 智能卡属于半导体卡。半导体卡片采用微电子技术进行信息的存储、处理。 按照其组成结构，智能卡可以分为一般存储卡、加密存储卡、CPU 卡和超级智能 卡。 1. 存储器 其内嵌芯片相当于普通串行 E2PROM 存储器，这类卡信息存储方便，使用简 单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，但由于其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应用场所。 2. 逻辑加密卡 加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要 核对密码，只有密码正确，才能进行存取操作，这类信息保密性较好，使用与普 通存储器卡相似。 3. CPU 卡 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。由于 CPU 卡有存储容量大、 处理能力强、信息存储安全等特性。广泛用于信息安全性要求特别高的场合。 4. 超级智能卡 17 低功耗智能 IC 卡电表 17 在卡上具有 MPU 和存储器并装有键盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有 指纹识别装置等。 按照数据读写方式，智能卡又可分为接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡两类： 1. 接触式 IC 卡 接触式 IC 卡由读写设备的触点和卡片上的触点相接触进行数据读写，国际 标准 ISO7816 系列对此类 IC 卡进行了规定。 2. 非接触式 IC 卡 非接触式 IC 卡与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行读写 （例如光或无线电技术） 。其内嵌芯片除了存储单元、控制逻辑外，增加了射频 收发电路。这类卡一般用于在存取频繁、使用环境恶劣的场合。国际标准也对非 接触式 IC 卡技术作为规范。 鉴于以上几点，IC 卡的选择也是系统设计中重要的一环。设计中对 IC 卡的 选择主要考虑以下几个方面：卡片类型、存储模式、存储容量、安全要求和价格 因素等。对卡片类型的选择：电能表一般安装在室内或室外相对比较安全的地方， 周围环境条件较好，受到的外界干扰因素相对较少，所以宜选择接触式 IC 卡。 IC 卡容量的选择：本设计所需的 IC 卡是数据传递的媒介，并且数据要在 IC 卡保留一段时间，所以选用的 IC 卡必须带有非易失性的 E2PROM 存储器。卡中存 储关键数据的加密形式以及厂家代码、卡标识等信息，所以结合卡的价格因素， 选择存储容量为 8K 位的 IC 卡。 安全性要求的选择：预付费电能表系统的 IC 卡中的数据必须保密，并且在 消费时还要进行 IC 卡的认证，所以选择带 CPU 的 IC 卡或逻辑加密性存储卡。但 两者相比较，CPU 卡的价格要比逻辑加密卡贵许多，而逻辑加密卡也具有相对较 高的保密性能。 综合考虑以上因素，结合当前市场上流行的 IC 卡的使用，考虑到预付费电 能表推广所受到的价格方面的影响，本设计采用德国西门子(SIEMENS)公司设计 的逻辑加密型存储卡 SLE4428 卡。 1、SLE4428 型 IC 的介绍 SLE4428 是 Siemens 公司设计的逻辑加密 IC 卡，容量为 1k 8Bit，设有 两个字节的密码。只有通过了密码验证，才可以对 IC 卡内没有设置写/ 擦除保 护的内容进行写/ 擦除操作。该卡内部含有错误计数器(EC)，错误计数器总是可 以被写的。如果连续 8 次校验密码不成功，IC 卡将自动被锁死，数据只能读出， 不能再对数据进行写/ 擦除操作，也不可以再校验密码。每个字节都可以单独的 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 18 设置写/ 擦除保护，一旦设置了写/ 擦除保护功能，这个字节的数据就不能再写 / 擦除了，而且写保护功能只能设置一次。除了密码区，其它所有字节在任何时 候都可以读出。图 4.6 是 SLE4428 IC 卡芯片的引脚定义，表 4.2 是各个引脚功 能解释。 图 4.6 SLE4428 引脚定义 表 4.2 SLE4428 IC 卡引脚功能 引脚符号功能 C1VCC工作电压 C2RST复位信号 C3CLK时钟信号 C5GND地 C7I/O数据线 C4、C6、C8NC空余 2、SLE4428 IC 卡的功能描述 （1）SLE4428 容量为 1Kbytes, 地址空间由 01023。 （2）所有数据除密码外, 在任意情况下均可被读出, 密码在核对正确后可 以被读出。 （3）所有数据包括密码本身在核对正确密码后可以写入或更改。 （4）所有数据都可以按字节进行写保护，写保护后数据固化，任何情况下 不可更改。 （5）有一个密码出错计数器。地址是 1021。初始值为 8,密码核对出错一次,便 19 低功耗智能 IC 卡电表 19 减 1。若计数器值为 0,则整张卡的数据被锁死,只可读出,不可写入或更改且无法 继续核对密码;若不为 0,则只需有一次核对正确,计数器将恢复为初始值。 3、操作时序分析 SLE4418/SLE4428 IC 卡通过三线串行总线性与芯片接口进行信息交换。数据 在程序控制器统一协议下，进行数据序列转换与安全逻辑校验。 （1）复位与复位应答 IC 卡在上电时，芯片进入到上电复位状态（POR） ，POR 由一个复位操作 （Reset）终止。当 RST 引脚由“0”状态变换变换为“1”状态时结束。复位时， 将终止所有当前操作命令。 上电复位（POR）后，地在写数据或删除数据前，必须先进行一次读操作。 芯片复位时，地址计数器偏移置被设置为“0” ，第一个数据位出现在数据线 （I/O）上中,如图 4.7 所示。 图 4.7 复位与复位应答时序 （2）命令输入逻辑 SLE4418/SLE4428 共有 5 条控制命令，SLE4428 另有 3 条密码操作命令，如 表 3.3 所列。 表 4.3 SLE4428 IC 卡操作命令 字节 1字节 2字节 3 S0 S1S2 S3 S4 S5A8 A9A0-A7D0-D7 操作 1 00 0 1 1写入的数据带保护位的写和擦除 1 10 0 1 1写入的数据不带保护位的写和擦除 0 00 0 1 1比较数据带数据比较的写保护位 0 01 1 0 0 地址位 第 8 位和 第 地址位 的 低八位 无效数据读数据（带保护位） 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 20 0 11 1 0 09 位无效数据读数据（不带保护位） 0 10 0 1 11 1253屏蔽位写错误计数器 1 01 1 0 01 1254一个字节的验证码验证 PSC 的第一个字节 1 01 1 0 01 1255一个字节的验证码验证 PSC 的第二个字节 由表 4.3 可看出，每条命令由 6 位控制位，10 位地址位和 1 个字节数据组成。 进行写数据时，数据字节即是所要写入数据，可见 SLE4418/SLE4428 不能进行一 次性多字节数据，可见 SLE4418/SLE4428 不能进行一次性多字节写操作；读数据 时，数据忽略不计，一次性可读出多字节。当 RST 由“0”状态变为“1”状态， CLK 由“0”状态变为“1”状态时命令输入逻辑启动。命令输入完成后，设置 RST 为“0”状态，时序如图 4.8 所示。 图 4.8 命令输入时序 （3）写操作/删除操作逻辑 对 IC 卡进行写操作，意味着数据位由“1”状态变为“0”状态；删除操作 意消味着数据位由“0”状态变为“1”状态。SLE4418/SLE4428 IC 卡在进行写操 作与删除操作时，时钟（CLK）必须进行延续。一般来说，单独写操作或者单独 删除操作，数据输入后，时钟须延续 103 个脉冲，数据删除后立即进行写操作则 需要延续 203 个时钟脉冲。SLE4418/SLE4428 IC 卡具有三种擦写操作，即删除操 作后立即写操作、单独写操作与单独删除操作三种方式。如图 4.9 所示。写保护 位时，只须将数据重写一次，当第二次写入数据与前一次写入数据相同时，设置 保护位。保护位一旦设置便不能更改。 21 低功耗智能 IC 卡电表 21 图 4.9 写、删除时序 （4）读操作逻辑 按表 2 配置好读命令后，输入命令即启动读操作。当 CLK 为“0”状态变 为“1”状态时，第一位数据出现在 I/O 数据线上，此后每个 CLK 脉冲即接收 1 位数据。接收 8 位或 9 位数据（带保护位时，第 9 位为保护位）时即为 1 个字节。 每读完 1 个字节，IC 卡地址计数器偏移量自动加 1。当 RST 为“0”状态转变为 “1”状态时，读操作结束。读时序逻辑如图 4.10 所示。 图 4.10 读时序逻辑 (5)密码校验逻辑 SLE4428IC 卡具有 2 个字密码保护字节（地址偏移量分别为 1022、1023）以 及 1 个错误计数器（地址偏移量为 1021） 。如果没有进行密码校验，则 SLE4428IC 卡只能读出，不能写入，也不能读取密码字节。在没有进行密码校验 即读取密码字节，将返回“00” 。进行密码校验时，必须按以下步骤进行。 *改变一个没有写入位（没有写入位，其当前状态为“1” ，改变一个没有写 入位即使期由“1”状态改变为“0”状态） ； *写入第一位密码； *写入第二位密码； 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 22 *删除错误计数器； 密码校验时序逻辑如图 3.11 所示。 （写错误计数器请参看写时序逻辑） 。 图 4.11 密码校验时序逻辑 校验通过后，I/O 状态会由 1 变为 0。由于错误计数器不能自动擦除，所以 在断电前要擦除错误计数器，以使其在下次校验时还有最多 8 次的校验机会。校 验正确后，只要不断电就可以对 IC 的内容进行写/ 擦除操作，如果密码没有被 设置写保护，还可以对密码进行修改。 4、IC 卡与单片机的接口电路 IC 卡的接口电路是连接 IC 卡与读写机具的通道，由它对 IC 卡的供电，并满 足不带电插拔的要求。IC 卡接口电路如图 4.12 所示。 sw1, sw2 是一组常开触点的金属簧片，当没有卡插入时，簧片无接触，sw1 为高电平；当有卡插入时，sw1 为低电平，微处理器通过判断 sw1 管脚的状态来 判断有无卡插入。要保证 IC 卡的任意插拔，而不致引起 IC 卡损坏，必须保证 IC 卡的插拔过程处于断电状态。当系统检测到有卡插入时，系统给 IC 卡供电；当 IC 卡读写操作结束后，IC 卡下电，这时可以安全拔出 IC 卡。这样大大提高了 IC 卡操作的可靠性。在 IC 卡插拔过程中，由于机械触点开关的动作不可避免的会 存在着抖动问题，如何避免由于抖动引起中断重入进而造成系统死机成为最终症 结所在。常有的去抖方法有硬件去抖和软件去抖两种。采用硬件去抖不仅增加了 成本，而且实践发现也不是十分可靠。采用软件延时去抖，只要延时常数合适， 就可以有效的解决抖动问题。 另外，所有的 IC 卡接口部分都加入了上拉电阻，这些上拉电阻可以使各引 脚上的电压格限定在-VdVCC+Vd 之间。这样，可以抑制由于线路干扰和逻辑电 平变化的边沿产生抖动所带来的瞬间过压，为 IC 卡提供了进一步的保护措施。 23 低功耗智能 IC 卡电表 23 图 4.12 IC 的接口电路 4.3.44.3.4 EEPROMEEPROM 电路电路 由于 IC 卡上有许多用户信息，如用户号、电表号、电表剩余金额、累计用 电量、电表状态等，在电表上电和掉电时需要对这些数据进行必要的保护，因此 需要选择合适的 EEPROM 来存放 CPU 读取到的 IC 卡上的信息以及保护 IC 卡电表 的工作状态参数。目前流行的 EEPROM 主要有 24 系列，25 系列，93C 系列及 X5045 等。鉴于 X5045 的诸多功能，本设计采用 X5045 作为存储设备。 X5045 是一种集看门狗、电压监控和串行 EEPROM 三种功能于一身的可编程 电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。 X5045 中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间 时，电路中的看门狗将通过 RESET 信号向 CPU 作出反应。X5045 提供了三个时间 值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响， 当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。 X5045 的存储器与 CPU 可通过串行通信方式接口，共有 4096 个位，可以按 512 x 8 个字节来放置数据。 1、 引脚介绍 X5045 的管脚排列如图 4.13 所示，它共有 8 个引脚，各引脚的功能如下： 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 24 CS ：电路选择端，低电平有效； SO ：串行数据输出端； SI ：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端； WP ：写保护输入端，低电平有效； 图 4.13 X5045 的管脚排列 图 RESET ：复位输出端； VCC ：电源端； VSS ：接地端。 2、工作原理 X5045 的状态寄存器描述器件的当前状态，各位意义如表 4.4 所列。 表 4.4X5045 的状态寄存器意义 76543210 00W D1 W D0 BL 1 BL 0 W EL W LP 其中，WD1、WD0 是看门狗定时时间设置位；BL1、BL0 是存储单元写保护区 设置位；WEL 是只读标志，1 表明写使能开关打开；WIP 也是只读标志，1 代表芯 片内部正处于写周期。电复位时，各位都被清零。 X5045 芯片功能包括以下 4 种： （1）上电复位控制。在对 X5045 通电时，RESET 引脚输出有效的复位信号， 并保持至少 200ms，使 CPU 有效复位。 （2）电源电压监控。当检测到电源电压低于内部门槛电压 VTRIP 时，RESET 输出复位信号，直至电源电压高于 VTRIP 并保持至少 200ms，复位信号才被撤消。 VTRIP 的出厂值根据芯片型号不同共有 5 个级别的电压范围。对于需要电源电压 精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内 VTRIP 电压进行微调。 （3）看门狗定时器。芯片内部状态寄存器的 WD1、WD0 是看门狗定时设置位， 通过状态寄存器写指令 WRSR 修改这 2 个标志位，就能在 3 种定时间隔中进行选 择或关闭定时器。对看门狗的复位由 CS 输入电平的下降沿完成。表 3.5 是 WD1、WD0 组合的含义。 25 低功耗智能 IC 卡电表 25 (4)串行 E2PROM。芯片内含 512 字节存储单元，10 万次可靠写，数据保持时 间 100 年。XICOR 设计了 3 种保护方式防止误写。包括：WP 写保护引脚，当引脚 被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对 状态寄存器的 BL1、BL0 位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在 进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写 使能开关自动关闭。显然，在几方面的保护之下，产生误写的可能性极小，表 3.6 是 BL1、BL0 组合的含义。 表 4.5 WD1、WD0 组合的含义 WD1WD0 看门狗定时值 001.4s 01600ms 10200ms 11 禁止看门狗工作 表 4.6 BL1、BL0 组合的含义 BL1BL0 写保护的单元地址 00 没有保