电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计【开题报告】

1、毕业设计（论文）开题报告题目： 电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计专业：电子信息工程1选题的背景、意义老式的电度表大都有测量精度低、灵敏度差和易受电磁干扰等缺点；并且大 量非线性元件的使用，增加了电网高次谐波，其电压电流并非标准正弦波，因而导 致测量精度下降，误差增大；尤其当波形畸变较大时甚至无法正常的工作10这样的情况是不能承担超重负荷的电量测量的。 为了改变这个状态，也为了合理利 用电能，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，国内部分省市的供电部门 已开始逐步推广使用多费率电能表、电子式多功能测量仪表、IC卡预付费电表、基于单片机的电能自动测量系统、基于AD的电能自动测量系统，这一系列

2、电表的 设计是促进均衡用电的一种经济有效的方式。随着社会生产力的发展和科学技术的进步，电度 IC卡预收费系统提出了使 用之前预先收费、分时间段计费、用电管理现代化等要求。它包括电度预收费数 据库管理系统、IC卡（用户持有）、智能IC卡预收费电度表三部分2。现已出现 了接触式卡预收费电度表，它使收费从手工计价、人工抄表转变为用户持卡购电， 实现了电费收缴管理自动化，但它不能解决无源和免接触等问题。通过本次设计希望能克服接触式电能表无法解决无接触和无源的问题，即设计一个非接触式IC卡电能表。在系统软件软件方面，采用模块化程序设计，以便 于调试和功能扩充。系统通过软件的设计，具有电量显示，预收费，电

3、量不到 5 度的报警等功能。同时，采用看门狗的软件技术，防止外部信号的干扰，确保电 能表的稳定性。总之，所设计的系统具有可靠性高、使用方便、操作速能快等特 点。2相关研究的最新成果及动态随着IC卡技术的不断发展以及国内相关行业服务意识的提高，居民日常生 活也开始广泛使用IC卡技术。95年之前IC卡电表多为可擦除存储芯片（EEPROM 或一般存储卡，以93C46和24C01为主；95年后以存储卡和逻辑加密卡为介质， 出现了大范围使用IC卡表的状态；98年后使用以CPU卡和ESAM真块方式为加 密介质的IC卡表并逐渐向CPU#和ESAMK块方式过渡。1.1 非接触式IC卡非接触式IC卡（又称射频卡

4、）是国外近几年发展起来的新技术，它解决了无源 和免接触难题，成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来。射频卡无需专门的供电电源，与读写器间无机械接触，从而避免了接触故障；表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题，可靠性高、操作速度快、使用方 便3。非接触IC卡系统的工作过程为4:上位机向读写器发送指令，读写器接到该 指令后进行分析然后执行，将上位机的指令信号编码后加载到频率为 13.56MHz 的载波信号上，然后经天线向外发送，如果无源非接触IC卡进入读写器工作区域， 则可接收到此脉冲信号， 此时， 卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电 压， 然后产生复位信号建立时钟信

5、号； 同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行 调制、解码、解密，然后由内部管理程序对命令请求、密码、权限等进行判断，如果指令请求、密码、权限正确，就由IC卡内部控制逻辑电路执行相应的功能，并向读写器返回处理结果信息 , 若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。读写器将非接触IC卡的返回信息传给上位机。如接收不到IC卡的返回信息， 则向上位机返回无卡信息 5 。1.2 单相智能电能表6本电能表系统采用“专用电能计量芯片 MCU为主体结构，通过电网输入通 道接口得到由电流互感器和电压互感器， 经过采样电阻和滤波电路， 然后有专用 的电能计量芯片AD775进行采样和计算，采集后的先进行模数转换

6、，然后进行数 字乘法器计算，得到电压和电流的有效值、有功、无功、视在功率和能量等各个参数数据，滤波后输出到单片机的T0口，然后单片机进行控制输出显示，报警， 过压检测，寄存器存储等一系列的功能。1.3 IC 卡软件方面的安全技术7一般在较简单的IC卡（存储卡等）中，所采用的安全技术较简单，多以硬件技 术实现；而带MPUJ智能IC卡所采用的安全技术较为复杂，一般由软、硬件结合 共同实现，且其中软件所占比例较大。软件就是指带MPUJ智能IC卡系统监控程序或IC卡操作系统，其中，IC卡操作系统就更加完善和复杂了。非接触式IC卡没有机械触点，在IC卡与IC卡接口设备之间的通讯是通过无线方式进行的。非接

7、触式 IC 卡源于射频识别技术。一个典型的射频识别系统由两部分组成， 一是被称为射频识别标志的应答器， 二是寻呼器。 其中寻呼器的主要组成是无线收发机， 而 应答器则装有感应线圈 （ 天线 ） 和用于存储相关信息的存储器。非接触式IC卡技术就是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。如果从射频 识别技术角度出发，可以认为非接触式IC卡是一种相对特殊的即应答器，其读写 设备就是寻呼器：如果从IC卡技术的角度出发，也可以认为射频识别产品是一种 特殊的无接触式IC卡，其寻呼器即为读写设备。3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线） 、研究难点及预期达到的目标3.1 研究内容设计的主要内容和基本要

8、求包括：（1）设计中采用CPUE制技术，即采用C51系列的单片机，通过对单片机的编程， 使它具有使电能表具有正确累计、显示用户耗电数。（2）单片机的程序，即软件的设计，需满足 IC卡预收费的相应的功能：应具有读取IC卡的电度数并显示用户可使用的电度数的功能。应具有限量供电功能：当电表中可供使用的电度数到达警戒位时， 加以提 示，当表中供使用的电度数为零时，自动断电。应具有过载保护功能。应具有保密功能，保证一卡一户，互不通用。应具有掉电保护功能，使停电时，表中数据可靠保存等。3.2 研究方法（技术路线）1）硬件电路我们采用模块式的设计思路，即将电能表的设计分为：数据的采集模块、电 能计量模块、单

9、片机控制模块，接着进行调试及实验的校准，其具体电路结构如 图13所示：图1非接触式IC卡预收费电度表的硬件电路结构图电能计量模块采用专用的电能计量芯片。该芯片有内置的A/D转化器和DSP处理器。电能计量芯片按一定的速率对电压、 电流进行A/D转换，并将采样值转换 为数字量，得到用户消耗的电度数。采样速率决定电能表的准确度，速率越高， 准确度也越高。DSPt理器就是对电压、电流进行乘积和进行其他各种运算网。数据采集要完成模拟量向数字量的转换过程，这一集成电路成为模数（A/D） 转换芯片。ADC0809是比较式8位CMOS（数A/D转换器，有8个通道，可输入8 路模拟信号，芯片内设置了 8路模拟选

10、通开关，以及相应的通道地址锁存及译码电路，因此能对多路模拟信号进行分时采集与转换，其内部结构如图2所示。ADC080附输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V,若信号太小，必须 进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持稳定， 若模拟量变化太快，则需 在输入前增加采样保持电路。图2 ADC0809勺内部逻辑结构如图本次设计非接触式电度表，要解决无源和免接触的问题，那就要用到非接触 IC卡读写模块。非接触式电能表使用的是无源应答器，它的微型芯片工作所需 要的全部能量必须由阅读器提供，因为阅读器的天线线圈会产生高频的强电磁 场。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别应答器中所保存的电子数

11、据， 从而达到自动识别物体的目的。控制器射频模块以及其与外部输入输出接口主要由控制模块完成。射频模块主要用于通过无线射频自动捕获应答器中的数据，并解调来自应答器的高频信 号，然后通过串口 RS485将射频模块采集到的数据送往计算机处理和控制部分， 实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等。本次设计的读写模块采用上海华虹集成电路公司开发的SHC170芯片。它主要由射频和SHC150大规模集成电路构成，SHC1701 RF块是IC卡读写器的核心 单元，它由RRfe路以及SHC150专用电路等电路组成，并且安装有屏蔽罩，覆盖了 所有对非接触式IC卡SHC110的访问操作，可自动完成读写器与IC卡之

12、间的交流 功能，包括读写操作、解密加密、调制解调、简单运算、认证等 10。PCF8563 9是具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，通过C51嵌入式软件对 PCF85633勺各个功能寄存器进行当前时间值的写入初始化，再读出PCF856*目应寄存器的秒、分钟、小时、日、星期、月和年的值，并分别在1602液晶显示器和七段LED数码管上进行实时显示，其电路原理图如图 3所示。XI1 , R110K媪IJ2768H2-=SCIVTDOCD CLECOUTMTSC.LV33EDA*R2 - R4ICKs 3CLKOUTSCL DA.图3 PCF8563W精度调整2)软件设计本次设计主要是通过对单片机进行编

13、程， 实现上述硬件电路的功能。非接触 式IC卡预收费电度表的程序采用模块化设计， 根据硬件电路的各个模块功能，针 对各个功能进行程序编写，最后整合各模块，成为一个完整系统，实现预定功能， 其主控制框架如图43所示。单片机控制模块是基于51系列微处理器11 ,采用CS言编写程序，从各个模 块读取数据，同时根据修正后的数据计算出功率、电压、电流、功率因数的参 数，并计算出统计量，转换后再控制其他模块，实现预定功能。C语言具有良好的模块化，易于阅读和维护，用 CS言编写的程序有很好的可移植性，功能化的 代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程，从而大大减少了开发的时间， 使程序员减少了对硬件进行操

14、作的频率。系统程序的主要功能：(1)非接触式IC卡的读写功能读取非接触式IC卡，读取IC卡卡号密码等信息，并读出卡中存储的数据，然 后能对IC卡上的数据进行处理；(2)电度计数功能电表表盘转动时，由红外发射接收管把表盘数变成电脉冲然后送入单片 机。系统实时监测电表转盘读数头(红外发射接收管)发来的脉冲信号，当脉 冲信号由高电平变为低电平时，计数器 COUNT1,而当计数器COUNT值等于电 表常数时，剩余电度数就会减1,而用电量则加1,同时对COUNT零，这样就完成 了对用电量的计数；(3)电度表的预收费功能用户持IC卡到供电部门交款购电时，供电部门由写卡程序在IC卡上写入与用户交款数相符的一

15、定电度数，用户把 IC卡带回家，将卡掠过家中预 收费电度表时，系统自动读取IC卡中的电度数与单片机内存中剩余的电度数相 加，并存回内存，然后继续按照程序对用电量进行计数；(4)显示功能系统要显示表内剩余的电度数，当读写IC卡发生错误时，能显示出错信息， 这些都会显示在液晶屏上；(5)报警断电功能当剩余电度数到达警戒位时，提示用户用电量将尽，即点亮一个发光二极管, 提示用户持卡重新购电，当表中供使用的电度数为零时，控制继电器就会切断用 户供电电源，用户只有再次存入电度数后，才能恢复供电。否IC卡处理子程序“是否看门狗品位Fth度计数子程序图4主控制程序3.3 研究难点必须熟练掌握硬件知识、单片机

16、技术、C语言和汇编语言,要完成此次设计, 还有一定的绘图知识。 (1)电能计量问题电能计量面临严重的用电非线性和随机性，这要求计量系统的智能化，考虑 到电能计量的准确性，要考虑对谐波信号、非稳态畸变信号等复杂信号条件下的电能计g12-14(2)限量供电问题当剩余电量达到最低标准时， 系统能够发出警报， 提醒用户购买； 若用户不再购买， 已购电的数目用完之后， 自动停止对用户供电， 我们采用定时器来完成 这项任务。（ 3）抗干扰问题程序常常由于不稳定， 出现误差或者跑飞， 导致测量不准确。 为了克服这种弊端，软件抗干扰技术主要有：在程序中插入空操作指令；采用软件陷阱；睡眠抗干扰。在这个设计中，主

17、要运用“看门狗”技术来提高程序的稳定性15-17 。（ 4）掉电和过载保护问题当总的电路掉电或者用户过载而引起程序不稳定问题，我们采用内放置电源，以供掉电引起的问题；采用自动选择开关，决定是否供电，防止触电。（ 5）安全问题卡表面上无金属电触点，与外界的能量及数据交换是通过调制电磁波实现。IC在使用中可能受到各种各样的攻击，我们要做的是发现有人采取不轨措施，能够立刻发现。在用电路实现算法或CPUL行算法时，根据处理数据的不同会表现出功耗的差异。算法如果采用软件实现，那么采用本身具有抗功耗分析的CPU!关键之一。当执行秘密数据（ 比如密钥 ） 时，就会通过功耗泄漏18-20 。3.4 预期达到的

18、目标解决各项问题后， 电能表能正确累计、 显示用户耗电数； 具有限量供电功能；具有过载保护功能；具有保密功能，保证一卡一户；具有掉电保护功能，使停电 时，表中数据可靠保存；可以对系统进行可靠、稳定的控制。4 研究工作详细工作进度和安排2010 年 12 月 2011 年 1 月：收集资料、调查研究准备阶段；2011 年 2 月：选材设计，以及对电能表的设计；2011 年 3 月：编写程序，实现规定功能；2011 年 4 月：完善各模块功能；2011 年 5 月：系统测试和评估阶段；课题终结阶段并进行答辩。5 参考文献1 赵新民，王祁. 智能仪器设计基础D. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 1997.

19、2 张西良，毛翠云，陈祖爵. 智能 IC 卡预收费电度表研制 J. 工业控制计算机， 2001 ，14（12） ： 56-63.3程启明，谭青.非接触IC卡预收费电表的微机控制系统J.上海电力学院学报，2003,19（1） ： 23-28.4Texas Instruments. Tag - it TM Reader System Series 6000 Host Protocol ReferenceManualR.July 1999.5沈广鸿，吴先良.提高无源非接触IC卡作用范围的有效方法J.安徽大学学报(自然科学 版),2002, 26(1) : 66-70.6李大鹏，王祁.三相复费率网络化智能电能表的研制J.仪器仪表学报，2006, 27(6):1811-1812.7赵英瑞.IC卡安全芯片的物理抗攻击研究D.复旦大学，2006.8刘艳萍.DSP技术原理及应用教程M.北京航空航天大学出版社.20059潘晓宁，朱耀东.单片机程序设计实践教程M.