基于RFID的預付費電能表的研制

摘要 運用保密性好且物美價廉的RFID技術實現預付費電能表；著重介紹RFID本身及其與電能表的接口。作為核心部分的電能表，采用全數字電路來實現，有效地提高了測量精度；同時采用可視化的液晶屏和交互式的鍵盤等，改善了人機界面。RFID和電能表的集合，改變了現在的電表付款方式，可以提高電力部門的工作效率，安全、可靠；是當前電子式電能表的一種發展方向。

關鍵詞 RFID預付費電能表MFRC500AD7755MSP430DS130224LC16

引言

　　隨著人均用電量的大幅度增加，推動了一戶一表制的使用。傳統的機械式電能表測量精度有限，會帶來較大誤差；當用電量很大時，誤差將讓人難以接受。本文介紹的電子式預付費電能表是通過電能測量集成電路對電壓電流的取樣信號進行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號；微處理器通過對脈沖計數來計算所消耗的電量。用戶將RFID卡片（預先在電力部門購買，卡片上充有定額的現金）靠近電能表，這時MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲到EEPROM，同時此卡清零。電能表將通過聲音和LCD顯示來提醒用戶充值。

1 硬件電路總體設計

　　通過對AD7755的電能測量，與以低功耗著稱的MSP430 MCU接口，再用DS1302作為時鐘，將數據儲存在24LC16 EEPROM中。用工作于13.56 MHz的MFRC500芯片來實現預付費卡片數據的讀取。硬件框圖如圖1所示。

1．1 電能計量模塊AD7755的特點和接口

　　AD7755是Analog Devices公司生產的電量計量集成電路，技術指標超過了IEC1036規定的準確度要求。值得一提的是，國內現有替代產品，上海貝嶺的BL0932可以很好地替代AD7755。這里的AD7755工作于這種方式：電流和電量通過其互感器送入各輸入通道。電壓和電流通道上額定值要設計在最大輸出電壓的半刻度上，使電表能滿足過壓和過流的要求。把CF頻率輸出端接到單片機的端口，設置SCF＝0，S1＝0，S0＝1，CF的最高輸出頻率為21.76 Hz，MCU對輸入脈沖進行計數，計數值的大小即反映電能消耗的多少。本設計中，分流器電阻在340 μΩ條件下，表常數為3 200脈沖/kWh，即每kWh電產生3 200脈沖。從CF經光耦輸出到MCU計數。

圖1 硬件框圖{{分頁}}

1．2 MCU模塊MSP430

　　MSP430 MCU是TI公司的超低功耗16位單片機；采用精簡指令集；具有豐富的片內外設，功能強大，并且具有很低的電能消耗，特別適用于三表設計。在此選用帶有LCD驅動和I/O豐富的MSP430F435。MSP430F435有80和100兩種封裝形式（在此選用小型化的80封裝）。MCU作為電路的核心模塊，要與各個外設打交道，不僅要負責計出AD7755所輸出的計量脈沖值，還要將其轉換為金額，并對各種外擴的接口芯片進行協調和處理。

1．3 時鐘模塊DS1302

　　要保證電能表時間的準確性，時鐘電路還是必需的。在此選用Dallas公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片DS1302，可以對年、月、周、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達2.5～5.5 V。DS1302采用三線接口與MSP430單片機進行通信。這部分主要是對DS1302的串行信號和時鐘的模擬以及掉電保護電路設計。

1．4 外擴存儲器模塊24LC16

　　作為計量儀表需要有許多數據（如電流電壓的系數、分時計費表、累計計費表等）是變動的或可以通過正常手段修改的，但不能因系統中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失。串行EEPROM是當前儀表設計中最合適的器件。這里選用Microchip公司生產的24LC16來實現這種功能。24LC16是具有I2C接口的EEPROM。其容量為2048