电子信息工程毕业设计（论文） 2.电表硬件设置
本电表装置的硬件包括IC卡系统、表盘计数系统及电表费率系统三部分。通过安装在微机上的读写器，可用IC卡实现与普通微机的连接。卡内的数据由供电部门的售卡系统写入、电度表具有对电卡回写的功能，当用户将卡接触读写器，电表正确识别密码后，读入购买电量，然后再将零回写给电卡。
2.1 IC卡系统
IC卡系统由读写器和IC卡两部分组成。应用系统通过读写器对卡进行操作;读卡器通过射频信号同卡进行近距离通讯，并为卡上芯 片提供能量;非接触式IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。IC卡通过连接IC芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量，再通过整流得 到直流电流，从而得到工作电压及电流。IC卡的读写器通过发射线圈发射交变强磁场，给予IC卡能量，通过磁场的断、续编码写入数据，并通过线圈感 应IC卡发出的磁场阅读IC卡发来的数据;IC卡通过交变磁场获得能量，通过检验磁场的断、续获得读写头写来的数据，并按设定的模式编码、调制，向读写头发出数据。[2]
本系统主要由射频和SHC1501大规模集成电路构成，共同安装在PCB板上，同时安装屏蔽罩，可完成读写器与IC卡之间的各种交互功能，包括 调制/解调、加密/解密、认证、读写、加/减等，并具有同微处理器的接口。
IC卡与读写器的通信内容包括复位应答、防冲突、选择卡片、相互认证、对数据块的操作和中止。
2.1.1FM1712芯片简介
FM1712系列是复旦微电子股份有限公司设计的非接触卡读卡机专用芯片。它采用
0.6微米CMOS EEPROM工艺制造，可分别支持13.56 MHz频率下的typeA、typeB非接触式通信协议，以及Mifare标准的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531 读卡机芯片。FM1712内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离天线(可达10
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电子信息工程毕业设计（论文） cm)，而其接收部分则提供了一个坚固而有效的解调和解码电路，以用于接收ISO14443兼容的应答信号。数字部分还可以处理ISO14443帧和错误 检测奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外围电路就可以工作，它支持6种微处理器接口，其数字电路具有TTL和CMOS两种电压工作模式。
2.1.2系统设计
下图2.1所示是基于FM1712的通用射频读写系统的结构框图。该系统由AT89C51CC01、键盘、EEPROM、FM1712、LCD，以及 485通信模块组成。MCU负责控制FM1712对Mifare卡(也就是应答器PICC)的读写操作，再根据得到的数据对LED、EEPROM进行相应 的操作。MCU与PC机通过CAN总线进行通信。使用时，即使PC机与MCU之间通信发生异常，MCU也可以独立工作。在与PC机通信恢复之后，MCU还 可以将备份在EEP-ROM中的信息再传给PC机。AT89C5lCC01是一款单片封装的微控制器，它采用高性能的处理器结构，其指令执行时间只需2至 4个时钟周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C为操作方式的存储芯片。整个系统采用12 V电源供电，再由稳压芯片稳压成3.6 V。
图2.1 IC卡读写系统图
2.1.3工作原理
射频卡的电气部分由天线和1个高速(106KB／s)RF口、1个控制单元和1个8 KB的EEPROM组成。其中EEPROM分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位，每个扇区有独立的一组密码以进行访问控制。 每张卡都有一个唯一的32位序列号。该RF卡无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。信息
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电子信息工程毕业设计（论文） 存储在Mifare卡里，读写器与Mifare 卡通过各自的天线建立二者之间的非接触信息传输通道。系统数据存储在无源Mifare，也就是PICC(应答器)中。图2.2为系统工作原理，可以看 出，PCD(读写器)的主要任务是传输能量给PICC，并建立与之的通信。PICC是由一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈 等组成；而PCD则可产生高频强电磁场，这种磁场能穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为FM1712提供的频率为13.56 MHz，其波长比PCD的天线和PICC之间的距离大好多倍，故可以把PICC到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。首先让PCD天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过PICC的天线线圈，接着将PICC天线线圈和电容器C构成的振荡回路调频到PCD的发射频率。回路的谐振可使PICC线圈的电压 达到最大值，将该电压整流后作为数据载体(微型芯片)的电源。这样，在PICC启动之后，可与PCD之间进行数据通信。如上所述可以看出。[4]PCD的性能与 天线的参数有着直接的关系。在对天线的性能进行优化之后，PCD的读卡距离可以达到10 cm。
2.2电表费率系统
电表费率系统需要完成的功能主要如下: 1） 接收IC卡系统发送的用户购电信息;
2） 将新收到的用户购电信息与费率系统的自有用户用电信息进行合并计算以得到新的信息;
3） 动态计算以得出剩余电量,并在剩余电量到达警戒值时点亮LED管,以提醒用户购电,并在超额用电量达到一定值时切断电源。数据抄录采用查询方式，每个前端单片机对应一个全系统唯一的地址编码，当主机要抄录某个单片机中的电表数据时，只需将其地址向通信网中进行广播，前端单片机接收地址后，与本机地址编码比较，从而决定是否发出本机记录的所有电表数据。采用这种查询的数据抄录方式，抄表人员可随时打开计算机，根据需要进行抄表。
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电子信息工程毕业设计（论文） 2.3 LED显示器
常用的显示器分为LED发光二极管显示器，是一种当外加电压加在发光二极管上可产生可见光的器件，具有体积小、重量轻、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短、发光均匀、清晰、亮度高等优点。于液晶显示器相比，它更适用于在光线暗的环境中使用，主要缺点是工作电流大。
2.4 显示控制方式
显示器接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则分为并行传送和串行传送两种方式；按显示器接口是否带译码器可分为译码和非译码两种显示数据方式。
静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器的通电占空比约为100%，优点是显示稳定，亮度高，缺点是占用硬件电路多。动态显示时多个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省硬件电路；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，亮度会受到影响。
2.5表盘读数系统
电表转盘读数头（红外发射接收管）产生的脉冲信号经一个非门输出到单片机的P1.4口，单片机实时对P1.4口进行监测。
2.6单片机选择
本设计采用低功耗，高性能的89C51单片机,北京集成电路设计中心推出的BI／ATu89C51的单片机。它是一种低功耗，高性能的含有4K字节快擦写可编程／擦除只读存储器（EEPORM）的8位CMOS单片机，时钟频率高达24MHZ，与8031的指令系统和引脚完全兼容。芯片上的EEPROM允许在线（＋5V）电才擦除，点写入或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。此外，BI／ATu89C51还支持由软件选择的二种掉电工作方式。非常适用于电池供电或其他要求低公耗的场合。[5]由于芯片内的4Ｋ程序存储器可在线或用编程器重复编程，受到了应用设计者的欢迎，并得到较为广泛的应用。
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电子信息工程毕业设计（论文） AT89系列单片机（简称89系列单片机）是ATMEL公司的8位Flash单片机。这个系列单片机最吸引人的特点就是在片内含有Flash存储器，因此它有着十分广泛的用途，特别是在便携式和需要特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。
89系列单片机是以8031核构成的，所以与8051系列单片机相互兼容。这个系列对于以8051为基础的系统来说，进行取代和构造十分容易。89系列单片机的内部结构与80C51相近，主要含有以下几个部件： ? 8031CPU； ? 振荡电路； ? 总线控制部件； ? 中断控制部件； ? 片内Flash存储器； ? 片内RAM； ? 并行I/O接口； ? 定时器； ? 串行I/O接口； 引脚见图2.6
图2.6 89C51引脚图
1234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17RESETRXDTXDINT0INT1T0T1WRRDX2X1GNDVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221AT89C512.6.1引脚功能
1、I/O口线, AT89C51引脚图如图2.2所示。 （1）P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器及扩展I/O口时，P0口作为低字节地址/数据线复用。 P0口也可做通用I/O口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普通输入时，应将输出锁存器置1。P0口可驱动8个TTL负载。
（2）P1口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 P1口是为用户准备的I/O双向口。
（3）P2口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
当使用片外存储器或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。P2口也也可做通用I/O口使用。用做输入时，应将输出锁存器置1。P2口可驱动4个TTL负载。
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