1、毕业设计文献综述题目电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计专业电子信息工程前言部分IC卡预付费电度表是以IC卡作为电能量值数据传输媒介，在电度表（电子式电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算功能的智能型电度表。IC卡又称集成电路卡，是1974年一名法国新闻记者发明的。随着国内各个行业服务意识的增强，IC卡技术的发展越来越迅速，在居民用户日常生活中，IC卡技术的应用越来越广泛。尤其是在相关的计量表计中，例如电表、燃气表、水表、暖气表，IC卡技术的应用已经很成熟了。目前，很多居民区都已经开始采用IC卡来数据管理，包括抄表、收费、控制，这使IC卡表成为目前国内
2、应用技术发展的一个亮点。已有的电表收费方式包括（1）人工抄表收费的方式，这个方式下用户安装的是普通计量仪表，工作量大，管理人员数量需求多，要在固定的时间内，由管理人员上门抄表和收费；（2）自动抄表收费的方式，这种方式技术难度很高，通讯网络建设及维护成本也很大，用户安装的是具有通讯能力的计量仪表，通过通讯网络系统，自动完成用户计量仪表的数据抄收，然后通过金融网点以自动或人工方式完成缴费；（3）IC卡电表收费方式，这是一个能完成电量抄收和电量结算的新型电表，即在电能计量仪表中加入IC卡及负荷开关控制等功能模块，不需要人工抄表，更有利于现代化管理，历史购电数据都能保存，便于管理，也便于客户查询。目前
3、IC卡电表发展状态95年之前以93C46和24C01为主，以各种钥匙方式存在的电可擦除存储芯片（EEPROM）或一般存储卡，主要在物业小区使用。9599年以存储卡和逻辑加密卡为介质，出现了以城市为单位，大范围使用IC卡表的状态，使用范围从单纯的物业小区扩展到行业管理部门，尤其以电力部门较为突出。98至今出现了以CPU卡以及ESAM模块方式为加密介质的IC卡表，并逐渐向CPU卡和ESAM模块方向发展，首先由北京供电局在北京市全面推广，然后其他省市也开始推广，从此IC卡电表进入成熟期。同时IC卡水表和IC卡气表也逐渐进入高速发展期。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
4、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，电量不足时自动报警等功能。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，所设计的系统要具有可靠性高、使用方便、反应迅速等特点。主题部分本次设计要设计出主控系统是以CPU为核心的数据处理单元的电能计量系统，系统能分别实现电能的正确累积、显示用户的耗电数外，可实现预收费、自动报警和供电管理部门网络化的管理手段，而其中的软件设计，使其具备预期功能。一、单片机介绍单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处
5、理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计时器、中断系统、多种I/O口和显示驱动电路、模拟多路转换器、脉宽调制电路、A/D转换器等电路，集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。80511单片机是由中央处理器CPU运算器和控制器、存储器RAM和ROM、I/O口P0、P1、P2、P3、定时器/计数器、中断系统以及特殊功能寄存器SFR等构成。MCS51单片机的引脚下面分别说明DIP封装的40个引脚的功能1电源及复位引脚1VCC40脚电源端，接5V。2VSS20脚接地端。3RST/VPD9脚RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚是单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡
6、器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。当VCC电源降低到低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入，以保证片内RAM中的信息不丢失。4EA/VPP31脚EA为片内外程序存储器选用端。该引脚为低电平时，单片机只选用片外程序存储器；该引脚为高电平时，单片机先选用片内程序存储器，然后选用片外程序存储器。VPP片内EPROM编程电压输入端，当用作编程时，需输入21V编程电压。2晶体振荡器接入或外部振荡信号输入引脚1XTALL19脚晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚接地。2XTAL218脚晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外部振荡器时
7、，此引脚作为外部振荡信号的输入端。3地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输出引脚ALE/PROG30脚地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。ALE为地址锁存允许信号输出引脚，当8051单片机上电正常工作时，自动在该引脚上输出频率为FOSC/6的脉冲序列。当CPU访问外部存储器时，此信号作为锁存低8位地址的控制信号。PROG为编程脉冲输入引脚，当对片内ROM编程写入时，此引脚作为编程脉冲的输入端。4外部程序存储器选通信号输出引脚PSEN29脚外部程序存储器选通信号，低电平时有效。当从外部程序存储器读取指令或数据时，每个机器周期，该信号两次有效，从而通过数据总线P0口读取指令或数据。5I/O引脚
8、1P00P078位数据/低8位地址复用总线端口。2P10P17静态通用I/O口。3P20P27高位地址总线端口。4P30P37双功能端口。二、编译语言及软件随着单片机开发技术的不断发展，目前已有越来越多的人在开发时开始使用高级语言来代替汇编语言，其中主要是以C语言为主。C语言1具有良好的模块化特性，易阅读和维护等优点，用C语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，从而减少了开发时间。C语言的特点就是可以使程序员尽量少地减少对硬件的操作，它是一种功能性和结构性很强的语言。对于大多数51系列单片机，使用C语言这样的高级语言比使用汇编语言有优势。使用C语言肯
9、定要使用到C语言编译器，即把写好的C语言程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。KEILVISION2是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一。VISION2IDE是基于WINDOWS的开发平台，包含一个高效的编辑器、一个项目管理器以及MAKE工具。VISION2支持所有的KEILC51工具，例如C语言编译器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码和HEX的转换器。三、程序模块设计设计的主要内容和基本要求包括（1）设计中采用CPU控制技术，即采用80C51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
10、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。1）数据采集在单片机的实时控制和性能测试等应用系统中，往往需要将一些连续变化的模拟量转换成数字量，这样才能输入计算机中进行处理，这种完成模拟量向数字量转换的集成电路就是模数（A/D）转换芯片。ADC08092是比较式8位CMOS模数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路模拟选通开关，以及相应的通道
11、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。ADC0809具有以下主要特性（1）8路8位A/D转换器，即分辨率为8位；（2）具有转换启停控制器端；（3）转换时间为100US；（4）单个5V电源供电；（5）模拟输入电压范围为05V，不需零点和满刻度校准；（6）工作温度范围为4085OC；（7）低功耗，约15MW。2时间显示PCF85632是PHILIPS公司推出的一款属于工业级，内含I2C总线接口功能，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PCF8563的各个功能寄存器进行当前时间值的写入初始化，再读出PCF8563相应寄存器的秒、分钟、小时、日、星期、月和年
12、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，从而实现准确计时的功能。I2C总线3，即采用双线传输，一根为串行数据线SDA，另一根为串行时钟线SCL，这两根线均为开漏或集电极开路门输出，允许多个设备之间的相互连接。24C16是一种2KX8串行EEPROM，它采用I2C总线与其它芯片连接，工作方式为从器件方式；每字节可擦/写100万次；数据保持时间可大于40年；有L6个字节的页面写缓冲地址区域；写入时带有自动擦除功能，并有自我写入定时的功能；页面写周期约为510MS。其总线规程定义为（1）仅当总线不忙时，数据传送才能开始；（2）数据传送期间，无论何时时钟线为高，数据线必须保持
13、稳定；（3）当时钟钱为高时，数据线的变化信号将作为传送的开始或停止的条件。在家用电器、实时工控、仪器仪表等以单片机为核心的微处理器系统中，经常要求数据或状态参数不仅能够在线修改，而且在断电后也能够保持，以便在下次开机时，系统能够恢复到上次退出的状态，在系统中配置EEPROM就可以实现掉电保护功能，使停电时能够完整保存电表中的数据。3）准确的电能计量电度表的精度和电流电压互感器是影响用户用电量计量的准确度的直接因素。电度表的检定数据均由人工计算处理,所有数据送交微机室由人工录入计算机存档管理,人为判断校准国家计量检定规程的要求范围,检定结果的真实性不能确保。但是，非接触式IC卡预收费电度表的计费
14、方式为用户持卡购电的消费方式,实现了电费收缴管理自动化，降低了错误率。目前，电能计量46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，要考虑到在谐波信号、非稳态畸变信号等复杂信号条件下的电能计量，确保电能计量的准确性。基波电能的计量主要有感应式电能表、机电式电能表、电子式电能表和智能电能表。谐波的计量主要有以下几种思路采用综合功率的方式，基于基波型电能表计量包括基波功率、谐波功率在内的综合实际功率；采取检测与分离的手段分别计量；专用的谐波表进行计量。采用功率分解测量方法，准确地计量非稳态畸变信号条件下的电能；FFT方法，是一种按频率点进行信号分解的方法；小波变换，具有多分辨率分析的特点
15、，而且在时频领域一样具有表征信号局部特征的能力，是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法；傅里叶变换和小波变换结合的方法对电网畸变信号进行分析与检测。4干扰问题单片机应用系统的可靠性是指在指定的应用环境和条件下，系统稳定工作的能力。解决抗干扰问题可以从两方面入手一方面是从硬件设计角度，提高系统抗干扰的能力；另一方面是从软件角度提高系统的可靠性。有一些更具体更有效的抗干扰措施是软件和硬件相结合。本次设计主要是针对软件的设计，那么主要涉及到应用系统的软件抗干扰技术79主要包括（1）在程序中插入空操作指令指令冗余在软件设计时,应多采用单字节指令，并在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入N
16、OP指令，就可以起到防止程序跑飞的作用。（2）采用软件陷阱当CPU受干扰，程序跑飞，此时指令冗余也无能为力的时候，在非程序区设置拦截措施,强迫程序进入一个指定的地址，就是让程序进入陷阱，执行一段专门处理的程序，纠正出错跑飞的程序，这个程序陷阱主要由3条指令构成,其中ERR为指定地址NOPNOPLJMPERR软件陷阱常安排在下列4种地方未使用的中断区；未使用的大片ROM空间；程序区；数据表格区。（3）睡眠抗干扰采用这种安排，CPU受到干扰的威胁大大降低，也可以降低CPU的功耗。主要操作就是让CPU在非正常工作时进入休眠状态，工作时再由中断系统来唤醒CPU，工作完再进入休眠状态。在这个设计中，主要
17、运用“看门狗”技术来提高程序的稳定性，当程序进入死循环或PC指针落到程序存储器芯片地址之外,冗余指令和软件陷阱都不能纠正程序的时候,系统很有可能会完全瘫痪。这种情况下只有通过复位来解决。X5045有上电复位、低电压复位控制、可编程看门狗定时器。看门狗定时器帮助系统从问题中恢复出来。计数时间到，看门狗复位系统。作为软件循环的一部分，定时器计时完成前，微处理器复位看门狗定时器。如果有软件问题，如死循环或等待外部器件，看门狗定时到，就会复位微控制器。5）功耗问题一般来说，供电电压越高，系统功耗也就越大，因此，低功耗单片微机系统应尽量采用低电压供电方式。电子式IC卡预付费电度表要考虑到实际应用，所以电
18、表的功耗10也是一个设计重点。因为CMOS集成电路具有抗干扰能力强、微功耗、工作温度范围宽等特点，所以一广泛用于低功耗系统选用低电压供电系统功耗，减少系统功耗，有利于电池供电。另外CMOS器件的输入端不能悬空，以免输入端电平不稳定，电路来回翻转，增大系统的功耗。在低功耗系统设计时，要尽量选用低功耗的外围器件，除了单片机和外围集成芯片选用CMOS器件外，还要选用低功耗器件，选用低功耗高效率的电路，这样可以降低系统的整体功耗。除了硬件方面选择低功耗的电路及器件，在软件方面，采用低功耗的工作方式，尽量缩短CPU的运行时间，如单片机的待机、掉电工作方式，存储器的维持工作方式，分区分时供电方式等都有助于
19、减少系统功耗。6）非接触式现已出现接触式IC卡预收费电度表,但它不能解决无源卡中无电源和免接触等问题11。非接触式IC卡又称射频卡是国外近几年发展起来的新技术12，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。非接触式IC卡1314系统由读写器和非接触式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，非接触式IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。非接触式IC卡的读写器通过
20、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。7IC卡安全问题IC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，其手段主要包括1通过盗窃或冒用他人的IC卡进行消费2非法用户通过终端机、用户卡或管理卡、通信线路等途径进入系统，或用户超越权限使用系统通过窃取或修改数据，对系统进行电子诈骗。3通过网络监听和篡改数据。目前，上述问题的解决方式主要是通过设置密码体制和联网。曾经在1976年，DIFFIE和HELLMAN就提出了密码体制1516。即使知晓加密算法E,也无法推出
21、解密算法D。虽然加密密钥（PK）是公开的，但解密密钥（SK）是秘密的，而且PK和SK是两种完全不同的密钥,任何用户都可使用其它用户的公开密钥PK对数据进行加密表示，但是只有那些拥有相应密钥SK的用户，才能对加密的数据EPK（M）解密还原。公开密钥算法的保密强度通常是建立在一种特定的数学问题基础上17。一般地，公开密钥算法具有如下特性任何用户能有效地计算出密钥对PK和SK；（1）在已知PK的情况下,任何其它用户无法计算出相应的SK；（2）数据经加密后再解密，能还原出数据M即DSK（EPK（M）M上式对EPK域中的所有M均成立。（3）数据经解密后再加密，也能还原出M即EPK（DSK（M）M上式对于
22、DSK域中的所有M都成立。上述理论的应用在微机的软件加密中收到良好的效果18。而在单片机中，其密钥算法可以采用简单实用的算术运算与逻辑运算组合来完成。我们可以把明码放入EEPROM中保存，以便下次进行用户鉴别。通过验证个人的识别号，来确认使用IC卡的用户是不是合法的持卡人，从而决定能否对IC卡进行改写操作。为了保证IC卡更加安全可靠，可以用多级的密钥与口令管理，还可通过网络验证发行商的识别号，进行双向鉴别，相互验证。总结部分随着社会发展的需要,非接触式IC卡预付费电能表必将成为使用主流，本设计以单片机为媒介，利用软件技术，使电表更合理更安全使用更加方便。目前，单片机在各个领域中的应用越来越广泛
23、，而且多在各种恶劣环境中应用，对其可靠性要求也越来越高，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定、可靠运行。由于软件设计灵活，节省硬件资源，当外界的干扰引起整个应用系统瘫痪或不能正常运行时，系统中的抗干扰软件子系统就会引导系统程序，如果能合理地使用软件和硬件抗干扰技术，最大程度的保证单片机应用系统稳定、可靠的工作。而且随着国家电力体制的改革，供用电不断科学化和市场化，对科学合理的电能计量管理更加迫切。电能计量的模块化、网络化及系统化成为计量的技术发展趋势。电能计量监测技术顺应目前电网智能化发展的要求,应用于各电压等级的不同类型用户,为实现现场计量装置管理智能化提供有效的技术基础。随着IC卡与我们的
24、生活关系越来越密切，IC卡的安全问题也会面对越来越多的考验，结合IC卡预收费电度表系统，对逻辑加密IC卡的功能作细致的分析，完善IC卡在数据读、写的可靠性和安全性上的处理。参考文献1刘刚,秦永左单片机原理及应用M北京中国林业出版社,20062潘晓宁,朱耀东单片机程序设计实践教程M北京清华大学出版社,20093周凯波串行EEPROM及其与89C52的接口J自动化与仪器,1998,17510144林志刚电能计量技术综述J实用技术与管理,2010,12540425庞浩,李东霞,俎云霄等应用FFT进行电力系统谐波分析的改进算法J中国电机工程学报,200323650546周厚奎,张昱,金心宇基于傅立叶和
25、小波变换的电网谐波分析J电力系统及其自动化学报,2005,17659627朱祥贤,葛素娟单片机应用系统抗干扰技术J现代电子技术,2007,112501511538赵佩华单片机应用系统中的软件抗干扰技术J常州信息职业技术学院学报,2010,9151539王幸之单片机应用系统抗干扰技术M北京航空航天大学出版社,199610刘爱琴，梁为民，谷海红单片机应用系统的低功耗设计J仪器仪表用户,2001,16（3）161811魏少敏智能IC卡预收费电度表J仪表技术,1997,4353812李刚非接触式IC卡的改进方法J计算技术与自动化,2001,83513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,2003,191232814史百舟,刘君华IC卡电度表的研制J郑州大学学报,2000,9151715林卫星,马常旺IC卡处理及安全设计J电测与仪表,2001,38423343616YOAVSHOHAMAGENTORIENTEDPROGRAMMINGMAI601993519217ROSENKHELEMENTARYNUMBERTHEORYANDITSAPPLICATIONSMADDITIONWESLEYPUBLICATIONCOMPANY,LONDON198118林卫星,宋清波综合管理系统的设计与实现微处理机M,19992
