基于信息紐扣的預付費電度表的設計

摘 要：數字式預付費電度表目前主要采用IC卡，在性能方面存在一些不足。該設計所采用的智能卡是美國達拉斯半導體公司推出的一種智能化信息載體信息紐扣iButton。介紹利用信息紐扣組成預付費電度表的設計方法，重點描述信息紐扣的特點和使用方法，闡述相關的硬件和軟件的設計方法。采用這種方案相對IC卡系統具有操作方便、穩定性高、便于攜帶、使用壽命長等特點。

關鍵詞：電度表；預付費；信息紐扣；單總線

中圖分類號：TP216文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2204302

Design of Prepayment Watt-hour Meter Based on iButton

CHEN Wei，ZHAO Yuhong

(College of Electrical Engineerting，Nanhua University，Hengyang，42¹⁰01，China)

Abstract：At present，prepayment Watt-hour meter mainly uses IC，there are some shortages in the performance.The intelligent card used in this design is iButton，iButton is launched by Dallas Semiconductor (Dallas Semiconductor Corporation) .The design method of the prepayment Watt-hour meter by using iButton is introduced in this paper，characteristic and operation guide of iButton are emphasized.Method of hardware and software designing are discussed.Compared to IC system，this method has characteristics as easy operation，high stability，portability，long life and so on.

Keywords：Watt-hour meter；prepayment；iButton；1-wire

預付費電度表由于取代了傳統感應式電度表需要人工抄表、工作量大、易出錯等缺點已得到了廣泛的使用。目前使用的、多為使用接觸式IC卡作信息載體。接觸式的IC卡通過機械觸點從讀寫器獲取能量和交換數據。存在機械磨損，觸點易污染特別是操作不方便等缺點。

本文采用美國DALLAS公司生產的信息紐扣DS1991設計的電度表較好地解決了IC卡存在的攜帶不便、易受損壞等不足，并提高了系統的安全性和延長使用壽命。本文描述DS1991的特性和原理，并給出組成電度表的實現方法。

1 DS1991

多密鑰信息紐扣DS1991是一種封裝在紐扣型不銹鋼外殼里的堅固耐用的自供電產品，內圈圓面為I/O數據線，外圈圓面為地線。外形見圖1。DS1991采用一種特殊的單總線 (1-Wire)接口協議，通過單條連接線解決了控制、通信和供電，降低了系統成本并簡化了設計。DS1991同其讀寫器的信息傳遞只需短暫接觸即可完成，傳輸速率可達16.3 kb/s。而且每一個信息紐扣都有工廠光刻的獨一無二的64位序列號。

DS1991是一款加密存儲型信息紐扣，為用戶的保密數據提供了可靠的保護措施。內部有密碼保護存儲區（1 152 b的可讀寫非易失安全存儲器）和512 b非密碼保護的暫存器。密碼保護存儲區又分為3個獨立的密鑰子區，每個密鑰子區包括384 b，具有獨立的64 b密碼和識別碼。對密鑰子區的讀寫操作均需進行密碼驗證。512 b的暫存器主要用于加密數據的拷貝，能夠保證數據的完整性。信息紐扣堅固的封裝形式，具有防塵、防潮、抗震等特性，與DS1991配套的附件又使其可以裝在塑料鑰匙環上、圖像身份證上、印刷電路板或任何其他表面平滑的物體上。

本設計的智能電度表選用DS1991信息紐扣為數據載體，保密性強、便于攜帶、不易損壞，只需在讀寫器觸頭上一碰，就可輕松完成交易。

2 硬件組成

本電度表采用信息紐DS1991作信息載體，以PIC單片機為核心組成，其硬件組成框圖如圖2所示。由PIC單片機、信息紐扣觸頭、存儲器、計量模塊、光電傳感器、通信接口等部分組成。

DS1991三個密鑰子區相互獨立，具有獨立的密碼和識別碼，存放卡類型、購電量、常用參數等。用戶在管理部門購買的可用電量存放入信息紐扣相應存儲單元中，在信息紐扣觸頭上觸碰后傳遞給PIC單片機并且信息紐扣相應存儲單元清零，PIC單片機將新購電量和原剩余電量相加得到新的剩余電量，存放于單片機和存儲器中。專用計量芯片AD7755對模擬電壓、電流進行采樣并處理，其產生的脈沖輸出頻率與輸入功率成正比，經光電傳感器送入單片機的計數I/O口。單片機根據設置的脈沖量對脈沖進行計數，當達到電量顯示的最低數位時，引發內部中斷，存儲器相應單元減1，并重新開始計數。當剩余電量不為0時，供電；當剩余電量為0時，切斷供電。在本設計中當剩余電量為10時，將提示用戶購電。信息紐扣觸頭與單片機的連線極其簡單，只需單片機1根口線與其相連，外接1個上拉電阻即可。單片機選用PIC16F877，該機最大的特點是低功耗，35條單字節的指令，即保證了必要的指令效率也兼具了控制芯片成本和簡化編程復雜度，同時集成多種外設，簡化外圍電路。計量模塊選用AD7755，單穩選用CD4098，存儲器選24WC256。用于實時保護數據和掉電保存數據。

數碼管顯示工作狀態，剩余電量以及出錯信息等。

3 軟件設計

PIC單片機軟件采用模塊化設計，由主程序、各子程序、串行通信中斷處理程序、外部和內部中斷處理程序等組成。主程序完成初始化和各子程序的調用；內部中斷處理程序完成計量控制；串行通訊中斷用于實現與上位機的通訊。當 DS1991 觸碰觸頭時通過單穩電路引發外部中斷處理程序，實現DS1991與單片機的數據交換。

DS1991在單總線上的數據訪問必須遵循如下協議：初始化→ROM功能命令→存儲功能命令→處理/數據。DS1991的ROM功能命令有4種：讀取序列號命令［33H］；尋找與指定序列號匹配的DS1991［55H］；讀取在線DS1991的序列號［FOH］；跳過64位序列號直接訪問存儲器命令［CCH］。DS1991的存儲功能命令有6種：寫數據到暫存器［96H］；讀取暫存器數據［69H］；將指定的數據塊從暫存器復制到選定的密鑰分區［3CH］；讀密鑰分區數據［66H］；數據寫入密鑰分區［99H］；寫密碼［5AH］。DS1991讀操作流程圖見圖3所示。

4 結 語

采用DS1991設計的智能電度表是以信息紐扣為數據載體，以單總線技術為核心，以單片機為控制器的應用系統。相對IC卡系統具有操作方便、穩定性好、便于攜帶、使用壽命長等特點。本裝置適當改造同樣適用于各類燃氣表、水表等其他流量計量裝置中。

參考文獻

［1］劉啟中.PIC單片機原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］陳蔚.信息紐扣用于公交卡讀寫器的設計［J］.電子技術，2005，32(10):33-35.

［3］崔偉，王建華，額日登布魯格，等.一種新型單相多費率預付費電能表［J］.電測與儀表，2002(4):14-17.

［4］徐心睿.全電子式電能表的特點及其選用［J］.上海電力，2006，19(2):205-208.

［5］李景新，黃李，姜久春.無軌電車專用智能電能表的設計［J］.電測與儀表，2007，44(1):25-28.

［6］李友紅.多功能電能表計量應用的現狀與展望［J］.電測與儀表，2007，44(4):32-35.

［7］杜曉.基于CS5460A的單相多費率電能表的設計［J］.現代電子技術，2006，29(16):34-36.

［8］匡少龍，黃家兵.電子式多功能電能表在計量中的應用與管理［J］.安徽電力，2007，24(1):55-58.

［9］李峰.電子式電能表的結構及誤差分析［J］.儀器儀表標準化與計量，2006(4):29-30，33.

［10］季漢濤，閆小靜，孫繁欣.電能量自動抄表系統［J］.儀表技術，2004(2):36-38.

作者簡介 陳 蔚 女，1968年出生，副教授，碩士。研究方向為計算機測控技術、儀器儀表等。