射頻卡電錶（非接觸IC卡電錶）
本文通過分別介紹射頻卡和預付費電度表的工作原理，硬體電路以及軟體設計來全面詮釋射頻卡電錶的定義。用戶使用電量的計量手段的準確程度取決於電互感器及電度表的精度。現已出現了接觸式IC卡預收費電度表，它使收費從過去繁瑣的人工抄表、手工計價轉變為用戶持卡購電，實現了電費收繳管理自動化。但它不能解決無源(卡中無電源)和免接觸等問題[2～8]。 非接觸式IC卡(又稱射頻卡)是國外近幾年發展起來的新技術[1]，它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，解決了無源和免接觸難題。射頻卡無需專門的供電電源;它與讀寫器間無機械接觸，避免了接觸故障;它的表面無裸露晶片，可防水，且不易產生靜電擊空及彎曲損壞等問題;射頻卡使用時沒有正反面。總之，非接觸式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點。本文採用非接觸式IC卡研製成功了智慧型預收費電度表。
1.1射頻卡（非接觸IC卡）工作原理
非接觸式IC卡系統由讀寫器和非接觸式IC卡兩部分組成。套用系統通過讀寫器對卡進行操作;讀卡器通過射頻信號同步進行近距離通訊，並為卡上晶片提供能量;非接觸式IC卡回響讀寫器的指令，並報告處理的結果。非接觸式IC卡通過連線IC晶片的線圈在特定交變磁場中耦合獲得高壓能量，非接觸式IC卡的讀寫器通過發射線圈發射交變強磁場，強予IC卡能量，通過磁場的斷、續編碼寫入數據，並通過線圈感應IC卡發生的磁場閱讀IC卡發來的數據;IC卡通過交變磁場獲得能量，通過檢驗磁場的數、續獲得讀寫頭寫來的數據，並按設定的模式編碼、調製，向讀寫頭髮出數據。 本系統採用上海華虹積體電路公司開發的SHC1701RF讀寫模組。它主要由射頻和SHC1501大規模積體電路構成，共同安裝在PCB板上，同時安裝禁止罩，可完成讀寫器與IC卡之間的各種互動功能，包括調製/解調、加密/解密、認證、讀寫、加/減等，並具有同微處理器的接口。其基本結構如圖1所示。 圖1 非接觸式IC卡與讀寫器的通信內容包括復位應答、防衝突、選擇卡片、相互認證、對數據塊的操作和中止。1.2預收費電度表的工作原理
預收費電度表可分為電子式和機電式兩種，它們的區別在於電能變換元件不同。前者將電壓、電流進行A/D轉換，再將採樣值相乘並累計，得到用戶消耗的電度數;後者借用原感應式電度表的機芯，通過光電感測器讀取轉盤數據數得到用戶消耗的電度數。為節省成本，選用機電式電度表。本系統的工作原理為：
(1)用戶持IC卡到供電部門交款購電時，供電部門把用戶的IC卡放在與PC機相連的讀寫器上，由寫卡程式在IC卡上寫入與用戶交款數相符的一定電度數。
(2)用戶把IC卡帶回家，將卡掠過家中預收費電度表的讀定，卡中電度數被主機讀出，與預收費電度表中來剩餘的電度數相加。由於機內採用備用電池，不怕掉電失去數據。
(3)電錶錶盤轉動時，由紅外發射接收管把錶盤數變成電脈衝送入單片機。單片機記錄錶盤的轉數，當轉數等於電錶常數時，通過單片機控制使記憶體中的剩餘電度數減去一度。
(4)單片機隨時監測記憶體中剩餘電度數是否小於15度。如是，則點亮預告用電量將盡的發光二極體指示器，提示用戶持卡到供電部門重新購電。
(5)當單片機發現用戶電錶中剩餘電量完全用完時，控制繼電器切斷用戶供電電源。
(7)系統採用VB的通訊控制項通過RS232與單片機進行通訊。微機通過事先約定好的字元來實現對單片機的控制，如小區的管理中心定期通過RS232串列通訊口讀取用戶電度表的使用電量和剩餘電度數，並製成資料庫加以保存。供電部門可通過Internet對小區採集的數據進行訪問和管理，從而實現了供電管理部門網路化的管理手段。
(8)本裝置屬於二次儀表，精度主要取決於一次儀表。只要錶盤轉動正常，二次儀表不會引入誤差。
2射頻卡電錶的硬體電路
非接觸式IC卡預收費電度表的硬體電路結構圖如圖2所示。圖中主控單元採用AT89C52單片機，其內有8K位元組的快速擦寫存儲器(FLASH)，無需外接程式存儲器(EPROM)。外接電路主要包括：四位LED顯示電路、電錶錶盤檢測電路、控制供電的繼電器電路、振鈴控制電路、RS232串列通訊電路、看門狗復位電路、電源控制電路以及控制非接觸式IC卡的SHC1701讀寫模組。 圖2SHC1701RF模組是IC卡讀寫器的核心單元，它由SHC1501專用電路和RF電路等組成，覆蓋了所有對非接觸式IC卡SHC1101的訪問操作。IC卡讀寫模組及顯示電路與單片機的接口如圖3所示。圖中採用4位共陽極的動態數碼顯示管，顯示字元由單片機P0口送至鎖存器74LS374鎖存，再經顯示驅動晶片ULN2003驅動數據管顯示，P1.0～P1.3分別控制每一位的動態顯示。顯示電路用顯示可供使用的電度數。當讀卡發生錯誤時，將顯示錯誤信息。在供電部門存款時，將顯示存入電卡中的電度數。 圖3電錶轉盤讀數頭(紅外發射接收管)產生的脈衝信號經一個非門輸出到單片機的P1.4口，單片機實時對P1.4口進行監測。 RS232串列通訊電路採用MAX232晶片，實現單片機與微機的數據交換。微機主要採用VB的通訊控制項通過RS232與單片機進行通訊，通過事先約定好的字元對單片機實現控制。 看門狗電路由4538單穩電路組成。初上電時，CLR端為低電平，使輸出Q為低電平，從而使系統復位。正常工作時，單片機在每個主程式循環時發出一個低電平脈衝，觸發單穩;當程式受干擾跑飛時，單穩因得不到觸發脈衝而復位，此時，輸出端Q=0，使系統復位。 振鈴控制電路由蜂鳴器、兩個三極體和電阻組成。當單片機的P1.7端發出一個高電平時，觸發蜂鳴器蜂鳴。為使系統在停電時也能正常工作，由兩組電源給系統供電，一組是將220V/50Hz的市電經變壓、整流、穩壓得到5V直流電，另一組由12V/4A的可充電電流經斬波、隱壓、穩壓得到5V直流電。一般由市電供電，並對可充電電池充電。市電停電時由電池供電，12V/4A的可充電電流能使系統連續工作24h以上。3射頻卡電錶軟體設計
本射頻卡（非接觸式IC卡）預收費電度表的程式採用了模組化的設計，整個系統由用戶端電度表計費程式和供電部門存未及管理程式兩部分組成。每部分程式又由單片機系統程式和VB用戶接口程式兩部分組成，單片機程式和VB程式之間採用VB的通訊控制項MSComm通過RS232進行通訊，通訊協定使用基於ASCII碼的查詢命令、中斷收發字元。微機通過事先約定好的字元對單片機實現控制，單片機通過判斷微機發來的不同字元，執行不同的單片機子程式。3.1用戶端電度表計費程式
3.1.1單片機系統程式的主要功能 (1)讀取有效的非接觸式IC卡功能。對卡進行防衝突、密碼認證、卡號認證等操作，並讀出卡中存儲的數據，然後將卡清零、停卡。 (2)完成電度表的預收費功能。將從IC卡中讀出的電度數與單片機記憶體剩餘的電度數相加，並存回記憶體。 (3)顯示功能。系統周期性地掃描，動態顯示機內剩餘的電度數。此外，當讀寫IC卡發生錯誤時，顯示出錯信號。 (5)電度計數功能。系統實時監測電錶轉盤讀數頭(紅外發射接收管)發來的脈衝信號，當脈衝信號由高電平變為低電平時，計數器COUNT加1;而當COUNT值等於電錶常數(轉/度)時，剩餘電度數減1，用電量加1，同時COUNT清零。 (6)報警斷電功能。當機內剩餘電度數小於15度時，點亮預告用電量將盡的發光二極體指示器，提示用戶持卡到供電部門重新購電。而當用戶電錶中剩餘電量完全用完時，控制繼電器切斷用戶供電電源。用戶只有再次存入電度數後，才能繼續供電。 單片機系統程式由主監控程式、IC卡處理子程式、電度計數子程式、串列中斷服務子程式等組成，其框圖分別見圖4(a)、(b)、(c)、(d)。
圖43.1.2VB用戶接口程式的主要功能
(1)顯示。根據輸入的用戶編號，顯示相應的用戶信息。 (2)採集。將用戶編號通過通訊控制項傳送給單片機，單片機認證用戶編號後，返回該用戶的用電量和剩餘電度數。 (3)寫入。將採集來的數據。加上用戶編號和日期，一併寫入資料庫，以供查詢。 (4)查看。查看當用各用戶的用電量情況及剩餘電度數;查看所有的用電情況。
3.2供電部門存款及管理程式 3.2.1單片機系統程式的主要功能 (1)系統初始化設定。設定暫存器地址、中斷源入口、載入IC卡認證密碼以及設定串列口、定時器0和定時器1的工作模式等。 (2)接收微機發來的控制字元。執行串列中斷服務子程式，如控制字元為R則執行對IC卡的詢卡、防衝突、選卡、認證等操作，並返回給微機卡號;如控制字元為W則將用戶購買的電度數寫入IC卡，再讀出寫入的電度數，然後停卡。 (3)顯示功能。顯示IC卡中存入的電度數，當對IC卡操作過程中有任何錯誤時，將顯示錯誤信息，提示用戶。 程式由主程式程式和串列中斷服務子程式等組成，它們的框圖見圖5(a)、(b)。 圖5(1)IC卡存款功能。用戶持卡到供電部門存款，工作人員將放在讀寫器上，按“讀卡”按鈕，微機傳送字元“R”給單片機，單片機執行相應的中斷處理後返回卡號。系統根據返回的卡號顯示對應的用戶信息，確認無誤後，輸入用戶交納的金額，系統自動轉化成電度數。按下“存款”按扭，將電度數存入IC卡，同時將存款的相關信息寫入資料庫，以供查詢。 (2)查詢功能。查詢用戶信息、IC卡信息以及用戶的用電情況，可以根據輸入的用戶編號或電卡號進行有選擇地查詢。 (3)維護功能。對資料庫的維護包括添加新的記錄、刪除不需要的記錄以及對現有記錄的更新。本系統所使用的資料庫由MSAccess建立，通過VB的數據對象控制項與用戶界面關聯，對數據的所有操作都實時地更新所關聯的資料庫。
本文將非接觸式IC卡技術與計算機技術相結合，研製出多功能電量計量收費裝置。該系統實現了用電收費的電子化，改變了先用電後收費的不合理狀況，促進了用電計量、收費的科學化管理。該裝置利用了老式機械錶的功能和結構，降低了改造的成本，適於推廣使用。
