CN201060223Y - 单相智能卡式防窃电预付费电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单相智能卡式防窃电预付费电能表，其计量脉冲模块即采集了高频脉冲，又采集了低频脉冲，既有数码管显示电量，又有计数器指示电量，有效避免了电表走字不统一；另一方面，通过智能CPU卡和智能SAM模块进行电表内外部认证及电量外部认证，数据都进行DES加密等，有效的保证了电量等信息的保密性、可靠性和安全性，并且售电系统可以银电联网，用户可以很方便的在任何一个银行的营业网点买电；再一方面，通过防窃电功能有效遏制了非法用户恶意更改线路造成的电量损失；试验证明，本实用新型可在城乡居民及小用户等用电单元内使用安装。

Description

单相智能卡式防窃电预付费电能表

技术领域

本实用新型涉及电能计量装置中的计量仪表技术和智能卡信息管理系统领域，尤其涉及防窃电型预付费电能计量仪表。

背景技术

所谓防窃电预付费电能表就是防止用户偷电，且能实现先购电后用电，按照商品交换的原则进行。电是一种商品，长期以来，由于计划经济的影响，一些人头脑中对电是一种商品还缺乏认识，因此″偷电不是偷″、″欠电不是欠″等错误观念还有一定的市场。据了解全国电力系统欠费已高达250亿以上。另外随着经济发展和文化交流活动的增加，特别是一些出租门头房、出租房、公寓等房主变动频繁的用户及经常外出很难找到的房主的用户，采用预付费电能表实行先付费、后用电更有现实意义；并且现在用户偷电水平越来越高，如何有效防止电能损失、减少不必要的资源浪费也就成了供电部门非常关注的事情。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种安全可靠、使用方便、高精度、低功耗、双向计量，且能通过银电联网实现电量预购、防止偷电行为的单相智能卡式防窃电预付费电能表。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：单相智能卡式防窃电预付费电能表，包括为系统各电子器件供电的电源，微控制器，所述微控制器的信号输入端分别电连接计量脉冲模块、复位模块及掉电检测模块，与所述微控制器进行交互通讯的智能CPU卡、作为存储单元的SAM模块，所述微控制器的信号输出端电连接LED显示模块和控制继电器模块，其特征在于：

所述计量脉冲模块包括相电流传感器，与所述相电流传感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器，所述A/D转换器产生数字相电流信号；零线电流互感器，与所述零线电流互感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器，所述A/D转换器产生数字零线电流信号；所述相电流信号和所述零线电流信号分别连接至一比较器，所述相电流信号和所述零线电流信号之中较大的电流信号连接至相位校正、高通滤波器；

所述计量脉冲模块还包括相电压传感器，与所述相电压传感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器；其中电流通道进行相位校正、高通滤波后的数字信号进入乘法器；电压通道的数字信号直接送入乘法器；所述乘法器的输出端电连接低通滤波电路，所述低通滤波电路电连接输出高频脉冲和低频脉冲的数字频率转换电路；

所述电源变压器的第二原边抽头和模拟地之间通过半波整流、电容稳压电路来得到计量电源；第四副边抽头和第五副边抽头之间先通过全波整流，再通过电容稳压，最后通过稳压器来得到微控制器电源，同时在稳压器前还抽出了一个12V的继电器控制电源；所述控制电源后又连接一个分压电阻得到一个掉电信号；

所述CPU卡和SAM模块，都是带有微处理器的E²PROM，其内部掩膜有操作系统TIMECOS2.0，并采用DES加密方法，通过密钥卡来修改安全认证模块SAM中的密钥。

作为一种改进，所述智能CPU卡通过卡座和微控制器电连接，卡座上有一对常开触点，当CPU卡插入时，该常开触点闭合。

作为一种改进，它还包括与所述微控制器进行交互通讯的485通讯模块。

由于采用了上述技术方案，其计量脉冲模块即采集了高频脉冲，又采集了低频脉冲，即有数码管显示电量，又有计数器指示电量，有效避免了电表走字不统一；另一方面，通过智能CPU卡和智能SAM模块进行电表内外部认证及电量外部认证，数据都进行DES加密等，有效的保证了电量等信息的保密性、可靠性和安全性，并且售电系统可以银电联网，用户可以很方便的在任何一个银行的营业网点买电；再一方面，通过防窃电功能有效遏制了非法用户恶意更改线路造成的电量损失；试验证明，本实用新型可在城乡居民及小用户等用电单元内使用安装。

附图说明

图1是本实用新型的电能计量部分原理框图。

图2是本实用新型的电源部分原理框图。

图3是本实用新型的继电器控制部分原理框图。

图4是本实用新型的微控制器智能控制部分原理框图。

图5是本实用新型的智能存储单元SAM模块功能原理框图。

图6是本实用新型的卡与微控制器接口电路原理框图。

图7是本实用新型的485通讯接口原理框图。

图8是本实用新型的数码管显示电路原理框图。

具体实施方式

本实用新型的整体组成为电能表本身，有封闭式外壳包装，底壳上有固定孔。整机按照功能又分为电源模块、计量模块、单片机智能控制模块、显示模块、通讯模块、卡与SAM模块等。其中电源模块是为整机提供不同的电源，电源之间互不影响；计量模块是通过电阻电流取样网络利用专用电能计量芯片实现电能量的计量；单片机智能模块是实现数据处理、信息传递、预付费等功能；显示模块是显示剩余电量、插卡信息等；通讯模块是实现表与上位机的数据发送和接收；卡与SAM模块是实现卡内信息与表内信息的互送，互送之前必须经过密钥认证。以下结合各功能原理图为本电能表工作过程叙述。

图1是本实用新型电能表的电能计量部分原理图，其中电阻分压是通过系列电阻将电压信号调整到计量芯片需要的输入信号范围，然后在芯片内进行增益放大、模数转换，然后送到乘法器；同时电压采样电路还设置短接部分电阻来实现对计量误差的调整。锰铜电阻电流取样是将从相线进入的电流通过外接负载电阻把电流信号转换成电压信号A，然后输入到计量芯片；零线电流互感器是将从零线进入的电流通过外接负载电阻把电流信号转换成电压信号B，输入到计量芯片；信号A和信号B分别经过增益放大、模数转换后进行比较，哪个值大就对哪个值进行相位校正、高通滤波，然后送到乘法器。乘法器把代表负载电流和负载电压的两个电压信号值相乘，得到代表有功功率的值，再经低通滤波和数字频率转换，把有功功率值转换成与之成正比的脉冲群，一路是高频脉冲，一路是低频脉冲，根据需要可采集低频，也可采集高频。本实用新型即采集了高频脉冲，也采集了低频，低频用于驱动计数器和单片机计算电能，高频用于脉冲指示灯。本实用新型即有计数器指示用电量，又有数码管显示电量，正常情况下两者是一致的，利用这一点可以很方便的判别该表走字是否正常。

图2是本实用新型的电源部分原理图，其中原边抽头2和模拟地3之间通过半波整流、电容稳压电路和稳压器来得到计量电源Vcc；副边抽头4和5之间先通过全波整流，再通过电容稳压，最后通过稳压器来得到微控制器电源VDD，即数字电源，同时在稳压器前还抽出了一个12V的继电器控制电源，用以控制继电器；该控制电源后又跟随一个分压电阻得到一个掉电信号DD。电源之间互相隔离、互不干扰，有效的避免了信号通道中的干扰、增强了整机的抗扰度。

图3是继电器控制部分原理图，该控制电路主要是由4个NPN型三极管和2个PNP型三极管组成，通过一个12V的控制电源，再配上适当的反馈电阻和分压电阻，可实现继电器的通、断且磁保持功能。即微控制器通过给控制信号A1B1置高电平或低电平，可控制继电器的接通或断开，继电器接通或断开后，微控制器再通过A1B1来使继电器保持在该状态，这时整个电路是无电流保持状态，有效的降低了电路的功耗，同时也使整机功耗得到降低。

图4是微控制器智能控制部分原理图，这是整机中的核心智能部分。它实现的功能主要是：

(1)将采集到的计量脉冲通过设定的脉冲常数计算成电能，并且每走一度电电表都要将内存中的数据往SAM模块中存储一次，因为SAM是一种带CPU的智能E²PROM，数据不容易丢失，且保密性好。

(2)预付费功能，即通过CPU卡、SAM模块(即安全认证模块，是一种智能型E²PROM，结构原理图见图5)和与之配套使用的售电系统进行电量预购或电费预收；在数据传递过程中通过微控制器进行电表认证和电量认证，如果密钥不对，则拒绝读取或写入数据，所有数据都经过DES加密，安全性和保密性非常好，该技术在专利ZL01261220.0中具有详细的表述。

(3)控制继电器通断，根据表内剩余电量或剩余金额的多少，依据设定的报警电量，在达到报警电量、0度或负载电流超过最大允许电流一定时间后微控制器都输出一个跳闸信号给A1B1，使继电器断开；当恢复条件满足时再使继电器闭合。

(4)通讯功能，具有485通讯功能，通讯规约满足行标DL/T 645-1997《多功能电能表通讯规约》，通讯原理图见图7。通讯内容主要包括：读/设表底数、读/设表常数、读/设表地址、读用电信息和购电信息等。

(5)掉电保存数据，在图2电源部分原理图中，有一个掉电信号DD，当微控制器检测到该掉电信号时就开掉电中断，将数据保存到SAM模块中，防止断电后内存数据丢失。

(6)数码管显示，电路原理图见图8，显示内容主要是剩余电量、插卡信息等。

图5是智能存储单元SAM模块功能原理图，CPU卡的内部结构同SAM模块，都是带有微处理器CPU的特殊E²PROM，其内部掩膜有操作系统TIMECOS2.0，并采用DES加密方法，通过密钥卡来修改安全认证模块SAM中的密钥。在通过功能CPU卡对表进行设置时，如清零、写脉冲常数、走字，微控制器首先读出卡中的密钥与SAM中的密钥认证，若密钥不同，则不响应卡的操作；只有卡中的密钥同SAM中的密钥相同才可以进行操作。每个供电管理部门都可以设置自己的密钥，其用户购电卡中的密钥与SAM中的密钥相同时用户卡中的电量才能输入到表中，否则电表不予接收，极大的避免了因蓄意乱改数据造成的电量损失。

图6是卡与微控制器接口电路原理图，CPU卡是通过卡座来实现和微控制器的接口，卡座上有一对常开触点，当CPU卡插入时，该常开触点闭合，产生一个插卡中断信号，微控制器开始响应中断。中断处理过程是先对给卡上电、提供卡时钟，然后对卡复位，再读取卡内数据，并将卡内的数据与SAM中的数据比较，如果出现密钥认证不符，则关闭中断，不再响应该卡的操作。

图7是485通讯接口原理图，485通讯采用通用通讯芯片75LBC184，并通过光电耦合进行数据隔离，有效的避免了外界对数据的干扰。

图8是数码管显示及复位电路原理图，其中数码管采用4位共阳极8段码式LED，通过地址编码器选择显示哪一位，显示的信息有剩余电量、插卡反应信息如good、E100、E200等。复位电路采用专用电源管理复位芯片MAX708，当检测掉电信号DD时，产生一个复位信号RESET送到微控制器，微控制器将数据保存后复位，有效的防止了突然断电后数据丢失。

总之，本实用新型所述的单相智能卡式防窃电预付费电能表即实现了电子式电能计量、又实现了预付费功能、同时还满足防窃电要求。外壳采用全封闭设计，电表整体美观，其技术性能和防窃电功能都远远超过了传统电能表。

本实用新型不局限于上述具体实例，凡是本技术领域的普通技术人员不经创造性的劳动，从上述实施例直接推导出的技术方案，都将落入本实行新型的保护范围内，如更改稳压电源、更换取样电阻等。

Claims (3)

1.单相智能卡式防窃电预付费电能表，包括为系统各电子器件供电的电源，微控制器，所述微控制器的信号输入端分别电连接计量脉冲模块、复位模块及掉电检测模块，与所述微控制器进行交互通讯的智能CPU卡、作为存储单元的SAM模块，所述微控制器的信号输出端电连接LED显示模块和控制继电器模块，其特征在于：

所述计量脉冲模块包括相电流传感器，与所述相电流传感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器，所述A/D转换器产生数字相电流信号；零线电流互感器，与所述零线电流互感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器，所述A/D转换器产生数字零线电流信号；所述相电流信号和所述零线电流信号分别连接至一比较器，所述相电流信号和所述零线电流信号之中较大的电流信号连接至相位校正、高通滤波器；

所述计量脉冲模块还包括相电压传感器，与所述相电压传感器电连接的信号放大器，与所述信号放大器电连接的A/D转换器；其中电流通道进行相位校正、高通滤波后的数字信号进入乘法器；电压通道的数字信号直接送入乘法器；所述乘法器的输出端电连接低通滤波电路，所述低通滤波电路电连接输出高频脉冲和低频脉冲的数字频率转换电路；

所述电源变压器的第二原边抽头和模拟地之间通过半波整流、电容稳压电路来得到计量电源；第四副边抽头和第五副边抽头之间先通过全波整流，再通过电容稳压，最后通过稳压器来得到微控制器电源，同时在稳压器前还抽出了一个12V的继电器控制电源；所述控制电源后又连接一个分压电阻得到一个掉电信号；

所述CPU卡和SAM模块，都是带有微处理器的E²PROM，其内部掩膜有操作系统TIMECOS2.0，并采用DES加密方法，通过密钥卡来修改安全认证模块SAM中的密钥。

2.如权利要求1所述的单相智能卡式防窃电预付费电能表，其特征在于：所述智能CPU卡通过卡座和微控制器电连接，卡座上有一对常开触点，当CPU卡插入时，该常开触点闭合。

3.如权利要求1所述的单相智能卡式防窃电预付费电能表，其特征在于：

它还包括与所述微控制器进行交互通讯的485通讯模块。

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