1、概述
我国电力市场化的进程十分迅速，电能是商品、先买后用的观念逐步深入人心。现已出现了各类预收费电度表，它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电，实现了电费收缴管理自动化。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，它成功地将RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源;它与读写模块间无机械接触，避免了接触故障，能够防止恶意攻击;它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题;射频卡在使用时无正反面。
2、射频识别部分工作原理
2. 1 Mifare非接触式IC卡简介
本系统采用的是Philps公司Mifare卡系列S50卡，该卡遵守ISO/IEC 14443A协议，工作在13.56MHz下。S50存储器容量为1K字节，卡片的存储区分为16个扇区(Sector)，每个扇区分为4个段(Block)，而每个段有16个字节的存储区。对于第0扇区，只有3个实际可用的数据段，第0段为卡的序列号等厂商信息，为只读。每个扇区的段3，即扇区尾存放该扇区的两个密钥(各6字节)和存取控制字。
2. 2 Mifare非接触式IC卡读写模块简介
非接触式IC卡系统由读写模块和非接触式IC卡两部分组成。应用系统通过读写模块对卡进行操作;读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯，并为卡上芯片提供能量;非接触式IC卡响应读写模块的指令，并报告处理的结果。非接触式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，非接触式IC卡的读写模块通过天线发射交变强磁场，为IC卡提供能量;并且通过磁场的断、续编码向IC卡写入或读取数据。
为了节省电表主MCU的接口资源，本系统采用了自行设计开发的射频模块，该模块利用异步串口跟主MCU通讯。该模块由Philips公司的MFRC500读写基站芯片、AT89C52和相关的外围电路构成。可完成读写模块与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。非接触式IC卡与读写模块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等操作。
3、预付费电度表的系统结构
预收费电度表可分为电子式和机电式两种，它们的区别在于电能变换元件不同。前者将电压、电流进行A/D转换，再将采样值相乘并累计，得到用户消耗的电度数;后者借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘数据数得到用户消耗的电度数。本系统采用当今流行的电子式方案。非接触式IC卡预收费电度表的硬件电路原理示意图如图1所示。
图1 硬件电路原理
系统采用TI公司16位超低功耗单片机MSP430F413，作为系统主MCU。内部有8K flash，具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和函数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源;数字控制的DCO可使器件从低功耗迅速唤醒;可以将能量直接转换成脉冲信号，同时结合电量计量专用芯片AD7755，使电表硬件部分大为简化，而且很方便实现智能控制。
主机完成对用户用电量的记录、累加、显示、通信和控制功能。配上一块非接触式IC卡模块，完成从供电管理部门到用户间的币度转换和电度数量的信息传递。系统配有红外和RS-485总线接口可以方便地进行数据抄收。另外，系统还含有串行EEPROM，可以配合电源管理芯片来实现对电量数据的可靠备份。
4、系统的工作原理
(1)用户持IC卡到供电部门交款购电时，供电部门把用户的IC卡放在与PC机相连的读写模块上，由写卡程序在IC卡上写入与用户交款数相符的一定电度数。
(2)用户把IC卡带回，将卡掠过预收费电度表，卡中电度数被主机读出，与预收费电度表中来剩余的电度数相加。由于机内采用备用电池，掉电后不会失去数据。另外系统还有串行EEPROM，用来实现数据备份。
(3)随着用户对电的使用，主MCU将内存中的电量扣除相应的数值，并及时备份到EEPROM中。
(4)单片机随时监测内存中剩余电度数是否小于15度。如是，则点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器，提示用户持卡到供电部门重新购电。
(5)当单片机发现用户电表中剩余电量完全用完时，控制继电器切断用户供电电源。
(6)电卡按一表一卡配置，内存有相应的的卡号和用户编号，以及IC卡的传输密钥。当用户IC卡放在供电部门的读写模块上时，PC机在为用户写入所购电度数的同时，记录该卡的卡号、日期和相应的款数，并写入数据库，使得供电部门可随时在PC机上查询用户购电情况，实现了供电管理部门的管理现代化。
5、系统软件设计
本非接触式IC卡预收费电度表的程序采用了模块化的设计，整个系统由用户端电度表计费程序和供电部门管理程序两部分组成。每部分程序又由单片机系统程序和VB用户接口程序两部分组成，单片机程序和VB程序之间采用VB的通讯控件MSComm通过RS-485进行通讯，通讯协议使用基于ASCII码的查询命令、中断收发字符。微机通过协议对单片机实现控制，单片机通过判断微机发来的不同字符，执行不同的单片机子程序。
5.1 用户端电度表计费程序
(1)读取有效的非接触式IC卡功能。对卡进行防冲突、密码认证、卡号认证等操作，并读出卡中存储的数据，然后将卡清零、停卡。
(2)完成电度表的预收费功能。将从IC卡中读出的电度数与单片机内存剩余的电度数相加，并存回内存。
(3)显示功能。系统周期性地扫描，动态显示机内剩余的电度数。此外，当读写IC卡发生错误时，显示出错信号。
(4)串行通讯中断功能。当微机向单片机发出一个采集命令时，单片机执行串行通讯中断服务子程序，通过用户编号认证后，向微机发回用户的用电量及剩余电度数，然后中断返回。
(5)电度计数功能。
(6)报警断电功能。当机内剩余电度数小于15度时，点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器，提示用户持卡到供电部门重新购电。而当用户电表中剩余电量完全用完时，控制继电器切断用户供电电源。用户只有再次存入电度数后，才能继续供电。
单片机系统程序由主监控程序、IC卡处理子程序、电度计数子程序、串行中断服务子程序等组成。
6、结束语
本系统将非接触式IC卡技术与计算机技术相结合，采用RFID技术研制的非接触IC卡已成功应用于智能预付费电度表。研究结果表明：非接触式IC卡具有可靠性高、安全性好、使用方便、操作速度快等特点。系统实现了用电收费的电子化，促进了用电计量、收费的安全科学化管理，具有良好的应用前景。
