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摘要：介绍了预付费电能表应具备的基本功能、预付费电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。 关键词：预付费电能表； 集成电路卡； 单片机 1 引言 预付费电能表起源于欧洲。 二战后，流动人口众多，电力公司收电费困难重重。 为了解决这个问题，一些厂家设计生产了预付费电能表。 从国内看，随着国民经济的发展，流动人口不断增加，这个问题也越来越严重。 另一方面，部分用电用户法制意识薄弱，对迟到、欠费、不缴费、窃电等行为不以为然。 耗电管理部门为此苦恼，花费大量人力、物力仍无法收回数亿电费（据了解，1998年底全国电力系统欠费为高达250亿元）。 为了解决电费收取难的问题，预付费方式和预付费电能表应运而生。 根据电能计量单元的工作原理，预付费电能表可分为机电（混合）预付费电能表和电子（静态）预付费电能表。 2 预付费电能表标准由机械工业部批准，1996年发布了国内机械行业标准《预付费电能表》（JB/T8382-1996）。随着技术的发展，IC卡预付费售电技术日趋成熟。 为了更好地满足制造商和用户的需求，参照IEC规范制定了新的国家标准。 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局于2001年10月8日批准发布了本标准——《IC卡预付费售电系统》（GB/T18460-2001）。

本标准由3部分组成： 第1部分总则，规定了IC卡售电系统的组成、基本定义、基本功能和基本流程； 第2部分IC卡及其管理，规定了基本数据定义、数据传输方式、安全保障和管理流程； 第3部分预付费电能表（代替JB/T8382-1996），规定了电能表的测量和控制特性。 根据GB/T18460.3-2001的要求，预付费电能表应具备以下功能： 实现用户先买电后用电的功能：当电表中的剩余电量（量）为小于或等于系统设定的报警功率或报警量时，应能以声音、灯光或其他方式提醒用户； 当剩余电量（量）为零或双方约定的允许信用电量（量）时，发出断电信号，控制负荷开关自动切断。 输入新购电量（量）后，电能表可自动恢复（必要时也可辅以人工恢复）。 本次输入购电（量）与表中剩余电量或剩余量应叠加。 电度表至少应能显示累计使用的能量、剩余电量或剩余电量。 当供电线路停止供电时，剩余电量或剩余电量等需要保护的信息不应丢失。 用户插入IC卡后，电能表应能自动将当前剩余电量或剩余电量、电表状态信息回写到IC卡中，供IC卡预付费媒体管理系统查询； 查看管理系统制作的测试卡，将当前表的状态信息回写到测试卡中。

使用非规定介质或非法操作时，电能表应能识别和保护； 取消非指定介质或非法操作后，电能表应能正常工作，不丢失数据。 如果用户原售电卡遗失，电能表应能接受新补充的售电卡，并拒绝补充后的原售电卡。 对于多费率（电价）表，应具有定时、准时抄表功能。 3 预付费电能表 3.1 工作原理及硬件结构 预付费电能表的结构与复费率电能表大致相同，主要由两部分组成：电能计量单元和数据处理单元。 但是增加了deck接口和相关的处理流程。 典型预付费电能表的原理框图如图1所示。 卡座 卡座安装在电能表上，是IC卡与电能表连接的硬件接口。 卡座包括与IC卡pcb板接触的电触点、固定和弹出卡的机械装置、与系统连接的安装座、与内部电路连接的电气端子等。当卡插入时从插座插入到位，8个干簧触点与IC卡上相应的触点接触，数据处理单元利用其中的几个触点串行存取IC卡的信息。 数据处理单元 数据处理单元主要由单片机或DSP组成。 一方面，测量单元输入的功率脉冲被累积成电能，并显示在显示器上； 另一方面，通过卡座的通信接口校验IC卡中的密码，如果正确则读取卡中的信息。 随着用电量的增加，预购电量不断减去用电量，剩余电量显示在显示屏上，实现预付费计量。

断电机制 断电机制是预付费电能表的重要组成部分。 当剩余电量为零或约定信用电量时，断电机制将自动切断。 根据负载电流的大小，断电功能可以通过内部继电器（直通式电表）实现，也可以通过内部中间继电器驱动外部断路器（电流互感器TA和A实现的电表）实现。断路器）。 断电机构一般设有主副同步联动的两个触点。 主接点控制电源，辅助接点接CPU，用于判断工作是否正常和进行自诊断。 如果断电机构出现故障不能跳闸，透支的电量将被累积起来，以保证测量的正确性。 IC卡 IC卡是在塑料基板上嵌入集成电路芯片而形成的可多次重复使用的卡片（每次写入的购电信息只能被相应的电能表有效接受一次）。 根据卡中嵌入的集成电路不同，可分为： 1. 存储卡，其核心器件是电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）多用户预付费电表，典型的存储卡有93C46卡和24C01卡等； 2、逻辑加密卡，核心器件是EEPROM和密码控制逻辑单元。 典型的逻辑加密卡有AT88SC102卡、SLE4442卡等，此类卡只有通过密码认证后才能改写卡内数据； 3、CPU卡带有存储器、逻辑控制电路和微处理器电路。 这种卡只能通过密钥认证才能向卡中读取或写入数据。 内存卡、逻辑加密卡、CPU卡都是接触卡。 另一类IC卡是非接触式卡，内嵌收发器等较为复杂的电路，利用无线电技术或光学技术进行读写。

接触式IC卡（卡座）的结构尺寸和接口电气特性见第1部分：物理特性； 第 2 部分：触点尺寸和位置； 第 3 部分：电信号和传输协议。 3.2 控制程序 图2是典型预付费电能表的主程序流程图。 初始化后，控制程序首先检查是否插入了IC卡。 如果是，则读取卡片中的信息，判断输入命令。 如果输入的信息是购电数据框，则判断电表卡是否对应用户账户名，再根据购电次数判断是否为有效购电卡，将购买的电量添加到判断正确后的电能表。 电能表接受购电数据帧格式为电表接受购电数据帧后，回写电表剩余电量、累计购电、累计用电量、状态字等数据存入购电卡，以便下次购电。 售电系统读取并判断购电卡的合理性。 回写数据帧的格式是检查回写数据后是否关闭掉电机制。 如果没有关闭，请关闭门。 随着电量消耗的增加，剩余电量不断减少。 当剩余电量为零或约定允许信用电量时，断电机制在数据处理单元的控制下自动跳闸。 如果剩余电量不为零多用户预付费电表，但小于或等于报警电量，则发出报警，提醒用户购电。 如果剩余电量大于报警电量，电能表将进入正常电能计量状态。 电能表的报警功率、一表一卡判断的用户账号等数据都是在收到初始化数据帧时读入的。

初始化数据帧格式为 3.3 IC卡类型 IC卡传输的数据：用两位数表示不同的逻辑状态，01—初始化卡，02—售电卡，03—测试卡，04—补电卡； 电能表状态字：表示电能表的不同工作状态，用一个字节中的不同位来表示，例如bit 0 = 0表示负载开关正常，bit 1 = 0表示EEPROM正常，否则为异常等； 用户名：一组唯一标识不同用户的数字； 表号：电能表的出厂编号； 剩余电量（量）：用户在电表中可以使用的电量（量）； 外购电量（量）：通过适当的介质传输到表中可用有效剩余电量（量）累积的电量（量）； 累计购电量（量）：表中累计存储的有效购电量（量）之和； 累计用电量（量）：表中累计存储的用户用电量（量）之和； 购电次数：购买的电量累计存储在表中的次数； 报警电量：防止剩余电量（或剩余电量）降为零。 限电提醒用户因停电尽快购电； 过零电量：当剩余电量降为零，且控制单元已发出断电指令时，电能表测量到的因执行器故障所消耗的电量； 应急信用电量：用户在应急信用状态醒来后消耗的电量； 应急信用阈值：电能表向用户提供的应急信用电量； 囤电：允许用户加到电表的最大购电量； 冻结电量：每月固定每天固定时间冻结存储的当月用电量； 约定电量：供电部门与用户约定的透支电量； 回写日历和时钟：电能表向IC卡回写数据时的日历（年、月、月）和时钟（时、分、秒）； 费率代码：用户从费率表中选择相应费率电价的代码； 自定义数据。 参考文献： [1] 本刊编辑部． 采用AD7755设计的电子式电能表。 仪器技术，2002，（4）． [2] 本刊编辑部. 采用MSP430设计的电子式电能表。 仪器技术，2003，（3）． [3] 本刊编辑部． 多费率电能表。 仪器技术，2003，（5）．

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