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1、1 新一代预付费电表 - 复费率射频 CPU 卡表苏州银河龙芯科技有限公司王瑞毅 任振东作为电力产品终端计量器具的电能表在电力设施中起着极为重要的作用。据来自电力生产运营部门的相关分析报告表明：2005 年虽然全国性大规摸电网改造工程基本结束，但民用表和工业表的市场仍达到了近8000 万台的需求量。从电表行业的产品结构上看， 感应式电表还占有半壁多江山， 但感应式电表与电子式电表的比例正发生着革命性的变化。除单一计量的电子式电表获得高速发展外，由于国内大中型城市逐步推出分时优惠电价政策后，极大地改变单相电能表市场需求结构，全电子的复费率、预付费电表发展相当迅速，目前，电子式电能表、电卡式预付费
2、电子式电能表、 三相电子式多功能电能表及多费率电子式电能表已逐渐成为电表市场的主要产品。 随着远程抄表作为电能管理的新技术产品而引领着市场潮流，带各种远程抄表功能的智能电表市场的需求量也显著上升。从国际市场来看，法国已于2001 年起停止购置感应表，意大利已基本全部更新完 2600 万只带 AMR（自动抄表）功能的电子式表， 英国目前已更换其80%居民表为电子式表，且保有13%电子式预付费电表，其他欧洲各国也已开始考虑感应表的全部更新问题。东南亚、印度、巴基斯坦、中东各国均开始大规模使用全电子的各种智能电表。近几年来，随着 IC 智能卡中的接触式CPU 卡以及非接触式 IC 智能射频卡（内建
3、MCU ，ASIC 等）的高度安全保密性以及国内相关行业服务意识的提高，在与居民用户日常生活相关的计量表计中使用IC 卡技术已经得到了迅速的推广和广泛的应用。 目前在电表、 电表、燃气表以及暖气热力表中都已经开始采用IC卡作为抄表收费、控制以及数据管理的媒介，使得IC 卡表已经成为当前国内应用技术发展的一个亮点。我国 IC 卡行业的发展始于1993 年左右，经过这十几年的发展，我国IC 卡行业已取得了不小的成就。除能低价格、高质量提供自主版权的大容量存储卡，逻辑加密卡外，CPU 卡及非接触式 IC 智能射频卡（内建MCU ，ASIC 等）的制卡技术及其相应的读 / 写卡设备技术已能大批量、高质
4、量的提供。这给本文所描述的复费率射频CPU 卡表的登台提供了必备的物质条件。一、复费率射频 CPU 卡表的市场分析本文所指的复费率射频CPU 卡电能表，同时具有预付费、复费率、集抄接口功能，符合当前电表的发展方向。它集成了各地供电部门对预付费、复费率、集抄等多种功能的需求，例如，本表采用了射频CPU 卡作为信息传递介质，安全、可靠、防攻击、防尘防水，有效地解决了原来电钥匙预付费电表、存储卡预付费电表、逻辑加密卡预付费电表、 接触型 CPU 卡预付费电表出现的各种问题；本表可实现尖峰平谷四费率、 每天至少 12 时段、套以上时段表、 20 天以上节2 假日、周休的复费率计量功能，从而满足了绝大多
5、数地区对复费率功能的要求；本表设有标准集抄总线接口和表内通讯模块空间，无论何公司生产的任一种集抄通讯模块（载波、有线电视HFC 网、电话或 ADSL、GPRS、SMS、IP等）接至电表的标准集抄总线， 即可实现不同方式集抄。 本表还有较多的通用模块， 易于修改来满足特殊要求。由于复费率射频CPU 卡电能表功能齐全， 能适应国内外众多电力部门的要求。在不同的使用地区，只要进行显示方式、通讯规约、复费率等功能的变更和将一些当地不用的功能（例如停电抄表、卡等）进行裁减，即可满足相关要求。因此，复费率射频CPU 卡电能表是一种先进、通用性强、模块化的电表。中国仪器仪表行业协会电工仪器仪表分会在二OO
6、五年三月二十九日发表的中国电工仪器仪表行业前景分析报告中预测，今后五年单相/ 三相复费率电能表需求量为550 万台，我们估计卡式预付费电表年需求量为160 万台，集抄电表 80 万台，因此复费率射频 CPU 卡电能表的市场复盖面约为近800 万台，而且逐年均有二位数百分比增加。据我们了解的情况，几乎全国的供电部门均使用了三相复费率电能表，批量安装了单相复费率电能表的省区有安徽、北京、福建、浙江、湖北、江苏、辽宁、上海、重庆；批量安装了单相/ 三相 CPU 卡表的省区有安徽、北京、福建福州、福建厦门、广东、云南、湖北、冀北、山西、新疆、贵州遵义、山东、天津等；全国除少数地区外，几乎都试用过或正在
7、使用载波集抄表，有线电视HFC 网、电话或 ADSL、GPRS、SMS、IP集抄也在北京、杭州等多个地区使用。根据我国海关统计， 2005 年 1 至 11 月份我国电表出口1285.78 万块，较上年同期增长 60.1%，其中对意大利出口269 万块，而这些表均为复费率载波集抄表；同期对印度出口178.88 万块和对孟加拉出口52.9 万块，也基本上是单相复费率或多功能表。由此可见，出口电表也是复费率射频CPU 卡电能表的重要市场对象。市场如此广阔和功能如此强大的复费率射频CPU 卡电能表如果成本价格昂贵，制造复杂，则失去了应用的意义。我公司使用GC0202 芯片为各电表制造公司设计了一款通
8、用型单相复费率射频CPU 卡电能表， 其整表器材成本仅需160元左右，欢迎各电表制造公司选用， 若选用此方案并采购GC0202 芯片超过 40K的电表制造公司，我们将赠送本款复费率射频CPU 卡电能表的全部源代码和所有设计文件， 供这些电表制造公司掌握相关技术和改进设计之用。下面我们将介绍本款电表的考虑和相关技术。二、复费率射频CPU 卡预付费电能表实现的主要功能依据我们为各电表公司设计北京、安徽、新疆、福建、云南、贵州、山西、冀北等省区 CPU 卡预付费电表的经验和对多个省区电表需求的了解，我们认为，射频 CPU 卡预付费电表应实现下述功能3 1、电表类型：计量部份应为全电子（可使用ADI
9、、Cirrus Logic 、珠海炬力、上海贝岭的计量芯片实现），使用寿命为 10 年，计量精度为 1.0 级。具有复费率计量（尖峰平谷四费率、每天至少12 时段、套以上时段表、20 天以上节假日、周休、）功能，能实现多种预付费（至少有等效电度预付费和复费率结算后付费两种模式） ，使用非接触（ RF 或称射频） CPU 卡进行信息交换，LCD 背光显示，可红外抄表并带标准集抄总线口。2、主要技术和管理特征CPU 卡结构及交易流程应经过严格的安全审查，若使用公开加密算法方式(例如 DES加密) 加密则必须使用密钥分散， 且密钥分散因子不得使用外界可获取的参数。加密方式最好用国密委的不公开算法SS
10、F33 。严禁使用不记名卡、换表卡等公用卡，该类卡若被硬考贝或破译，后果将不堪设想。在己大量使用卡表的地区， 建议使用双界面的CPU 卡，银行使用接触面以方便与原有卡表售电兼容， 用户使用非接触方式输入电表信息（大大减少电表故障和增大电表安全性、可靠性） 。电表主控芯片采用模块化设计及采用可添加模块、可下载更新软件技术，方便实现不更改硬件需求升级。全电子单芯片（或双芯片）完成整表，以提高可靠性和降低电表成本。电表时钟电路硬件化，时钟晶体要求自动温度外偿，以实现高可靠宽范围高精度时钟；费率电量及重要电参数处理硬件化， 以避免因单片机死机带来的错误；能实现 5 天以上停电抄表，以减轻抄表人员的工作
11、量。多参数循环 LCD 显示，扩大表上显示内容， 便于用户了解信息， 减少用户到供电部门查询。 加装背光（背光可用家用遥控器触发） ， 便于用户夜间和表箱内观察。预留标准集抄总线接口（另行定义）和表内通讯模块空间，各种集抄通讯模块（载波、有线电视HFC 网、电话或 ADSL、GPRS、SMS、IP 等）无论何公司生产的电表均留有标准集抄总线接口，插入表内不同通讯模块即可实现不同方式集抄；通讯波特率自适应，无需设置波特率，有装红外通讯，以备人工核查。电表参数除可用卡设置外，使用红外和标准集抄总线接口设置，均需使用MAC 密钥，即 645 通讯中的密钥不再为固定值，而为该数据串的MAC 值(参看相
12、关省电力部门规范 ) ，以确保设置参数不被非法修改。时钟设置的数据来源必须为GPS 时钟，不可人工或其它方式输入。电力公司掌握电表核心技术、制定和公布电表统一标准（卡标准、表标准）、统一设计电表软件和硬件电路、各电表、CPU 卡和通讯公司制作产品、统一验收和质量考核。3、电表主要功能：4 电表的主要计量功能应有：当前及前112 月正反向总、峰、平、谷电量；前 16 月最大需量及发生时间；用户当前和前16 月结算日的剩余金额或等效电度（等效于平电量的电度值） ，实现预定的复费率预付费。少数电表可要求：实时电流、实时电压、实时或期间功率因数、每日最大最小电流及发生时间、最大最小电压及发生时间、负荷
13、曲线等。电表的主要处理功能应有：电池工作参数、断电参数、整点参数、冻结参数。电表的主要安全功能应有：清零密钥、编程密钥、对时密钥，错误次以上锁死，设定编程限制天数和有硬软件编程开关，广播较时采用动态（1 分钟+30 秒*天）误差判决方式。电表的主要记录功能应有：开/ 关表盖、开 /关端钮盖记录、月最大需量及发生时间记录、硬件编程开关“充许”期间记录、时钟修改事件记录、电量修改事件记录、时段费率修改事件记录、电量反向事件记录、写地址事件记录、写密钥事件记录、电量清零事件记录、日时段费率切换电量记录。三、射频 CPU 卡及相关技术目前应用中的电表CPU 卡技术均来自银行卡体糸， 主要技术标准为PB
14、OC标准，而 PBOC 标准的安全核心为“ SAM 机制” ， 即是采用 ESAM 安全模块（即嵌入式安全控制模块）嵌入在表内，用户卡在表外，交易时使用内部认证、外部认证、线路加密等方法来成对实现安全交易。ESAM 模块只负责完成安全认证和数据的存储， 此模块可以在运行管理方设置完毕后，提供给表厂安装在卡式卡表中。今后的数据存取以及密钥的安全认证过程都在用户卡与卡表中的ESAM模块之间进行， 与表中的微控制器无关， 微控制器仍然由表厂负责设计，完成卡表的功能。这样既实现了系统的安全性由运行管理方控制，又不妨碍表厂继续发展和完善卡表的功能和性能， 此种方法在国内外已得到广泛应用，事实证明， 这种
15、技术是可靠和实用的。而射频 CPU 卡技术则是接触型卡技术的升级和自然沿伸，除信息传递通道从有线改为无线外，原理上来说，这两种卡技术上无太大差别。射频CPU 卡系统由 ESAM 模块、射频读写芯片、 天线和射频 CPU 卡组成，其中的射频读写芯片、天线作用类似于卡座。应用系统通过射频读写芯片对射频CPU 卡进行操作。读写芯片通过射频信号同步射频CPU 卡进行近距离通讯，并为射频CPU 卡上芯片提供能量。射频CPU 卡响应射频读写芯片的指令，并报告处理结果。射频CPU 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，射频读写芯片通过发射天线发射交变强磁场，给予射频CPU 卡能量。射
16、频读写芯片通过发射天线感应到磁场的断、续编码而获得射频CPU 卡发来的数据；射频CPU卡通过检验自身天线磁场的断、 续获得射频芯片写来的数据， 并按设定的模式编码、调制，向射频读写芯片发出数据。射频 CPU 卡与射频读写芯片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。 射频读写芯片取得收发信息将送往电表主5 控芯片，并通过主控芯片对ESAM 模块进行操作，以完成相应的安全认证、加密信息传递等工作。当今世界上非接触式IC 智能射频卡（内建MCU ，ASIC 等）中的主流主要为 PHILIPS公司的 MIFARE 技术，已经被制定为国际标准： ISO/IEC 14443 TYPE A 标准 。 欧洲一些较大的IC 卡片制造商以及 IC 卡片读写器制造商以及IC 卡片软件设计公司等 （例如法国的 GEMPLUS 公司）大都以 MIFARE 技术为标准， 而国内的 IC 卡行业均是符合此技术潮流的。射频 CPU 卡电表在应用中的与卡相关的部件主要有单/ 双界面用户卡、ESAM 模块、RF读写电路及天线，目前射频CPU 卡、ESAM 模块能符
