CN103280027B - 一种用于预付费电能表的卡口隔离电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能表领域，目的是提供一种用于预付费电能表的卡口隔离电路，通过在本方案中设置MCU与卡口隔离电路，当MCU和卡片通信时，通过MCU与卡口隔离电路，将电信号进行转换后传输，使两部分电路实现电气隔离。所述的卡片IO信号耦合电路，实现了MCU信号和卡接口信号的耦合。所述卡片信号接口电路实现了卡与电能表的通信。所述卡片信号驱动电路实现晶振起振功能和信号放大功能，同时可对卡片发送的信号进行放大和抗干扰处理，使插卡通信更稳定。通过上述设计，既实现了预付费电能表用户的插卡安全，又避免了采用整个MCU系统进行隔离方式的附件成本。

Description

一种用于预付费电能表的卡口隔离电路

技术领域

本发明涉及电能表领域，特别是指一种用于预付费电能表的卡口隔离电路。

背景技术

现有的IC卡卡口线，主要有电源线、信号线、时钟线、复位线等几类组成。在实际产品设计中，电源线一般直接引至产品电源、时钟线接至公共时钟源或接至单片机、信号线与复位线一般直接接至单片机或接口芯片。由于需要插入IC卡，故以上引线均接往IC卡座。而IC卡的卡口可插入一块简易PCB板将上述引线引出。这样上述引线将暴露在电表外壳之外，极易受到攻击。

为防止对IC卡卡口产生破坏性的攻击，首先应了解有哪几种卡口攻击方法。电表在实际挂网运行中主要有高压静电攻击、短路攻击、高压直流攻击、高压交流四种攻击方式。以上4类攻击方法如不采取有效的防护措施，都将会使电能表CPU、电路、电源损坏而失去对消费对象的控制，攻击者攻击成功后可不付费而获得消费。并且上述攻击都是电攻击，基本不会留下攻击证据，从而无法确认责任属性。

分析上述四类攻击，若要全部防护，实非易事。首先，抗攻击电路的耐压应极高，应在20kV以上；再者其反应速度应小于100ns，否则保护动作时保护对象已损坏；第三，成本需较低，否则用户不能接受；第四，攻击撤消后应能快速恢复正常工作状态；最后还需要较小的体积和极高的可靠性。设计一种同时满足上述要求的电子部件，实属不易。

发明内容

本发明提出一种用于预付费电能表的卡口隔离电路，能有效保护电能表内部电路，性能稳定。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于预付费电能表的卡口隔离电路，其包括为卡口和电能表内MCU模块供电的电源单元电路，在所述卡口与MCU模块间还设置有MCU与卡口隔离电路，所述MCU与卡口隔离电路连接有卡片信号接口电路和卡片信号驱动电路，所述卡片信号接口电路包括与电能表实现通信的卡片接触式芯片，所述卡片信号驱动电路向卡片信号接口电路输入晶振时钟信号；所述MCU与卡口隔离电路还连接有卡片IO信号耦合电路，所述卡片IO信号耦合电路分别与卡片信号接口电路、卡片信号驱动电路连接。

通过本技术方案，设置MCU与卡口隔离电路，当MCU和卡片通信时，通过MCU与卡口隔离电路，将电信号进行转换后传输，使两部分电路实现电气隔离。所述的卡片IO信号耦合电路，实现了MCU信号和卡接口信号的耦合。所述卡片信号接口电路实现了卡与电能表的通信。所述卡片信号驱动电路实现晶振起振功能和信号放大功能，同时可对卡片发送的信号进行放大和抗干扰处理，使插卡通信更稳定。通过上述设计，既实现了预付费电能表用户的插卡安全，又避免了采用整个MCU系统进行隔离方式的附件成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种用于预付费电能表的卡口隔离电路的原理结构图；

图2为本发明中的卡片信号接口电路的电路结构图；

图3为本发明中的卡口隔离电路的电路结构图；

图4为本发明中的卡片IO信号耦合电路的电路结构图；

图5为本发明中的卡片信号驱动电路的电路结构图；

图6为本发明中的电源单元电路的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于预付费电能表的卡口隔离电路，如图1所示，其包括卡口和电能表内MCU模块，在所述卡口与MCU模块间还设置有MCU与卡口隔离电路，所述MCU与卡口隔离电路连接有卡片信号接口电路和卡片信号驱动电路，所述卡片信号接口电路包括与电能表实现通信的卡片接触式芯片，所述卡片信号驱动电路向卡片信号接口电路输入晶振时钟信号；所述MCU与卡口隔离电路还连接有卡片IO信号耦合电路，所述卡片IO信号耦合电路分别与卡片信号接口电路、卡片信号驱动电路连接。

通过本技术方案，设置MCU与卡口隔离电路，当MCU和卡片通信时，通过MCU与卡口隔离电路，将电信号进行转换后传输，使两部分电路实现电气隔离。所述的卡片IO信号耦合电路，实现了MCU信号和卡接口信号的耦合。所述卡片信号接口电路实现了卡与电能表的通信。所述卡片信号驱动电路实现晶振起振功能和信号放大功能，同时可对卡片发送的信号进行放大和抗干扰处理，使插卡通信更稳定。通过上述设计，既实现了预付费电能表用户的插卡安全，又避免了采用整个MCU系统进行隔离方式的附件成本。

其中，卡片信号接口电路的电路图如图2所示，卡片接触式芯片的电源端子依次通过连接热敏电阻PTC1、第一二极管D2与卡口板电源V485连接，所述第一二极管D2的负极通过稳压二极管Zk4接卡口板电源地G485；所述卡片接触式芯片的数据读写端子、复位端子、时钟信号端子分别通过热敏电阻PTC2、PTC3、PTC4对应设置IO端、RST端、CLK端；所述IO端、RST端、CLK端分别通过稳压二极管Zk1、Zk2、Zk3接卡口板电源地G485。

每个信号接口均采用稳压二极管ZK1～ZK4和热敏电阻PTC1～PTC4的方式对卡口电路进行了保护。当用户误差误插金属片或输入破坏性电压时，以上保护元件将保证电路安全，不会被破坏。

所述MCU与卡口隔离电路如图3所示，其包括第一光耦E1、第二光耦E2、第三光耦E3和第四光耦E4；MCU通过E1、E2、E3、E4四个光耦实现了和卡 口板的信号通信。MCU和卡片通信时，通过光耦芯片，将电信号转换成光信号进行传输，使两部分电路实现电气隔离。其中光耦的耐压等级大于大于4kV工频耐压和6kV脉冲电压其中E1用于复位卡片，E2用于检测插卡操作，E3和E4用于MCU和卡片进行信息传输。

所述第一光耦E1的一侧的一端通过连接第九电阻R9接卡口板电源电压V485，其另一端接卡口板电源地G485，第一光耦E1与第九电阻R9连接的一端与卡片信号接口电路的RST端对应连接；第一光耦E1的另一侧的一端接工作电压5V，另一端通过第十电阻R10与MCU模块的CARD_RST端对应连接。

所述第二光耦E2的一侧的一端接卡口板电源电压V485，另一端依次通过第三十三电阻R33和第二十五电阻R25接卡口板电源电压V485，第三十三电阻R33与第二十五电阻R25的连接端对应卡片接触式芯片的插卡测试端子KEY连接；第二光耦E2的另一侧的一端接电源地GND，另一端分别通过第二十电阻R20接工作电压5V和通过第二十一电阻R21与MCU模块的CARD_KEY端对应连接，该与第二十电阻R20连接的一端还通过电容C33接电源地GND。

所述第三光耦E3的一侧的两端分别设置为卡口数据发送端RS_Card_Tx和卡口接地端RS_Card_GND，所述RS_Card_Tx端接入卡片IO信号耦合电路，所述RS_Card_GND端接入卡片信号驱动电路；第三光耦E3的另一侧的一端接地GND，另一端通过第十五电阻R15接工作电压5V，与第十五电阻5V连接的该端通过第十一电阻R11与MCU模块的数据读写端CARD_IO连接。

所述第四光耦E4的一侧的两端分别接卡口板电源地G485和通过第十七电阻R17接卡口板电源电压V485，与所述第十七电阻R17连接的一端设置为卡口数据接收端RS_Card_Rx接入卡片信号驱动电路；第四光耦E4的另一侧的两端分别连接第十五电阻R15和数据读写端CARD_IO。

所述卡片IO信号耦合电路实现了单片机信号和卡接口信号的耦合，如图4所示，其包括为PNP型的第一三极管Q1和为NPN型的第二三极管Q2，所述第一三极管Q1的集电极与卡口数据发送端RS_Card_Tx连接，第一三极管Q1的基极通过第六电阻R6与卡片信号接口电路的IO端连接，第一三极管Q1的射极接卡口板电源电压V485和分别通过第四电阻R4、第五电阻R5与第六电阻R6的两端连接。

所述第二三极管Q2的集电极与卡片信号接口电路的IO端连接，第二三极管Q2的射极接卡口板电源地G485，第二三极管Q2的基极与射极间设置有第八电阻R8，第二三极管Q2的基极通过连接第七电阻R7设置为卡口数据接收控制端CARD_RX_C。

所述卡片信号驱动电路如图5所示，其包括与非门电路芯片74HC132，所述芯片74HC132的VCC端分别通过二极管D1和电容C2接卡口板电源电压，所述芯片的3A、3B、4A、4B端均与卡片IO信号耦合电路的RS_Card_Rx连接，芯片的4Y端通过第十七电阻R17与卡片IO信号耦合电路的RS_Card_GND端连接，芯片的3Y端与卡片IO信号耦合电路的CARD_RX_C端连接。

所述芯片74HC132的GND端通过第一电容C1接卡口板电源地G485，芯片的2Y端通过第三电阻R3输出晶振时钟信号与卡片信号接口电路的CLK端连接，芯片的1Y、2A端连接并通过第十二电阻R12与芯片2B端连接，所述芯片2B端通过第十三电阻R13与卡片信号接口电路的RST端连接，芯片的1A、1B端连接与1Y端间设置第一电阻R1，该第一电阻R1的一端通过第三电容C3接卡口板电源地G485，第一电阻R1的另一端依次通过第二电阻R2、第四电容C4接卡口板电源地G485，第四电容C4与1A端间连接晶振器G1，所述晶振器G1的另一端接卡口板电源地G485。

所述电源单元电路如图6所示，其包括一次侧与火线、零线连接的变压器T1，所述变压器T1的一次侧通过耦合连接有第一交直流转换器DB1，该第一交直流转换器DB1的正输出端连接16V电压并通过电容C60接地，第一交直流转换器DB1的直流输出端连接有第一稳压器U13，该第一稳压器U13的正输出端设置为MCU模块电源端，地输出端与零线连接。

所述变压器T1的二次侧连接有第二交直流转换器DB2，所述第二交直流转换器DB2连接有第二稳压器U12，该第二稳压器DB2的正输出端设置为卡口板电源电压正极，第二稳压器U12的地输出端设置为卡口板电源地。为保证电源保护和输出稳定，所述变压器T1与火线间设置有过流保护器PTC2，零线与火线间设置有压敏电阻RV1；转换器和稳压器的电压输出正负端间接入电容。

所述的电源单元电路提供了MCU系统电源(5.7V)和卡口板电源(V485)，其中MCU系统电源与电能表的计量单元共用，采用变压器的第一组次级整流得 到，并与接入仪表的火线相连。卡口板电源(V485)与电能表的RS485通信接口共用，采用变压器T1的第二组次级整流得到，该电源与变压器T1其他绕线(初级和第一组次级)隔离，耐压等级根据二类防护仪表要求应大于4kV工频耐压和6kV脉冲电压。电源单元电路实现了MCU系统和卡口板的电源隔离；所述的MCU与卡口板信号隔离电路，实现了MCU系统和卡口板的信号隔离；非互感器式的电子式电能表，其计量单元电路参考地为市电的火线，通过上述设计，MCU系统和计量单元无需隔离即可实现卡口电路与市电的隔离，降低了产品的成本。

通过本技术方案的设计，既实现了预付费电能表用户的插卡安全，有效保护了电能表内部电路，在卡口遭受攻击不会损坏内部电路，又避免了采用整个MCU系统进行隔离方式的附件成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于预付费电能表的卡口隔离电路，其特征在于：包括为卡口和电能表内MCU模块供电的电源单元电路，在所述卡口与MCU模块间还设置有MCU与卡口隔离电路，所述MCU与卡口隔离电路连接有卡片信号接口电路和卡片信号驱动电路，所述卡片信号接口电路包括与电能表实现通信的卡片接触式芯片，所述卡片信号驱动电路向卡片信号接口电路输入晶振时钟信号；所述MCU与卡口隔离电路还连接有卡片IO信号耦合电路，所述卡片IO信号耦合电路分别与卡片信号接口电路、卡片信号驱动电路连接；所述MCU与卡口隔离电路包括第一、第二、第三和第四光耦；所述第一光耦的一侧的一端通过连接第九电阻接卡口板电源电压，其另一端接卡口板电源地，第一光耦与第九电阻连接的一端与卡片信号接口电路的RST端对应连接；第一光耦的另一侧的一端接工作电压，另一端通过第十电阻与MCU模块的CARD_RST端对应连接；所述第二光耦的一侧的一端接卡口板电源电压，另一端依次通过第三十三电阻和第二十五电阻接卡口板电源电压，第三十三电阻与第二十五电阻的连接端对应卡片接触式芯片的插卡测试端子KEY连接；第二光耦的另一侧的一端接电源地，另一端分别通过第二十电阻接工作电压和通过第二十一电阻与MCU模块的CARD_KEY端对应连接，该与第二十电阻连接的一端还通过电容接电源地；所述第三光耦的一侧的两端分别设置为卡口数据发送端RS_Card_Tx和卡口接地端RS_Card_GND，所述RS_Card_Tx端接入卡片IO信号耦合电路，所述RS_Card_GND端接入卡片信号驱动电路；第三光耦的另一侧的一端接地，另一端通过第十五电阻接工作电压，与第十五电阻连接的该端通过第十一电阻与MCU模块的数据读写端CARD_IO连接；所述第四光耦的一侧的两端分别接卡口板电源地和通过第十七电阻接卡口板电源电压，与所述第十七电阻连接的一端设置为卡口数据接收端RS_Card_Rx接入卡片信号驱动电路；第四光耦的另一侧的两端分别连接第十五电阻和数据读写端CARD_IO。

2.根据权利要求1所述的用于预付费电能表的卡口隔离电路，其特征在于：卡片接触式芯片的电源端子依次通过连接热敏电阻、第一二极管与卡口板电源连接，所述第一二极管的负极通过稳压二极管接卡口板电源地；所述卡片接触式芯片的数据读写端子、复位端子、时钟信号端子分别通过热敏电阻对应设置IO端、RST端、CLK端；所述IO端、RST端、CLK端分别通过稳压二极管接卡口板电源地。

3.根据权利要求2所述的用于预付费电能表的卡口隔离电路，其特征在于：所述卡片IO信号耦合电路包括为PNP型的第一三极管和为NPN型的第二三极管，所述第一三极管的集电极与卡口数据发送端RS_Card_Tx连接，第一三极管的基极通过第六电阻与卡片信号接口电路的IO端连接，第一三极管的射极接卡口板电源电压和分别通过第四、第五电阻与第六电阻的两端连接；

所述第二三极管的集电极与卡片信号接口电路的IO端连接，第二三极管的射极接卡口板电源地，第二三极管的基极与射极间设置有第八电阻，第二三极管的基极通过连接第七电阻设置为卡口数据接收控制端CARD_RX_C；

所述卡片信号驱动电路包括与非门电路芯片74HC132，所述芯片74HC132的VCC端分别通过二极管和电容接卡口板电源电压，所述芯片的3A、3B、4A、4B端均与卡片IO信号耦合电路的RS_Card_Rx连接，芯片的4Y端通过第十七电阻与卡片IO信号耦合电路的RS_Card_GND端连接，芯片的3Y端与卡片IO信号耦合电路的CARD_RX_C端连接；

所述芯片74HC132的GND端通过第一电容接卡口板电源地，芯片的2Y端通过第三电阻输出晶振时钟信号与卡片信号接口电路的CLK端连接，芯片的1Y、2A端连接并通过第十二电阻与芯片2B端连接，所述芯片2B端通过第十三电阻与卡片信号接口电路的RST端连接，芯片的1A、1B端连接与1Y端间设置第一电阻，该第一电阻的一端通过第三电容接卡口板电源地，第一电阻的另一端依次通过第二电阻、第四电容接卡口板电源地，第四电容与1A端间连接晶振器，所述晶振器的另一端接卡口板电源地。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于预付费电能表的卡口隔离电路，其特征在于：所述电源单元电路包括一次侧与火线、零线连接的变压器，所述变压器的一次侧通过耦合连接有第一交直流转换器，该第一交直流转换器的正输出端连接16V电压并通过电容接地，第一交直流转换器的直流输出端连接有第一稳压器，该第一稳压器的正输出端设置为MCU模块电源端，地输出端与零线连接；

所述变压器的二次侧连接有第二交直流转换器，所述第二交直流转换器连接有第二稳压器，该第二稳压器的正输出端设置为卡口板电源电压正极，第二稳压器的地输出端设置为卡口板电源地。

5.根据权利要求4所述的用于预付费电能表的卡口隔离电路，其特征在于：所述变压器与火线间设置有过流保护器，零线与火线间设置有压敏电阻。