引言
智能IC卡預(yù)付費水表采用低功耗、高性能單片微機(jī)處理器,，配以家用冷水基表,，采用于簧管脈沖計數(shù)方式自動計量用戶用水量，實現(xiàn)“先付費,、后用水”的預(yù)付費控制功能,。該儀表采用一戶一表一卡，憑卡用水,，卡中數(shù)據(jù)輸人表中,，水表自動開閥供水，用完后自動關(guān)閥斷水,，必須重新購水,，方能重新用水。智能水表可以提高管理效率,，有效防止欠費，避免上門抄表,，實現(xiàn)節(jié)約用水,。
1 智能卡水表的工作原理
采用內(nèi)部存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存功能，即使在掉電的情況下,，上電后數(shù)據(jù)也能自動恢復(fù),；采用電池管理功能：當(dāng)電源欠壓時,、提示報警，更換電池,，當(dāng)電壓更低時閥門關(guān)斷,，直到系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后自動打開閥門。
管理部門可根據(jù)卡來管理用戶小區(qū)的水表日常維護(hù),，如更換表,、解除故障、設(shè)置表內(nèi)參數(shù)(脈沖常數(shù),、最低用量,、最大用量)預(yù)裝水量用于調(diào)試水量等。具有當(dāng)閥門異常時(如內(nèi)漏)仍能計量,，并在用戶購水充值時扣除這部分用量,。采用故障自檢功能：并用蜂鳴器實現(xiàn)各種狀態(tài)、故障等報警提示功能,，如插卡,、故障報警等。用硬件密碼或特定的清除卡來清除表中數(shù)據(jù),。
智能卡水表是一種內(nèi)嵌預(yù)收費系統(tǒng)的智能型水表,，它以Ic卡安全技術(shù)為核心，配以自動保護(hù)及信息加密功能,。Ic卡水表采用電池供電,，水表的水量等重要參數(shù)均存儲在EPROM芯片內(nèi),，其數(shù)據(jù)可保存10年以上,。此外，對IC卡及卡表內(nèi)的信息進(jìn)行加密,，使系統(tǒng)不易被仿制和非法使用,，Ic智能卡預(yù)付費水表系統(tǒng)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要有以下部分組成：CPU單元,、LCD顯示,、干簧管流量雙脈沖、閥門控制電路,、IC卡電路,、電源檢測電路,、故障報警,。
用IC卡實現(xiàn)表內(nèi)數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換，當(dāng)用戶購水后,，IC卡能夠自動將水表結(jié)余水量與本次購水量進(jìn)行累計并液晶顯示,、水費計算與管理(報警金額、基礎(chǔ)水量,、計劃水量)，實現(xiàn)供,、停水的控制功能,、也進(jìn)行價格充值。當(dāng)用戶將購得的水卡(IC卡)刷入水表時,，表內(nèi)系統(tǒng)在確認(rèn)該卡有效后,，自動打開閥門,，進(jìn)行正常供水,。若允許用戶透支，則刷卡恢復(fù)用水直至使用完透支水量后才關(guān)閥,。用戶每次將購水刷卡入表后,，水表LCD顯示剩余水量,，并將剩余水量等用水信息以及水表的狀態(tài)信息返寫到購水卡中,，以供售水管理系統(tǒng)入庫、查詢,。
2 IC卡智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計
2．1 電源管理
采用3．6 V標(biāo)稱容量：1．9 Ah(放電電流：1 mA,，終止電壓：2．0 V)；最大恒向電流：1 A,；最大脈沖電流：1．5A的電池對系統(tǒng)供電,，當(dāng)電池電壓<3 V使得系統(tǒng)處于靜態(tài)時，其電流<5A時,，利用MCU內(nèi)的比較器,，以中斷方式喚醒單片機(jī)，及時關(guān)閉水表閥門并保存相應(yīng)數(shù)據(jù),，提示用戶更換電池,，低于2．7V關(guān)閥。并以LCD顯示,，Ic卡接口電路等的供電在需要操作時才打開,，以減小不必要的電流損失。
2．2 流量檢測
將用水量轉(zhuǎn)換為脈沖信號,，采用兩個脈沖傳感器進(jìn)行接收,，以防止抖動產(chǎn)生的多計數(shù)現(xiàn)象。通過程序設(shè)計,，判斷兩個傳感器是否正常工作,，若不正常，則認(rèn)為是外界強(qiáng)磁干擾,，關(guān)閉閥門,。
2．3 閥門控制電路
特殊情況下控制水表閥門的開關(guān)，選用飽和壓降為0．2V的三極管8550和8050對管構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路,，既可以保證電機(jī)的驅(qū)動電流又可在故障時限制最大電流<500 mA,。接通3．6 V電源，電機(jī)空載電流25mA±2mA,，帶載電流<60 mA,；用手指觸摸球閥無竄動感；閥門電機(jī)組件上磨合試驗臺進(jìn)行電控閥門開關(guān)1000次磨合試驗,；觀察組件運(yùn)轉(zhuǎn)性能正常(閥門開關(guān)正常,、無異常聲音)。
驅(qū)動采用MCU內(nèi)置液晶驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動,。其管理系統(tǒng)具體分以下模塊：
a．用戶管理模塊：此模塊包括用戶開戶發(fā)卡,、補(bǔ)卡、換表,、過戶,、銷戶以及用戶信息的查詢及修改等。
b．售水業(yè)務(wù)管理模塊：此模塊包括購水交易,、買水統(tǒng)計查詢每日結(jié)帳等功能,。售水時，系統(tǒng)首先通過密鑰管理體系檢查該卡是否為合法卡,，并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息核對,，當(dāng)檢查通過后，將用戶的購水量(或購水金額)寫入卡中,，更新數(shù)據(jù)庫,，并將用戶卡帶回的水表信息一同寫人數(shù)據(jù)庫中。此模塊要求可以對單個用戶的一定時間的購水及用水狀況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計,，通過輸入姓名和水表號等用戶個人信息可查詢該用戶的購水、用水情況及水表運(yùn)行狀況,。
c．操作員信息管理模塊：該模塊包括增加操作員功能,、操作員授權(quán)功能、口令修改功能,。系統(tǒng)記錄操作員的每次登錄及操作,，操作員分級別進(jìn)行操作，不同的操作員有不同的口令和安全級別,，并且只能接觸和崗位相關(guān)的數(shù)據(jù),。
d．各工具卡制作模塊：此模塊包括制作用戶使用的用戶卡,、應(yīng)急購水卡以及工作人員用于認(rèn)證卡、生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)置卡,、修改密鑰卡,、回收轉(zhuǎn)移卡等設(shè)置卡、恢復(fù)卡,、充值卡,、換表卡、管理卡,、測試卡,、用戶卡、限量卡,。
e．系統(tǒng)維護(hù)模塊：包括密鑰更新,、水價維護(hù)、水表參數(shù)維護(hù),、數(shù)據(jù)庫備份及恢復(fù)功能,。
f．報表打印模塊：每次操作員進(jìn)行開戶、售水,、補(bǔ)卡等操作時,，系統(tǒng)將自動打印出交易明細(xì)，另外,，操作員也可以自行進(jìn)行單一或綜合統(tǒng)計查詢后,，打印出查詢后的生成報表。
3 LSD4F8108 MCU敘述
MCU具有高速度,，充分利用了內(nèi)部的硬件資源：8K的Flash,、16位RISC指令集、l6位定時器,、24×4段的液晶驅(qū)動模塊和比較器模塊,。并具有以下一些特點：
a．超低功耗：在2．2 V，1 MHz時鐘條件下,，其工作電流根據(jù)工作模式的不同在0．1 A～300 A之間,，其工作電壓范圍為1．8 V～3．6V。
b．處理能力強(qiáng)大：采用RISC指令集,，核心指令27條,，并具有豐富的尋址方式(源操作數(shù)7種，目的操作數(shù)4種),。片內(nèi)寄存器數(shù)量多,，有高效的查表處理方法。
c．片上外圍模塊豐富：它具有FIJIJ+(頻率鎖相環(huán))時鐘系統(tǒng)，看門狗,，帶有三個捕獲／比較寄存器的l6位定時器(TimerA),，片內(nèi)比較器，96段LCD驅(qū)動器,，48個通用I／O引腳,，并且端口P1和P2具有中斷能力，每個引腳都可以單獨選擇中斷觸沿,、單獨允許中斷,。
d．具有5種節(jié)電模式，掉電電流(RAM數(shù)據(jù)保持)最低可為0．1 A,，提供從待機(jī)模式中快速喚醒功能,，喚醒時間<6s。平時MCU處于低功耗模式3,，流量檢測,，Ic卡數(shù)據(jù)操作等都以中斷方式喚醒，以節(jié)省功耗,。采用了FLASH存儲器,，低功耗設(shè)計，使得當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)時其電流<5A,。MCU在智能卡水表中的應(yīng)用采用邏輯加密卡作為預(yù)付費卡片,、保密性好；具有強(qiáng)大的電源管理系統(tǒng),，工作在3．6 V(鋰電池)時,，靜態(tài)工作電流<3 A。
正因MCU的這些優(yōu)勢,，在選擇對Ic卡通信和開發(fā)時,，則選用該款芯片。著眼于安全性和降低功耗方面,，MCU性能特點如下：低工作電壓(1．8 V～3．6V),；超低功耗(工作模式4下耗電僅為0．1 IxA)；16位精簡指令結(jié)構(gòu)(RISC),；150ns指令周期,；片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和FLASH型存儲器，可在線串行編程,；支持c語言和匯編語言,。本系統(tǒng)以MCU為核心，內(nèi)置LCD驅(qū)動器24×4段,，可減小體積、降低成本，在休眠模式下典型電流僅0．7IxA,；電源監(jiān)控采用理光R3111E(可根據(jù)設(shè)定的門限電壓選擇相應(yīng)的型號),；水表閥門采用2．5 V～6V直流電機(jī)，當(dāng)人為破壞水表或所購買水量低于設(shè)定值時,，水表報警并及時關(guān)掉閥門,，同時將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部FLASH中；采用MFRC522讀寫芯片讀寫Mifare1$50卡片實現(xiàn)預(yù)付費功能,。
本設(shè)計利用RC522 UART模式與MCU通信,，由于MCU沒有硬件串口，故需使用TIMERA模擬串口,。對于MCU而言,，P1．0口(TimerA捕獲／比較輸出口)是UART的TX，P1．1(TimerA捕獲／比較輸出口)是UART的RX,。智能卡水表的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,，包括計量功能模塊、電機(jī)控制模塊,、防磁干擾模塊,、Ic卡處理模塊、Ic卡和ESAM通信模塊,、報警模塊,、電源掉電模塊、閥門控制模塊和顯示模塊等,。
由于涉及的功能較多,，要分配好CPU內(nèi)部的各種資源，各功能模塊問的時序關(guān)系,。本系統(tǒng)的主程序除了用到MCU提供的兩個中斷資源,，主要是用查詢方式，查詢從各個口線上來的狀態(tài)標(biāo)志,，如電源電壓是否降到允許值以下,，有無磁干擾發(fā)生，計數(shù)脈沖是否到來,，是否有卡插入等等,，再根據(jù)得到的標(biāo)志位做出相應(yīng)的處理。
e．開發(fā)方式簡便高效：MCU具有JTAG接口,，可方便的通過JTAG控制器實現(xiàn)程序的下載和調(diào)試,；系統(tǒng)初始化、磁干擾測試,、計量處理,。這里系統(tǒng)初始化包括對MCU的堆棧,、各端口、中斷,、LCD控制寄存器的設(shè)置,，使CPU能正常工作；系統(tǒng)中的SAM模塊用來存儲數(shù)據(jù)信息及各級密鑰,，對SAM模塊初始化是把其中的內(nèi)容讀到MCU內(nèi)存,；各測試模塊是測試MCU相應(yīng)的口線狀態(tài)，并置上相應(yīng)的標(biāo)志,，為各處理模塊提供判斷的依據(jù),；當(dāng)有計量脈沖到來時，計量處理模塊會對它進(jìn)行計數(shù)處理,，該模塊還具有軟件抗干擾功能,，以防止對計量脈沖的誤計；卡處理模塊實現(xiàn)CPU卡和SAM模塊的通信,，只有當(dāng)它們之間的認(rèn)證通過時才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，對非法刷卡，將禁止操作并給出提示,；報警處理模塊用來監(jiān)測電源電壓,，一旦電壓降到某一規(guī)定值，就會啟用備用電源,，并報警顯示,，以提示用戶更換電池。
單片機(jī)接口設(shè)計用125ns指令周期,，大部分指令在一個指令周期內(nèi)完成,，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率,，而且片內(nèi)含有硬件乘法器,，大大節(jié)省運(yùn)算時間。該芯片采用低功耗設(shè)計,，具有五種低功耗模式,，供電電壓范圍為1．8V～3．6 V，在工作模式下：2．2 V工作電壓1 MHz工作頻率時電流為225A,；在待機(jī)模式電流為0．7 IxA,；掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持不變)電流為0．1A。所以特別適用長期使用電池工作的場合,。它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO),，使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6 Ixs。該芯片具有8KB+256BFlash Memory,，256B RAM,，采用串行在線編程方式,，為用戶編譯程序和控制參數(shù)提供靈活的空間，內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不能非法復(fù)制,。
由于考慮到本設(shè)計低功耗,，小體積,，液晶顯示,，按鍵編址等要求，所以選用了單片機(jī)芯片,，該單片機(jī)芯片在在線系統(tǒng)設(shè)計,、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出與其它單片機(jī)非常明顯的優(yōu)勢。
4 結(jié)束語
由于開發(fā)的體積小,、高度集成的表閥一體化IC卡智能水表,，以達(dá)到可以精確測量水量和控制用水的目的，開發(fā)過程中可以看出FLASH單片機(jī)功能全面,，使用方便,，MCU低功耗、低電壓,、高速度等特性,，很適合用于采用電池供電的工作，用LSD4F8108MCU來開發(fā)智能卡表的程序,，在Ic卡水,、氣、暖表的應(yīng)用上具有廣闊前景,。本文介紹的軟硬件設(shè)計已通過實際運(yùn)行,，效果良好。