引言
 
    智能IC卡預(yù)付費(fèi)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(jì)數(shù)方式自動(dòng)計(jì)量用戶用水量，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)、后用水”的預(yù)付費(fèi)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(dòng)開閥供水，用完后自動(dòng)關(guān)閥斷水，必須重新購(gòu)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(fèi)，避免上門抄表，實(shí)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(chǔ)器實(shí)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(dòng)恢復(fù)；采用電池管理功能：當(dāng)電源欠壓時(shí)、提示報(bào)警，更換電池，當(dāng)電壓更低時(shí)閥門關(guān)斷，直到系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后自動(dòng)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(shí)(如內(nèi)漏)仍能計(jì)量，并在用戶購(gòu)水充值時(shí)扣除這部分用量。采用故障自檢功能：并用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)、故障等報(bào)警提示功能，如插卡、故障報(bào)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(fèi)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(dòng)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(chǔ)在E PROM芯片內(nèi)，其數(shù)據(jù)可保存10年以上。此外，對(duì)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(fèi)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(cè)電路、故障報(bào)警。

        
    用IC卡實(shí)現(xiàn)表內(nèi)數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換，當(dāng)用戶購(gòu)水后，IC卡能夠自動(dòng)將水表結(jié)余水量與本次購(gòu)水量進(jìn)行累計(jì)并液晶顯示、水費(fèi)計(jì)算與管理(報(bào)警金額、基礎(chǔ)水量、計(jì)劃水量)，實(shí)現(xiàn)供、停水的控制功能、也進(jìn)行價(jià)格充值。當(dāng)用戶將購(gòu)得的水卡(IC卡)刷入水表時(shí)，表內(nèi)系統(tǒng)在確認(rèn)該卡有效后，自動(dòng)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(gòu)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(gòu)水卡中，以供售水管理系統(tǒng)入庫(kù)、查詢。
       
    2 IC卡智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    
    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：1．5 A的電池對(duì)系統(tǒng)供電，當(dāng)電池電壓<3 V使得系統(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)，其電流<5 A時(shí)，利用MCU內(nèi)的比較器，以中斷方式喚醒單片機(jī)，及時(shí)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2．7 V關(guān)閥。并以LCD顯示，Ic卡接口電路等的供電在需要操作時(shí)才打開，以減小不必要的電流損失。
 
    2．2 流量檢測(cè) 
        
    將用水量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，采用兩個(gè)脈沖傳感器進(jìn)行接收，以防止抖動(dòng)產(chǎn)生的多計(jì)數(shù)現(xiàn)象。通過程序設(shè)計(jì)，判斷兩個(gè)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0．2 V的三極管8550和8050對(duì)管構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，既可以保證電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流又可在故障時(shí)限制最大電流<500 mA。接通3．6 V電源，電機(jī)空載電流25mA±2 mA，帶載電流<60 mA；用手指觸摸球閥無竄動(dòng)感；閥門電機(jī)組件上磨合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行電控閥門開關(guān)1 000次磨合試驗(yàn)；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(dòng)采用MCU內(nèi)置液晶驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(gòu)水交易、買水統(tǒng)計(jì)查詢每日結(jié)帳等功能。售水時(shí)，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(kù)內(nèi)信息核對(duì)，當(dāng)檢查通過后，將用戶的購(gòu)水量(或購(gòu)水金額)寫入卡中，更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并將用戶卡帶回的水表信息一同寫人數(shù)據(jù)庫(kù)中。此模塊要求可以對(duì)單個(gè)用戶的一定時(shí)間的購(gòu)水及用水狀況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，通過輸入姓名和水表號(hào)等用戶個(gè)人信息可查詢?cè)撚脩舻馁?gòu)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(jí)別進(jìn)行操作，不同的操作員有不同的口令和安全級(jí)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(gòu)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(cè)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(jià)維護(hù)、水表參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)備份及恢復(fù)功能；
     
    f．報(bào)表打印模塊：每次操作員進(jìn)行開戶、售水、補(bǔ)卡等操作時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)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(jì)查詢后，打印出查詢后的生成報(bào)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(shí)器、24×4段的液晶驅(qū)動(dòng)模塊和比較器模塊。并具有以下一些特點(diǎn)： 
    a．超低功耗：在2．2 V，1 MHz時(shí)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～3．6 V；
 
      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(shí)鐘系統(tǒng)，看門狗，帶有三個(gè)捕獲／比較寄存器的l6位定時(shí)器(TimerA)，片內(nèi)比較器，96段LCD驅(qū)動(dòng)器，48個(gè)通用I／O引腳，并且端口P1和P2具有中斷能力，每個(gè)引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸沿、單獨(dú)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(shí)間<6 s。平時(shí)MCU處于低功耗模式3，流量檢測(cè)，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(chǔ)器，低功耗設(shè)計(jì)，使得當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)其電流<5 A。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(fèi)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(shí)，靜態(tài)工作電流<3 A。
 
     正因MCU的這些優(yōu)勢(shì)，在選擇對(duì)Ic卡通信和開發(fā)時(shí)，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(diǎn)如下：低工作電壓(1．8 V～3．6 V)；超低功耗(工作模式4下耗電僅為0．1 IxA)；16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)(RISC)；150 ns指令周期；片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和FLASH型存儲(chǔ)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(dòng)器24×4段，可減小體積、降低成本，在休眠模式下典型電流僅0．7 IxA；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(hào))；水表閥門采用2．5 V～6 V直流電機(jī)，當(dāng)人為破壞水表或所購(gòu)買水量低于設(shè)定值時(shí)，水表報(bào)警并及時(shí)關(guān)掉閥門，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部FLASH中；采用MFRC522讀寫芯片讀寫Mifare 1$50卡片實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

    本設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括計(jì)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(bào)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(shí)序關(guān)系。本系統(tǒng)的主程序除了用到MCU提供的兩個(gè)中斷資源，主要是用查詢方式，查詢從各個(gè)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(jì)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(jiǎn)便高效：MCU具有JTAG接口，可方便的通過JTAG控制器實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試；系統(tǒng)初始化、磁干擾測(cè)試、計(jì)量處理。這里系統(tǒng)初始化包括對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)信息及各級(jí)密鑰，對(duì)SAM模塊初始化是把其中的內(nèi)容讀到MCU內(nèi)存；各測(cè)試模塊是測(cè)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(jì)量脈沖到來時(shí)，計(jì)量處理模塊會(huì)對(duì)它進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，該模塊還具有軟件抗干擾功能，以防止對(duì)計(jì)量脈沖的誤計(jì)；卡處理模塊實(shí)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(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)非法刷卡，將禁止操作并給出提示；報(bào)警處理模塊用來監(jiān)測(cè)電源電壓，一旦電壓降到某一規(guī)定值，就會(huì)啟用備用電源，并報(bào)警顯示，以提示用戶更換電池。
 
    單片機(jī)接口設(shè)計(jì)用125 ns指令周期，大部分指令在一個(gè)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(shí)間。該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，具有五種低功耗模式，供電電壓范圍為1．8 V～3．6 V，在工作模式下：2．2 V工作電壓1 MHz工作頻率時(shí)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0．1 A。所以特別適用長(zhǎng)期使用電池工作的場(chǎng)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(shí)間小于6 Ixs。該芯片具有8KB+256B Flash 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(jì)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(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)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(shì)。
 
    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(cè)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(jì)已通過實(shí)際運(yùn)行，效果良好。