1 引言

  近幾年，智能IC卡的應(yīng)用在我國已經(jīng)十分普遍。在水表行業(yè)中，機械式工業(yè)水表已逐漸被嵌入式IC卡智能水表所取代。后者的出現(xiàn)，促進(jìn)了水資源管理部門對水資源的科學(xué)管理，同時提高了工業(yè)用戶對水資源的利用率。非接觸式IC卡工業(yè)水表，改革傳統(tǒng)抄表與收費問題，改用非接觸式IC卡實現(xiàn)預(yù)付費，完成“先付費再用水”和持卡消費的先進(jìn)模式，減少勞動強度，節(jié)約勞動力；水量記錄、計費由計算機完成，準(zhǔn)確、可靠、及時；鼓勵用戶節(jié)約用水。此外該款工業(yè)水表更具有自己的特點和優(yōu)勢，彌補當(dāng)前因工業(yè)水表少而帶來的功能不健全，系統(tǒng)不穩(wěn)定等弱點。隨著社會發(fā)展的需求，工業(yè)水表的智能化程度還將會有更大的提高。 

  2 設(shè)計概述 

  非接觸式IC卡工業(yè)水表包含兩塊設(shè)備。一塊連接水管并埋入地下，另一塊放置于操作臺上，兩者通過串行線相連。系統(tǒng)中定義地下部分為“基表”，而與其相連的操作設(shè)備為“刷卡機”?；碡?fù)責(zé)記錄、計算用水水量，刷卡機負(fù)責(zé)信息查看，兩者共同完成用戶的購水操作。 

  2.1 基表 

  基表記錄用戶剩余水量、報警水量、透支水量，這些水量信息會隨著用戶用水情況實時更新；同時，再結(jié)合系統(tǒng)工作情況共同控制送水閥門的開、關(guān)操作；基表定時更新記錄在FLASH 中的水量信息。圖1 給出了基表的功能框圖。

  2.2 刷卡機 

  刷卡機，與售水系統(tǒng)、讀寫卡器一起提供刷卡使能；它的LCD 顯示用戶的剩余水量和系統(tǒng)當(dāng)前的工作情況；刷卡機的電源模塊同時給基表與自身供電。圖2 給出了刷卡機的功能框圖。

  2.3 讀寫卡器與售水系統(tǒng)軟件 

  讀寫卡器與售水系統(tǒng)軟件提供給水資源管理部門使用。用戶開戶、購水、注銷帳號等操作由售水系統(tǒng)完成，同時售水系統(tǒng)軟件提供了日、月、年報表以及一些特殊功能，比如用戶過戶；軟件系統(tǒng)的維護(hù)可以在本地計算機完成。系統(tǒng)內(nèi)有多個數(shù)據(jù)庫，記錄用戶相關(guān)信息。 

  系統(tǒng)工作原理是：用戶先到水資源管理部門購買非接觸式IC 卡并開戶或者持原有卡購水；售水系統(tǒng)將相應(yīng)信息寫入IC 卡；用戶在刷卡機上刷卡，并與基表一起完成用戶身份的核對，成功后將購買水量累加到水表的剩余水量，作為新的用戶可用水量。 

  用戶用水過程中，卡內(nèi)剩余水量會相應(yīng)減少；當(dāng)降到報警水量時（由用戶與水資源管理部門商定），系統(tǒng)會報警，提示水量不足；繼續(xù)使用到透支水量（同樣由用戶與水資源管理部門商定），系統(tǒng)會自動關(guān)閉閥門，停止供水。系統(tǒng)在遇到因客戶操作不當(dāng)而導(dǎo)致的錯誤的時候，會給出錯誤操作提示，必要時候會關(guān)閉閥門。如此可以同時保證客戶與水資源管理部門的利益不受到侵犯。 

  3 刷卡機與基表 

  針對圖1 和圖2 的系統(tǒng)功能框圖，以下從軟、硬件上講述刷卡機與基表的各個模塊或部分的細(xì)節(jié)。 

  3.1 硬件設(shè)計 

  3.1.1 刷卡機（見圖3）。

  (1) 穩(wěn)壓電源電路：該模塊直接與220V 交流連接。作為水表的電源供給模塊，不僅直接給刷卡機供電，還為基本部分的電池充電。針對220V 的市電掉電，刷卡機部分提供了報警與故障提示。電壓轉(zhuǎn)換器和電池的輸出電壓均為12V，電路中標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3V 和5V，為得到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定電源，模塊中使用了兩套精確的穩(wěn)壓電源計算電路；此外，考慮到刷卡、錯誤指示燈、顯示、報警等大功耗元件重疊工作帶來的大電流，電路在這方面作了充分的考慮，或者分時操作，或者限制連續(xù)的無意義操作，并最終有效地避免了個別元件滿負(fù)載工作。 

  (2) 漢字點陣LCD：122×32 點陣液晶顯示屏，分為上下兩行。
 
  (3) IC 卡讀寫卡模塊：見4.2。
 
  (4) MCU：微處理器選用Freescale 剛剛推出的8 位MCU MC9S08GB32，該芯片性能與16 位MCU 相當(dāng)。正常工作電壓時，CPU 速率和總線速率最高分別可達(dá)40MHz 與20MHz；RAM 和FLASH 分別為2K和32K；最多可大56個通用I/O口；采用"零元件"設(shè)計實現(xiàn)MCU 從"stop"模式的自動激活，從而降低了成本，也使電流降低到0.7mA；具有溫度和電壓補償(典型漂移< 2%)的可編程內(nèi)部時鐘發(fā)生器，能提高通信的可靠性、加快啟動時間和減少系統(tǒng)成本；通過第三代0.25 微米的閃存技術(shù)，提供應(yīng)用程序的重復(fù)編寫和數(shù)據(jù)存儲能力；高度集成了4 個串行通信端口(SCI x 2、SPI、I2C/IIC)、最多8個定時器/PWM、1個8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器(工作電壓最低為1.8V)。
 
  (5) 蜂鳴器：水表出現(xiàn)故障時報警用。 

  3.1.2 基表（見圖4）。

  (1) 水量記錄：水表中有機械轉(zhuǎn)輪，通過干簧管與磁鐵配合完成采樣；內(nèi)部提供了強磁場干擾的判別處理，再加之基表埋入地下，基本可以忽略外部環(huán)境的影響。 

  (2) 穩(wěn)壓電源及反饋電路：正常情況下，基表部分的電池通過刷卡機的12V 電源充電。它為基表部分的MCU 和閥門電機供電。考慮到電路中同時出現(xiàn)三種電壓：3.3V、5V、12V，若干電容被使用，用來去除高頻、低頻毛刺，保證各電源不受污染以及信號的有效性。穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計與刷卡機部分類似?；聿糠质褂昧?2V - 7.0Ah/20HR 的可充點蓄電池，電池特性說明，實際電壓隨電量的有效值同步變化。反饋電路采樣電池電壓，并把實時采樣結(jié)果返回給MCU，MCU 根據(jù)采樣結(jié)果判斷電池電量是否足夠維持當(dāng)前系統(tǒng)的正常工作，并作出相應(yīng)處理。 

  (3) 閥門驅(qū)動及反饋電路：兩條電源線分別接閥門電機的兩端，電機工作的條件是兩端有電壓差；繼電器配合采樣電路，準(zhǔn)確、及時地為電機提供接通、切斷電源的信號。實驗證明閥門驅(qū)動及反饋信號電路均能支持正常工作。 

  (4) MCU：微處理器選用Freescale 公司的8 位MCU MC68HC908JL8。 

  3.2 軟件設(shè)計 

  3.2.1 刷卡機部分。 

  刷卡機由以下5 部分組成。 

  (1) 穩(wěn)壓電源及反饋：程序中主要以中斷的方式判斷220V 電源的供電情況是否正常，但MCU 在工作時，會有其他中斷和需要關(guān)閉中斷進(jìn)行長時間操作的程序塊，因此存在丟失220V 中斷的情況；程序?qū)崿F(xiàn)時，結(jié)合查詢方式，很好的避免了上述意外情況。在確認(rèn)市電斷電后，系統(tǒng)報警，錯誤指示燈閃爍。 

  (2) 漢字點陣LCD：該LCD 提供了漢字與ASCII 字符的顯示。 

  (3) IC卡讀寫卡模塊：為了保證一戶一卡、一表一卡，IC 卡中添加了密碼與特定用戶信息，刷卡過程中，所有信息都吻合時才可以對其讀寫；從另一個角度來講，僅有系統(tǒng)設(shè)計人員才能更改其中的內(nèi)容。 

  (4) MCU：系統(tǒng)采用消息驅(qū)動的編程方式，上述任何一部分在發(fā)生或需要的時候，相應(yīng)功能模塊才會被執(zhí)行；同時考慮到各模塊及其他程序執(zhí)行時間的先后順序，系統(tǒng)給出了有效合理的安排。 

  (5) 串行通信：刷卡機與閥門每隔約2.3 秒進(jìn)行一次通信握手，如有通信線故障，系統(tǒng)會立刻報警并給出提示。 

  3.2.2 基表部分。 

  基表由以下六部分組成。 

  (1) 時鐘模塊：該模塊有兩個用途： 

  ①為防止閥門銹蝕，系統(tǒng)會定期轉(zhuǎn)動閥門，該時間間隔是15 天；
 
  ②當(dāng)刷卡機部分的電源轉(zhuǎn)換器不能為基表電池充電，并且電池本身電量降到某一低限時，MCU 也要記時，并在一小時后關(guān)閉閥門。 

  (2) 水量記錄：水量記錄以中斷的方式觸發(fā)，并及時給予處理。記錄信號的接收，需要考慮到了以下幾點：①接收的方法：以低電平觸發(fā)，一個下降沿代表一個記錄脈沖，軟件上為正確判斷，使用兩個引腳并以互補的方式接收下降沿，保證不丟失和添加任何一個記錄信號；②屏蔽外接干擾：基表埋入地下，可以避免絕大多數(shù)干擾，另外自身提供了磁干擾的硬件判斷的電路，軟件上以中斷方式觸發(fā)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，閥門關(guān)閉。工業(yè)水表的口徑較大，單個記錄信號所需要的時間非常段，因此在單位時間內(nèi)會有若干記錄中斷信號；在其他處理時間比較長的過程中，肯定會出現(xiàn)記錄信號與此過程沖突的現(xiàn)象；基于上述兩種考慮，為了保證在刷卡時不丟失記錄信號，程序除了在中斷中及時處理記錄信號外，必須還要支持該信號的累加，而后再處理的記錄方法。 

  (3) 水量計算：所有關(guān)于水量的計算、存儲都是以BCD 碼為基礎(chǔ)。程序上，提供了多位BCD 碼的加、減和比較的子程序，具有很好的通用性。 

  (4) 電源模塊：中斷與查詢相結(jié)合的方式判斷電池的供電情況，功能與刷卡機部分電源模塊相同。 

  (5) 閥門驅(qū)動及反饋模塊：閥門設(shè)置了三種狀態(tài)：堵塞、打滑、正常，程序根據(jù)開、關(guān)閥過程對閥門狀態(tài)做出判斷，在閥門動作失敗后，程序會再一次嘗試其他方法完成上述動作，并記錄最終的狀態(tài)。 

  (6) MCU：系統(tǒng)同樣采用消息驅(qū)動的編程模式；基表部分MCU 的RAM 內(nèi)存放著當(dāng)前用戶的水量信息，記錄信號累加到RAM，并定期寫入FLASH；水表的水量和用戶信息存在于FLASH 內(nèi)，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，可以保存十年以上的時間?；聿糠諱CU 內(nèi)程序的特殊考慮，使其具有很強的獨立性，并表現(xiàn)在這樣兩個方面：①任何一個刷卡機都可以與用戶特定的基表匹配；②基表可以脫離刷卡機單獨工作?？紤]到用戶刷卡過程中交互的數(shù)據(jù)量大，操作時間相對比較長的問題，MCU 在刷卡機與基表的通信和基表數(shù)據(jù)的更新上做了許多保護(hù)性措施，可在刷卡結(jié)束后判斷是否刷卡成功，支持失敗后的可以重新刷卡。基表部分的MUP 在初次上電并進(jìn)入正常工作后，MCU 內(nèi)RAM 和FLASH 內(nèi)記錄了用戶水量等重要信息，絕不允許其掉電，原則上不會出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，但為了避免不可能中的萬一，系統(tǒng)還是設(shè)置了冷熱復(fù)位的判斷和處理，該操作既可以保證RAM 區(qū)水量正確，更保證了水量的一致性，也即累計用水、剩余水量、本次購水之間的數(shù)值關(guān)系。 

  3.2.3 監(jiān)控程序 

  Freescale 公司的MC9S08GB32 是剛剛推出的一款具有16 位單片機性能的8 位單片機。它的封裝形式從傳統(tǒng)MCU 的DIP 轉(zhuǎn)為LQFP，焊接時帶來了許多困難，不適合取下重新寫入程序。因此，在開發(fā)前編寫了GB32 的監(jiān)控程序及其在線編程系統(tǒng)，通過串口便可方便對開發(fā)板上的GB32 編程。 

  4 售水系統(tǒng)設(shè)計 

  售水系統(tǒng)包括售水系統(tǒng)軟件和讀寫卡器。軟、硬件結(jié)合 

  4.1 售水系統(tǒng)軟件 

  售水系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)行IC 卡(開戶)、售水、用戶信息查詢、售水信息查詢、圖表打印、系統(tǒng)維護(hù)等功能。同時含有發(fā)行清零卡、反讀卡、工作卡、清卡、讀取反讀卡等卡操作，和用戶過戶、數(shù)據(jù)備份等功能。系統(tǒng)分管理員、操作員兩種模式進(jìn)入。管理員主要實現(xiàn)查詢、特殊功能和系統(tǒng)維護(hù)等操作；操作員主要實現(xiàn)查詢、特殊功能、開戶和售水等操作。 

  系統(tǒng)提供了多種查詢方式： 

  ①用戶信息查詢：可根據(jù)用戶號、姓名、開戶日期、公司地址四種方式查詢用戶信息；
 
  ②售水信息查詢：管理員可以查詢統(tǒng)計售水情況，該功能模塊有四個字功能模塊，即組合查詢模塊、收盤統(tǒng)計模塊、按用戶名稱查詢模塊和黑名單統(tǒng)計模塊。 

  特殊功能有用戶過戶、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、清卡、讀反讀卡，管理員模式下多一個修改操作員密碼的功能。系統(tǒng)維護(hù)包括參數(shù)設(shè)置（具體參數(shù)有：每表附加費、每噸附加費、水價類型、卡類型、口徑、報警水量、透支水量、管理員、操作員、單位名稱）、發(fā)行清零卡、發(fā)行反讀卡、發(fā)行工作卡。開戶和售水是用水的前提，也是售水系統(tǒng)最基本的功能；開戶或每次售水后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)均寫入數(shù)據(jù)庫；如果用戶卡丟失，系統(tǒng)可以根據(jù)之前記錄補卡。 

  售水系統(tǒng)基于客戶服務(wù)器模式（C/S）設(shè)計的，后臺數(shù)據(jù)庫用的是Microsoft SQLServer2000，適用于基于分布式網(wǎng)絡(luò)售水的應(yīng)用。同時，根據(jù)公司要求，考慮到本售水系統(tǒng)也能適用于規(guī)模比較小的單點售水，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，使其兼容ACCESS 2000。這樣，售水系統(tǒng)管理軟件在實際應(yīng)用時，可以根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的大小，選擇不同的后臺數(shù)據(jù)庫管理軟件，增強了軟件的適應(yīng)性，可擴充性，使之具有更大的靈活性。 

  圖5 描述了售水系統(tǒng)中操作員可執(zhí)行的系統(tǒng)功能。

  4.2 讀寫卡器 

  以PHILIPS 公司的MF-RC500 作為讀寫卡模塊，F(xiàn)REESCALE 公司的M68HC08JL8 作為主控芯片，設(shè)計了一款非接觸式IC 卡讀寫卡器。讀寫卡器還包括非接觸式IC 卡和射頻發(fā)射天線。讀寫卡器與PC 機通過串行口相連，提供售水系統(tǒng)操作卡的硬件平臺；刷卡機中的讀寫卡模塊，讀取經(jīng)售水系統(tǒng)售水后的IC 卡，并將其中相應(yīng)信息記錄到MCU 中。數(shù)據(jù)讀寫的過程中，時刻需要驗證密碼，只有獲得正確的密碼才可以操作卡的內(nèi)容，因此卡中的數(shù)據(jù)具有非常好的保密性。刷卡機中的讀寫卡模塊同樣有讀寫卡的功能，但更主要是讀卡中內(nèi)容，并傳送給基表，基表返回固定信息再寫入卡中相應(yīng)區(qū)域，所以不會對超出其范圍的區(qū)域有寫數(shù)據(jù)的操作。售水系統(tǒng)則可以提供讀寫卡器，實現(xiàn)對卡的完全操作，包括清卡。 

  5 關(guān)鍵技術(shù) 

  閥門驅(qū)動及反饋模塊雖然能完成驅(qū)動和反饋的功能，但是存在如下問題：閥門操作完成時刷卡機串行通信指示燈偶爾持續(xù)閃爍的現(xiàn)象。指示燈閃爍說明基本有數(shù)據(jù)發(fā)送到刷卡機，而閥門操作時不會有雙方的數(shù)據(jù)傳輸，因此初步分析為基本MCU 復(fù)位（啟動代碼現(xiàn)象）。 

  雖不是每次出現(xiàn)，但此現(xiàn)象的嚴(yán)重性不可忽略，MCU 復(fù)位前一次水量記錄到復(fù)位時刻所用水量會丟失。根據(jù)反饋信號采樣電路可知，閥門操作完成時的電路功耗比較大，于是軟件上把采樣的時間間隔縮短，硬件上在添加了大容量電容穩(wěn)定電壓，并經(jīng)過示波器顯示波形平穩(wěn)，說明MCU 的供電正常。再一次做閥門試驗，發(fā)覺仍然存在上述問題，而且沒有任何改善。 

  用PC 機接收串行線上的數(shù)據(jù)，分析得出為MCU 上電復(fù)位的通信握手信號，至此可以確定上述現(xiàn)象是由基本MCU 復(fù)位造成。MCU 的復(fù)位情況有看門狗復(fù)位， RESET 鍵復(fù)位，程序死鎖復(fù)位，低電壓復(fù)位。進(jìn)一步的試驗排除了前三者的可能性，問題的確出自低電壓，這說明閥門關(guān)閉的最后時刻功耗非常大，導(dǎo)致MCU 供電不足。硬件上要解決此問題，有兩種方法：① MCU 電源直接從串行線的12V 轉(zhuǎn)換得來；② MCU 電源由另外的電池提供，脫離現(xiàn)有的電池和串行線。兩種方法雖然能暫時解決問題，但考慮到其他各種以外情況，上述方法均不能徹底解決該問題。軟件上解決的辦法是禁止低電壓。系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)寄存器上LVD位控制著MCU 低電壓時復(fù)位是否允許，置1 則允許低電壓情況下的復(fù)位，置0 則不復(fù)位。現(xiàn)置LVD 位為0。問題解決后，用示波器顯示原電路MCU 管腳上電壓，結(jié)果與原先一樣，仍然看不出明顯變化?？梢苑治鲩y門操作完成的瞬間，有毛刺影響了MCU 的工作。 

  前文提到的刷卡正常，是指刷卡過程中不隨便挪開卡，直到最好刷卡結(jié)束，這樣的刷卡過程能夠完成一次正確的卡操作；但如果在刷卡過程中把卡拿開，即使是一會兒，也可能導(dǎo)致刷卡失敗。刷卡過程是卡、刷卡機、基本三方通信的過程，除了三者之間交互的信息量大之外，還有寫卡、寫FLASH 操作，它們之間在時間上有先后順序，并且是分步進(jìn)行，一旦前面操作完成而后面操作不能正常完成，那刷卡肯定就不會成功，而且先前的寫卡或?qū)慒LASH 操作必然導(dǎo)致下次刷卡不成功。要解決此問題，必須把寫卡和寫FLASH 操作推遲到刷卡結(jié)束前一刻?；鞰CU 程序首先開辟一塊FLASH 空間，專門用作存儲FLASH 中即將被修改的信息；不改變刷卡過程，而只是在刷卡結(jié)束前判斷是否刷卡成功，如果成功則結(jié)束，如果不成功則把原先備份的數(shù)據(jù)還原，系統(tǒng)又回復(fù)到刷卡前的狀態(tài)。對于寫卡，把表示是否刷卡的標(biāo)志位和購水次數(shù)的寫入放到刷卡機與卡通信的最后第二步（最后一步發(fā)送成功與否的標(biāo)志）。試驗證明上述方法非常有效，無數(shù)次測試過程中沒有出現(xiàn)一次錯誤。 

  6 結(jié)束語 

  非接觸式IC 卡工業(yè)水表已經(jīng)完成開發(fā)。售水系統(tǒng)界面友善、操作簡便，操作員只需要輸入購水金額或者水量，系統(tǒng)便可完成數(shù)據(jù)庫更新、寫卡、打印發(fā)票等工作；正常的刷卡，補卡后的刷卡，多次水量累積的刷卡，都不會丟失任何一次所購水量或者添加額外水量，刷卡后系統(tǒng)會顯示“本次購水”、“剩余水量”，如果此刻剩余水量較少，“水量報警”、“水量透支”或“透支關(guān)閥”也會相應(yīng)顯示，如果購水后水量較多，上述內(nèi)容會相應(yīng)不顯示；用水、購水等水量的計算完全正確；用水過程中，當(dāng)水量超過之前設(shè)定的透支限額，閥門會自行關(guān)閉，直到剩余水量恢復(fù)到該限額內(nèi)；電池電量降到設(shè)定值時，閥門也會自行關(guān)閉，直到電池電量恢復(fù)；拔斷刷卡機與基表之間的串行線，系統(tǒng)會立刻識別到“通信故障”，重新接好，系統(tǒng)也能立刻消除該錯誤標(biāo)志；當(dāng)出現(xiàn)用戶持續(xù)刷卡的不正當(dāng)操作，系統(tǒng)會給予識別并提示“請正確刷卡”，同時根據(jù)情況考慮是否終止接收用戶刷卡；上述任何一種錯誤或非正常情況的發(fā)生，都會伴隨刷卡機上紅色LED 的閃爍，告知用戶系統(tǒng)出現(xiàn)故障，一切正常時，該LED 不發(fā)光。 

  非接觸式IC 卡工業(yè)水表吸收其他同類產(chǎn)品的優(yōu)點，進(jìn)一步完善不足，從功能、可靠性上給予提高。工業(yè)水表智能化是發(fā)展的必然趨勢，智能化水表的推出，不僅改變了逐月入戶驗表的收費方式，而且其科學(xué)性、可靠性，為水資源管理部門實現(xiàn)計算機的全面管理提供了堅實的基礎(chǔ)，能從根本上杜絕遲繳、欠繳、漏繳水費的現(xiàn)象，提供準(zhǔn)確的用水信息，因此必將帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。