關鍵詞：預付費 冷水水表 最小功耗設 iButton信息紐扣
引言
智能水表是一種涉及到多方面技術整合的機電一體化系統(tǒng)，在計量控制精度、功耗、數(shù)據(jù)保密性、動作可靠性等方面都有嚴格的性能要求。目前，國內(nèi)企業(yè)與研究機構主要致力于遠傳表有線水表網(wǎng)絡和IC卡預付費智能卡無線水表網(wǎng)絡方面的研究開發(fā)。遠傳表有線網(wǎng)絡系統(tǒng)需要配套的遠傳通信網(wǎng)絡支持，其初期投資大，因此只適用于在一些新建住宅小區(qū)組成相對獨立的小網(wǎng)；而后者的網(wǎng)絡服務可由銀行的金融網(wǎng)絡提供，應用儲值卡作為網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，可容易地組建城域網(wǎng)，不但適用于新建住宅小區(qū)，還可在舊水網(wǎng)系統(tǒng)改造中發(fā)揮極大作用，特別適合我國現(xiàn)階段的國情。目前，預付費智能水表主要采用IC卡，信息保密性與防盜用性能方面存在明顯不足。本文研究應用Dallas公司的TM卡半導體信息紐扣作為充值存儲介質(zhì)，構建預付費智能卡式冷水表，在基表上附加計量控制器和管道開閉控制閥門，實現(xiàn)預付費智能卡式水表的設計。
1 TM卡信息紐扣應用研究
1.1 TM卡信息紐扣簡介
作為一種便攜式信息載體，Dallas公司的iButton信息紐扣[1]可靠安全，特別適宜作為預付費充值載體。它采直徑17mm、厚3～6mm的紐扣狀不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部由I/O處理器和存儲器兩個基本部分組成，其內(nèi)部結(jié)構如圖1所示。作為一種新穎的智能化信息載體，iButton信息紐損采用接觸式存取方式的存儲器（Touch Memory，簡稱TM卡），以1-Wire規(guī)范作為通信協(xié)議，其外殼為信號址，用1根數(shù)據(jù)線按特定的時序要求由數(shù)據(jù)線逐位與外界交換數(shù)據(jù)。與微處理器的典型接口電路如圖2所示，當外部上位引線接觸到其信號線時，可自動發(fā)出下拉報到脈沖，存取操作極為方便。
筆者在TM卡智能預付費冷水水表項目研究中，通過對IC卡、TM卡的存儲數(shù)據(jù)格式、保密性能以及耐用性等多方面性能進行比較研究，最終選定TM卡作為水表智能信息存儲介質(zhì)。TM卡采用不銹鋼外殼封裝，無易損部件或易腐部件，具有攜帶方便、抗撞擊、防水漬、耐腐蝕、抗磁擾、防折疊等顯著特點，適用于惡劣的環(huán)境。1-Wire通信協(xié)議使得TM卡存取數(shù)據(jù)極為方便，與觸頭輕輕一碰，瞬間即可完成數(shù)據(jù)信息的讀寫操作；其完善的保密存取方式，確保數(shù)據(jù)信息具有相當高的完全可靠性，TM卡與普通IC卡的性能比較如表1所列。
表1 TM卡與IC卡的性能比較
TM卡 普通IC卡
耐用性 不銹鋼封裝，壽命在10以上 塑料卡片封裝，彎曲會損壞芯片，開放的引腳裸露，容易磨損導致接觸不良，18個月左右壽命
識別成功率 100% 需要一定的刷卡技巧
使用方便性 瞬間接觸，無需對準 4個不同插卡方向，性只有1個方向是正確的
安全性 具有全球唯一的、不可復制的光記得序列號，同時提供64位密碼保護 單純依靠軟件密碼保護數(shù)據(jù)內(nèi)容，且密碼位數(shù)少，容易被破解
攜帶方便性 不怕高溫、磨損、碰摔，耐腐，不易丟失 卡片容易丟失、拆斷、易腐，須小心保護
1.2 1-Wire通信協(xié)議與讀寫控制程序設計
TM卡內(nèi)部包含有3個獨立的64字節(jié)數(shù)據(jù)存儲區(qū)和1個64字節(jié)讀寫緩沖區(qū)，每個數(shù)據(jù)存儲區(qū)均由8字節(jié)ID身份碼、8字節(jié)PASSWORD和48字節(jié)NVRAM數(shù)據(jù)區(qū)構成。TM卡的1-Wire通信協(xié)議以15μs低電平脈沖表示數(shù)據(jù)“1”，以60μs低電平脈沖表示數(shù)據(jù)“0”。內(nèi)部工作過程可描述為：首先，由微機主動向TM卡發(fā)測試脈沖，以識別TM卡是否已與其觸頭接觸，若已正確連續(xù)，可接收到TM卡發(fā)來的應答脈沖，表示可以進入數(shù)據(jù)通信過程。這時，微機先發(fā)操作TM卡的ROM區(qū)的指令，如讀ROM區(qū)數(shù)據(jù)指令、匹配操作指令、搜尋操作指令等，這些指令被TM卡接受并執(zhí)行。然后，發(fā)操作TM卡的NV RAM區(qū)數(shù)據(jù)的指令，如讀寫NV RAM區(qū)數(shù)據(jù)指令、讀寫或復制讀寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的指令等。TM卡的讀寫時序可分為測試連接與應答、從TM卡讀取數(shù)據(jù)和向TM卡寫入數(shù)據(jù)3種類型。
筆者在項目研發(fā)中重點研究了TM卡的信息存儲機理，并研究獲得了一個性能優(yōu)良的密碼保護模式，確保了一表一卡對應。我們根據(jù)研究獲得的信息存儲模式維制了存取可靠安全的TM卡讀寫控制程序模塊。水表控制器1-Wire讀寫模塊采用MCS-51匯編語言，按TM卡通信協(xié)議編制。管理PC機的讀寫控制程序采用Visual C++6.0編寫。應用軟件開發(fā)過程中，對TM卡進行數(shù)據(jù)讀寫的過程需要遵循其工作機理和時序要求，具體包括：①測試連接及應答。微機發(fā)測試負脈沖給TM卡，查詢TM卡是否已在觸頭正確連接。若與觸頭連接良好，TM卡則將數(shù)據(jù)線拉低，產(chǎn)生應答負脈沖。如果微機檢測到這個應答脈沖，就可以進行數(shù)據(jù)讀寫操作了。
②從TM卡讀取數(shù)據(jù)。微機先向TM卡發(fā)1個讀負脈沖，TM卡接收該脈沖后立即將被讀取位的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)線上，微機從數(shù)據(jù)線上獲得數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)線在TM卡的采樣時區(qū)內(nèi)維持高電平，則讀取值為“1”；否則，為“0”。最后，TM卡釋放數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線恢復為高電平，為微機繼續(xù)從TM卡讀取數(shù)據(jù)位作好準備。
③將數(shù)據(jù)寫入TM卡。與讀取數(shù)據(jù)類似，微機向TM卡發(fā)1個寫負脈沖，然后開始寫數(shù)據(jù)。微機維持數(shù)據(jù)線低電平特定時間，再恢復為高電平，則表明寫入“0”；微機發(fā)出寫負脈沖后立即將數(shù)據(jù)線拉高并維持特定時間，則表明寫入“1”。完成數(shù)據(jù)寫入后，數(shù)據(jù)線恢復為高電平，為微機繼續(xù)向TM卡寫入數(shù)據(jù)位作好準備。
2 TM卡預付費智能冷水水表設計
TM卡預付費智能冷水水表由基表、SCP微處理器系統(tǒng)、LCD顯示驅(qū)動電路、電動陶瓷閥門及其控制電路、刷卡電路等部分組成。采用符合ISO4064B標準的CDTAR系列單流旋翼式冷水水表作為基表。該表計數(shù)機構與測量機構經(jīng)磁耦合傳動，可將用水量轉(zhuǎn)換成電信號輸出；表內(nèi)設有磁保護裝置，具有較強的抗外磁干擾能力。設計過程中重點對水表整機功耗、成本、體積、重量、外觀等方面進行優(yōu)化研究；水表控制器設計中采用了I2C總線、最小功耗設計、表面貼裝技術專門定制LCD液晶驅(qū)動器模塊以及產(chǎn)品造型設計等多項先進技術，完成嵌入式機電系統(tǒng)優(yōu)化設計。
2.1 微控制器系統(tǒng)設計
使用的微控制器P87LPC76X屬于MCS-51兼容型[2]，與標準51單片機相比，盡管只有20引腳，卻提供了I2C通信總線、灌電流達到20mA的18條I/O口線、1個WDT看門狗定時器。它具有許多獨特的功能，特別適用于設計高集成度、低成本、低功耗的智能設備。本項目充分利用這些資源，擴展了I2C接口EEPROM、時鐘芯片電路、LCD顯示驅(qū)動電路，完成高集成化系統(tǒng)擴展設計?？刂破饔布驁D如圖3所示。
2.2 水表控制器程序設計
P87LPC76X單片機檢測到用戶按鍵后，通過TM卡讀寫電路讀入用戶購買的水量，并保存到數(shù)據(jù)保存器EEPROM中，同時液晶顯示模塊顯示用戶購買的水量及表中剩余的水量。閥門驅(qū)動檢測電路檢測閥門開關狀態(tài)，打開閥門，用戶可以正常用水。水表每10升發(fā)1個計量脈沖，MCU通過計量檢測電表每10升發(fā)1個計量脈沖，MCU通過計量檢測電路檢測到水表發(fā)來的脈沖后，從數(shù)據(jù)保存器EEPROM中保存的剩余水量中減去10升。當剩余水量為提示性關閥水量時，MCU通過閥門驅(qū)動檢測電路關閉閥門。用戶按鍵后控制電路打開閥門，恢復供水，當剩余水量為預設值（通常為零噸）時徹底關閥。整表工作狀態(tài)檢測電路主要實現(xiàn)整個控制電路的電池供電電壓的檢測、磁干擾檢測、TM卡讀寫電路異常檢測、閥門開閉異常檢測等，并將整表工作狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)保存電路中，同時還寫到TM卡中，以便于收費管理軟件在讀寫用戶TM卡時能及時了解用戶水表的工作狀態(tài)。用戶在任何時候都可以按鍵，通過液晶顯示用水情況及水表工作狀態(tài)。程序流程如圖4所示。
2.3 電池長壽供電與最小功耗設計
智能水表作為一種新型換代產(chǎn)品，必須具備良好的免維護性能，其設計目標應在規(guī)定整機壽命內(nèi)，需要用戶進行的相關操作越少越好。本設計采用以下技術措施，徹底解決了目前各類IC卡預付費水表均未能突破的電池供電最小功耗設計這難題，整機待機電流只有18～40μA。
①應用P87LPC76X單片機的節(jié)電模式，降低控制器功耗。CDTAR基表每10升發(fā)1個計量脈沖，若設用戶每月充值1次，若再設計LCD顯示器只有用戶按鍵后顯示一般時間后自動關閉，這意味著控制器只在極小的時間片內(nèi)進行流量檢測、讀寫TM卡和顯示操作，控制器在絕大部分時間片內(nèi)可以處于待機狀態(tài)。P87LPC76X單片機支持掉電模式，掉電工作電流僅1μA?？刂瞥绦蛟O計中，P87LPC76X單片機自檢后即將PCON寄存器內(nèi)PD位置“1”，進入掉電模式，以TM卡插卡中斷、按鍵中斷、流量脈沖中斷、WDT定時中斷（對應程序跑飛出錯等故障）作為喚醒P87LPC76X的動作，P87LPC76X處理完相應中斷服務后再次進入掉電模式。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，采用這一方式可使P87LPC76X以極低的平均電流實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制操作。
②合理完善的接口電路低功耗優(yōu)化措施，降低整機功耗。P87LPC76X進入掉電模式后，外圍接口電路的功率消耗不可忽視。本設計中的外圍接口電路主要有：EEPROM、LCD顯示驅(qū)動、日歷時鐘、流量脈沖檢測電路、閥門開閉控制電路等。為減小電流消耗，需對電路進行反復精簡優(yōu)化，采用的措施包括：應用I2C總線設計外圍接口，降低功耗；盡量由P87LPC76X的I/O口線提供外圍芯片供電或片選端控制；門電路使用CMOS電路；上拉電路采用小電流結(jié)構。
③靈巧合理的電動陶瓷閥門，降低控制執(zhí)行機構耗能。自行開發(fā)了DC2.7～3.6V電池供電陶瓷電動閥門，其機械結(jié)構靈巧合理，動作電流僅120mA。設計獨特的閥門開閉狀態(tài)位置檢測機構既保證了動作可靠性，也可避免無謂的電池能量損失。
④嚴密完善的電池壽命測算，保證長壽供電。設計中，我們選取武漢力興14505M DC3.6V/3Ah功率型鋰電池。該電池具有自放電電流小、瞬時電流大等優(yōu)點，符合系統(tǒng)長壽供電要求。
結(jié)束語
三表（電表、水表、煤氣表）智能網(wǎng)絡工程是我國重點支持的新興高技術產(chǎn)業(yè)，《中國住宅產(chǎn)品發(fā)展綱要》等國家建設部和科委的若干文件中都明確對三表提出了智能化、網(wǎng)絡化要求。開發(fā)可靠價廉、易于推廣應用的預付費智能卡式水表及其網(wǎng)絡系統(tǒng)是今后智能水表行業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。本文介紹的基于TM卡的預付費智能冷水水表已通過江蘇省質(zhì)量技術監(jiān)督局的樣機試驗檢測。該表計量范圍為0～99 999.999M 3。單電池工作壽命6～10年，工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)保密性強，具有良好的抗外力敲擊、外磁干擾等惡性盜用能力。各項技術指標符合GB/T778.1.2.3-96《冷水水表》國家標準和
