| 作 者： 淮海工學院 魚瑞文 龔成龍 摘 要： 探討預付費智能冷水水表設計中的關鍵技術,通過與IC卡進行比較,確定應用Dallas公司的iButton信息紐扣TM卡作為預付費充值存儲卡。對TM卡讀寫方法與信息保密機制、控制器軟硬件設計、最小功耗設計與電池長壽供電方法等多方面技術進行整合,設計機電一體化系統(tǒng)。在計量控制精度、功耗、數據保密性、動作可靠性等方面都取得良好性能。 關鍵詞： 預付費 冷水水表 最小功耗設計 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、數據保密性、動作可靠性等方面都有嚴格的性能要求。目前,國內企業(yè)與研究機構主要致力于遠傳表有線水表網絡和IC卡預付費智能卡無線水表網絡方面的研究開發(fā)。遠傳表有線網絡系統(tǒng)需要配套的遠傳通信網絡支持,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;而后者的網絡服務可由銀行的金融網絡提供,應用儲值卡作為網絡傳輸介質,可容易地組建城域網,不但適用于新建住宅小區(qū),還可在舊水網系統(tǒng)改造中發(fā)揮極大作用,特別適合我國現階段的國情。目前,預付費智能水表主要采用IC卡,在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,構建預付費智能卡式冷水水表,在基表上附加計量控制器和管道開閉控制閥門,實現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。它采用直徑17 mm、厚3~6 mm的紐扣狀不銹鋼外殼封裝,內部由I/O處理器和存儲器兩個基本部分組成,其內部結構如圖1所示。作為一種新穎的智能化信息載體,iButton信息紐扣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,其外殼為信號地,用1根數據線按照特定的時序要求由數據線逐位與外界交換數據。與微處理器的典型接口電路如圖2所示,當外部上拉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卡的存儲數據格式、保密性能以及耐用性等多方面性能進行比對研究,最終選定TM卡作為水表智能信息存儲介質。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卡存取數據極為方便,與觸頭輕輕一碰,瞬間即可完成數據信息的讀寫操作;其完善的保密存取方式,確保數據信息具有相當高的安全可靠性。TM卡與普通IC卡的性能比較如表1所列。 
1.2 1-Wire通信協(xié)議與讀寫控制程序設計
TM卡內部包含有3個獨立的64字節(jié)數據存儲區(qū)和1個64字節(jié)讀寫緩沖區(qū),每個數據存儲區(qū)均由8字節(jié)ID身份碼、8字節(jié)PASSWORD和48字節(jié)NV RAM數據區(qū)構成。TM卡的1-Wire通信協(xié)議以 15 μs低電平脈沖表示數據"1",以60μs低電平脈沖表示數據"0"。內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,若已正確連接,可接收到TM卡發(fā)來的應答脈沖,表示可以進入數據通信過程。這時,微機先發(fā)操作TM卡的ROM區(qū)的指令,如讀ROM區(qū)數據指令、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)數據的指令,如讀寫NV RAM區(qū)數據指令、讀寫或復制讀寫緩沖區(qū)數據的指令等。TM卡的讀寫時序可分為測試連接與應答、從TM卡讀取數據和向TM卡寫入數據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。我們根據研究獲得的信息存儲模式編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卡進行數據讀寫的過程需要遵循其工作機理和時序要求,具體包括：
�、贉y試連接及應答。微機發(fā)測試負脈沖給TM卡,查詢TM卡是否已與觸頭正確連接。若與觸頭連接良好,TM卡則將數據線拉低,產生應答負脈沖。如果微機檢測到這個應答脈沖,就可以進行數據讀寫操作了。
②從TM卡讀取數據。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容送至數據線上,微機從數據線上獲得數據。若數據線在TM卡的采樣時區(qū)內維持高電平,則讀取值為"１";否則,為"０"。最后,TM卡釋放數據線,數據線恢復為高電平,為微機繼續(xù)從TM卡讀取數據位作好準備。
�、蹖祿䦟懭隩M卡。與讀取數據類似,微機向TM卡發(fā)1個寫負脈沖,然后開始寫數據。微機維持數據線低電平特定時間,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據線拉高并維持特定時間,則表明寫入"１"。完成數據寫入后,數據線恢復為高電平,為微機繼續(xù)向TM卡寫入數據位作好準備。
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。該表計數機構與測量機構經磁耦合傳動,可將用水量轉換成電信號輸出;表內設有磁保護裝置,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液晶驅動器模塊以及產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20 mA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,并保存到數據保存器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通過計量檢測電路檢測到水表發(fā)來的脈沖后,從數據保存器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)信息保存到數據保存電路中,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品,必須具備良好的免維護性能,其設計目標應為在規(guī)定整機壽命內,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一難題,整機待機電流只有18～40μA。
�、� 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顯示器只在用戶按鍵后顯示一段時間后自動關閉,這意味著控制器只在極小的時間片內進行流量檢測、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。控制程序設計中,P87LPC76X單片機自檢后即將PCON 寄存器內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。經測試發(fā)現,采用這一方式可使P87LPC76X以極低的平均電流實現對系統(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構。
�、� 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DC2.7～3.6 V電池供電陶瓷電動閥門,其機械結構靈巧合理,動作電流僅120 mA。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。
�、� 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。
結束語
三表（電表、水表、煤氣表）智能網絡工程是我國重點支持的新興高技術產業(yè),《中國住宅產品發(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絡系統(tǒng)是今后智能水表行業(yè)的主要產業(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量技術監(jiān)督局的樣機試驗檢測。該表計量范圍為0~99 999.99 M3,單電池工作壽命6～10年,工作穩(wěn)定可靠,數據保密性強,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CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》行業(yè)標準的要求。
|
66821730(技術支持)
