摘 要：以MSP430F413作為微控制器，提出了一種接觸式IC卡智能水表的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)MSP430單片機(jī)的低功耗特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一套適應(yīng)低功耗需求的硬件電路和軟件流程。

        0引言

        隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的日趨成熟，實(shí)現(xiàn)自來水收費(fèi)管理的電子化、信息化已成為可能。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各種形式的電子水表。按照抄表的方式主要可以分為網(wǎng)絡(luò)式和分立式。由于在某些場合需要對(duì)舊的水表系統(tǒng)改造，如果采用網(wǎng)絡(luò)式抄表方式需要進(jìn)行抄表線路的鋪設(shè)，這給施工帶來很大的問題。而分立式的IC卡水表收費(fèi)系統(tǒng)則無需考慮這一問題，這為管理部門和用戶提供了極大的便利?；谶@一思路我們設(shè)計(jì)出了基于MSP430的超低功耗接觸式IC卡水表。

        1、系統(tǒng)原理及功能介紹

        1.1工作原理

        1．1．1 MSP430F413簡介

        主控芯片MSP430F413采用1．8—3．6V供電，有5種低功耗模式，最低耗電在0.7 μA左右，活動(dòng)模式耗電在205μA，I／O輸入端口的漏電流最大僅50 nA，從低功耗模式轉(zhuǎn)向活動(dòng)模式只需6μs，這些特性使得單節(jié)2．4Ah的電池可以保證系統(tǒng)正常工作超過6年，達(dá)到了業(yè)界要求的工作年限標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)MSP430F41 3還集成了96段液晶驅(qū)動(dòng)器，簡化了水表的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

        1．1．2系統(tǒng)簡介

        接觸式IC卡水表主要由MCU、電源監(jiān)測、IC卡讀寫模塊、電動(dòng)閥門、水流傳感器、液晶，非易失性存儲(chǔ)器、蜂嗚報(bào)警8個(gè)模塊組成。

        電源監(jiān)測模塊采用HOTEK公司的HT7027A， 當(dāng)該芯片檢測到電源電壓低于2．7V時(shí)，會(huì)觸發(fā)1個(gè)低電平信號(hào)，單片機(jī)檢測到低電平信號(hào)時(shí)發(fā)出報(bào)警，并關(guān)閉閥門。

        水流傳感部分采用磁敏元件干簧管。水流帶動(dòng)水表中的磁體旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，干簧管導(dǎo)通，此時(shí)單片機(jī)會(huì)在相應(yīng)的端口檢測到低電平。為了避免重復(fù)計(jì)數(shù)，在水表中安裝了3個(gè)干簧管，只有當(dāng)單片機(jī)先后檢測到3個(gè)不同的干簧管導(dǎo)通時(shí)才算作1次有效的計(jì)數(shù)。

        當(dāng)讀卡器有IC卡插入時(shí)， 卡座上的卡簧常開觸點(diǎn)閉合，在單片機(jī)的I／O口檢測到低電平輸入，轉(zhuǎn)入讀寫卡操作的程序。主要的卡型分為開戶卡、用戶卡、管理卡、數(shù)據(jù)采集卡以及清零卡。對(duì)于不同權(quán)限卡，系統(tǒng)分別作以不同的處理

        1.2系統(tǒng)功能

        (1)讀卡、寫卡，并根據(jù)卡的內(nèi)容進(jìn)行開戶，上傳水表數(shù)據(jù)、開關(guān)閥等操作
        (2)增、減計(jì)數(shù)以及存儲(chǔ)當(dāng)前的剩余水量和總用水量。
        (3)液晶顯示。
        (4)當(dāng)計(jì)數(shù)滿足一定條件時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警、開關(guān)閥動(dòng)作。

        水表使用中剩余水量遞減，總用水量遞增。當(dāng)剩余水量小于X 噸時(shí)，液晶顯示“請購水”，水表自動(dòng)關(guān)閥。此時(shí)插入用戶卡可重新開啟閥門，但此時(shí)用戶務(wù)必盡快購水，當(dāng)用水量小于y噸時(shí)，此時(shí)水表會(huì)第二次關(guān)閉閥門，這時(shí)只能憑借充過值的用戶卡才能開啟閥門。其中Y<X，x，Y的值由出廠時(shí)廠家設(shè)定。

        2、硬件設(shè)計(jì)

        2．1外圍E PROM以及單片機(jī)內(nèi)部flash

        MSP430F413內(nèi)部集成了256個(gè)字節(jié)的flash存儲(chǔ)器，但由于flash只能按段擦寫， 同時(shí)為了保證水表的數(shù)據(jù)能夠在單片機(jī)出現(xiàn)問題后不會(huì)丟失，采用24C02作為外部存儲(chǔ)器以確保數(shù)據(jù)保存的可靠性。水量等重要數(shù)據(jù)在單片機(jī)和外部存儲(chǔ)器內(nèi)均留有備份。為了極大可能的降低水表的功耗， 對(duì)于外部的EEPROM我們采用了導(dǎo)通式的供電方式，這一過程通過1個(gè)三極管來實(shí)現(xiàn)當(dāng)需要對(duì)E PROM進(jìn)行讀寫操作時(shí)， 通過1個(gè)I／O口來控制三極管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)EEPROM的供電控制。

        2.2閥門控制電路

        2-2．1閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)

        對(duì)于電機(jī)模塊，我們通過控制2個(gè)I／O口P6．6和P6．7上的電平高低使得流過電機(jī)的電流有正反2個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

        2-2-2光電傳感器在閥門檢測上的應(yīng)用

        光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。常用的光電傳感器是采用發(fā)光二極管作為光源，光源經(jīng)過透鏡聚焦于空間某一點(diǎn)。如果在該點(diǎn)有障礙物，光就照不到光敏二極管上， 電路處于偏置狀態(tài)，PN結(jié)截止，反向電流很小。當(dāng)沒有障礙物遮擋時(shí)，光照到光敏二極管上時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子— — 空穴對(duì)，并在外．電場和內(nèi)電場的共同作用下，漂移過PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照強(qiáng)度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

        為了保證單片機(jī)可以精確監(jiān)測閥門的開關(guān)狀態(tài)，我們在控制閥門開關(guān)的齒輪上安裝了2個(gè)光電傳感器 齒輪的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為90度，0度和90度分別對(duì)應(yīng)著開和關(guān)2個(gè)狀態(tài)，光電傳感器就分別安裝在相互垂直的這兩端。

        利用2個(gè)I／O口來檢測這兩個(gè)光電傳感器的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)閥門轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)上時(shí)，對(duì)應(yīng)的I／0口觸發(fā)1個(gè)上升沿的中斷信號(hào)，從而及時(shí)通知單片機(jī)切斷對(duì)直流電機(jī)的供電，避免因電機(jī)堵轉(zhuǎn)造成對(duì)電機(jī)的損害，并極大可能的減少系統(tǒng)消耗的能量。

        2．3計(jì)數(shù)電路

        2．3．1水流傳感器

        水流傳感器的基本原理是在普通轉(zhuǎn)盤計(jì)數(shù)的水表中加裝干簧管和磁鐵，干簧管固定安裝在計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，永磁鐵安裝在計(jì)數(shù)盤(本系統(tǒng)O．O1立方米)位上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)1圈，永磁鐵經(jīng)過于簧管1次即在信號(hào)端產(chǎn)生1個(gè)計(jì)量脈沖。

        在管道系統(tǒng)中，如果發(fā)生液流瞬變流動(dòng)，管流的流速、壓力等參數(shù)均隨時(shí)間變化。流速突然變化會(huì)引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，管道將發(fā)生劇烈振動(dòng)和較大的聲響，這種劇烈的抖動(dòng)可能造成干簧管簧片在很短時(shí)間里，頻繁地吸合，發(fā)出大量的脈沖。造成計(jì)數(shù)偏差，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，如圖3，將3個(gè)干簧管分別通過上拉電阻接人單片機(jī)的3個(gè)不同的I／O口。水流帶動(dòng)中間葉片上的磁體旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，對(duì)應(yīng)的干簧管導(dǎo)通。

        為了防止因?yàn)樗幕亓饕鸬亩嘤?jì)數(shù)，我們在程序中設(shè)置了增計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)功能。當(dāng)水流方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)，干簧管的導(dǎo)通次序應(yīng)該依次為A-B-C-A，反之，當(dāng)水流方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，導(dǎo)通次序?yàn)镃-B-A-C。這樣我們就可以根據(jù)干簧管的導(dǎo)通次序來判斷水流的方向。

        2．3．2計(jì)數(shù)電路分析
通過定時(shí)器控制，定時(shí)中斷到來時(shí)先拉高P6．0口(如圖4所示)， 然后檢測ABC 3個(gè)干簧管的導(dǎo)通狀態(tài)，例如干簧管A處于導(dǎo)通狀態(tài)，A口對(duì)地短路， 當(dāng)我們拉高P6．0時(shí)，從P6．1檢測到的電平信號(hào)應(yīng)該為1個(gè)低電平，而P6．2，P6．3檢測到的電平信號(hào)仍然為高電平。以此來判斷是不是要進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。查詢結(jié)束后將P6．0口置低，等待下一次的定時(shí)器中斷到來。

        2．4讀卡器接口電路

        SLE4428卡是西門子公司下屬的Infineon公司生產(chǎn)的接觸式邏輯加密存儲(chǔ)卡。符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)，具有1 024個(gè)字節(jié)尋址EPROM，每個(gè)字節(jié)具有不可恢復(fù)的寫保護(hù)功能。片內(nèi)具有2個(gè)字節(jié)的可編程密碼保護(hù)功能，只有在正確校驗(yàn)PSC后數(shù)據(jù)才能被改寫。

        SLE4428卡有8個(gè)管腳，與操作命令有關(guān)的是RST復(fù)位引腳，CLK時(shí)鐘輸入端，SDA雙向數(shù)據(jù)端。所有的地址，數(shù)據(jù)和命令都通過SDA端輸入輸出。為了能夠識(shí)別是否有卡插入，在單片機(jī)上設(shè)置了1個(gè)[／O口(P6、4)連到讀卡器的卡簧(見圖4)，當(dāng)讀卡器有卡插入時(shí)，P6．4口對(duì)地短路，從P6、4口檢測到低電平，從而可以判斷卡簧是閉合還是分離，以此來通知單片機(jī)是否需要進(jìn)行讀寫卡操作。

        3、軟件流程

        系統(tǒng)的主要流程

        程序中我們對(duì)各個(gè)接口模塊均采用查詢而不是中斷的方式進(jìn)行操作。整個(gè)系統(tǒng)中處于等待模式時(shí)只有1個(gè)定時(shí)器中斷，定時(shí)器的中斷時(shí)間為0．25S。這使得程序可以在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，有效避免了中斷的嵌套以及可能引起的中斷沖突。同時(shí)0．25s的中斷問隔完全可以滿足計(jì)數(shù)要求，用戶插卡后最長需要等待0．25s單片機(jī)就可以轉(zhuǎn)入讀寫卡模塊處理。

        為防止單片機(jī)在長時(shí)間無人堅(jiān)守的情況下運(yùn)行異常，我們使用了單片機(jī)內(nèi)部的看門狗模塊來監(jiān)測程序的運(yùn)行。在每次的定時(shí)器中斷處理程序中清除看門狗定時(shí)器的計(jì)數(shù)。這樣當(dāng)程序跑飛或陷入死循環(huán)時(shí)，可以通過看門狗對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

        4、性能分析及測試

        當(dāng)系統(tǒng)處于0、25s的睡眠狀態(tài)時(shí)，HT7207A(voltage detector)和單片機(jī)消耗電流總和約為3μA。當(dāng)系統(tǒng)從睡眠中喚醒時(shí)，進(jìn)入100μs的中斷處理程序，這期間除MCU進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)外，還要對(duì)部分端IZl進(jìn)行上拉操作，系統(tǒng)消耗的總電流大約為300μA。

        液晶顯示平均耗電20μA，電機(jī)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)消耗電流大約為21mA。但液晶顯示和電機(jī)模塊只有在讀寫卡和報(bào)警關(guān)閥時(shí)耗電，且每次讀寫卡和閥門操作的時(shí)間不會(huì)超過10s，1個(gè)月內(nèi)一般不會(huì)超過1次讀寫卡操作，其余時(shí)間這兩個(gè)模塊均為關(guān)閉狀態(tài)。由于系統(tǒng)中還存在微弱的漏電流影響，實(shí)際測得的平均電流大約為3-4 μA。1節(jié)2．4Ah的電池至少可以供系統(tǒng)使用6年。

        5、結(jié)束語

        本文的設(shè)計(jì)思路圍繞低功耗和高可靠性2個(gè)方面，以MSP430F413作為主控芯片， 通過對(duì)外圍電路的優(yōu)化，極大程度上降低了水表的功耗，延長了電池的使用壽命。

        在軟件方面采用查詢方式檢測外圍接口的狀態(tài)代替以往常用的中斷方式，使得程序的流程更加清晰的同時(shí)保證了系統(tǒng)的可靠性。

        作者簡介：

        李采超(1983一)，男，碩士研究生，主要從事智能化控制技術(shù)的研究；
        殳國華(1969一)，男，副教授，主要從事電力電子、智能控制方向的研究。

        6、參考文獻(xiàn)：

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        [3]深圳市凱晟科技有限公司：http://www.chinaiccard.com/ .

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