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作 者： 淮海工學院 魚瑞文 龔成龍</P><P> 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(shù)據保密性、動作可靠性等方面都取得良好性能。</P><P> 關鍵詞： 預付費 冷水水表 最小功耗設計 iButton信息紐扣</P><P> <BR> 引 言</P><P> 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(xiàn)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(xiàn)預付費智能卡式水表的設計。</P><P> 1 TM卡信息紐扣應用研究</P><P> 1.1 TM卡信息紐扣簡介</P><P> 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(shù)據線按照特定的時序要求由數(shù)據線逐位與外界交換數(shù)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。</P><P> 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(shù)據極為方便，與觸頭輕輕一碰，瞬間即可完成數(shù)據信息的讀寫操作；其完善的保密存取方式，確保數(shù)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。</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200382910404531341.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200382910404531341.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200382910405121058.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200382910405121058.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200382910405923838.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200382910405923838.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> </P><P> </P><P> 1.2 1-Wire通信協(xié)議與讀寫控制程序設計</P><P> TM卡內部包含有3個獨立的64字節(jié)數(shù)據存儲區(qū)和1個64字節(jié)讀寫緩沖區(qū)，每個數(shù)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(shù)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(shù)據"1"，以60μs低電平脈沖表示數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)據的指令，如讀寫NV RAM區(qū)數(shù)據指令、讀寫或復制讀寫緩沖區(qū)數(shù)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(shù)據和向TM卡寫入數(shù)據3種類型。 </P><P> 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(shù)據讀寫的過程需要遵循其工作機理和時序要求，具體包括：</P><P> �、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(shù)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(shù)據讀寫操作了。</P><P> �、趶腡M卡讀取數(shù)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(shù)據線上，微機從數(shù)據線上獲得數(shù)據。若數(shù)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(shù)據線，數(shù)據線恢復為高電平，為微機繼續(xù)從TM卡讀取數(shù)據位作好準備。</P><P> �、蹖�(shù)據寫入TM卡。與讀取數(shù)據類似，微機向TM卡發(fā)1個寫負脈沖，然后開始寫數(shù)據。微機維持數(shù)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(shù)據線拉高并維持特定時間，則表明寫入"１"。完成數(shù)據寫入后，數(shù)據線恢復為高電平，為微機繼續(xù)向TM卡寫入數(shù)據位作好準備。</P><P> 2 TM卡預付費智能冷水水表設計</P><P> 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(shù)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。</P><P> 2.1 微控制器系統(tǒng)設計</P><P> 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。控制器硬件框圖如圖3所示。</P><P> 2.2 水表控制器程序設計</P><P> 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(shù)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(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。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038291041574853.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038291041574853.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200382910411399803.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200382910411399803.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> <BR> </P><P> 2.3 電池長壽供電與最小功耗設計</P><P> 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。</P><P> �、� 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�？刂瞥绦蛟O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(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。</P><P> �、� 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。</P><P> �、� 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。</P><P> 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。</P><P> 結束語</P><P> 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(shù)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。</P><P> 參考文獻</P><P> 1 Dallas Semiconductor Corporation. Book of DS19xx iButton Standards. <img align=absmiddle src=pic/url.gif border=0><a target=_blank href=http://www.ibutton.com> http://www.ibutton.com<;/a> <BR> 2 周立功, 陳智紅. P87LPC76X OTP單片機使用指南. 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司, 1999
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