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苏州大学 硕士学位论文 ic卡燃气表设计 姓名：王志超 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：王宜怀 20061001 i c 卡燃气表设计 中文摘要 i c 卡燃气表设计 中文摘要 本文设计了一个以预付为目的的i c 卡燃气表。设计的题目来源于和家苏州 燃气表生产企业的项目合作，该项目主要包括i c 卡燃气表、i c 卡写卡器及售气管 理系统三个部分。本人作为开发小组的成员之一，负责了i c 卡燃气表的开发工作。 项目之初，根据企业要求和对市场燃气表产品的调研，分析了其中的优缺点，确定 了本燃气表的功能有：计量、控制、加密、显示、记忆、防窃、透支和低功耗。硬 件部分围绕f r e e s c a l e 公司性能稳定的工业机芯片m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 展开，主要由电 路板、液晶驱动h t l 6 2 0 芯片、s l e 4 “2i c 卡、防磁干扰和信号计量传感器、电源 转换芯片以及蜂鸣器等构成。软件部分则是由密码保护、插卡处理、信号计量、阀 门驱动与反馈、磁干扰保护、信息显示以及系统报警等模块组成。测试结果和企业 反馈表明，该燃气表功能、稳定性等指标都达到预期的设想。文章给出了燃气表的 设计背景、设计思想、软硬件设计及测试重点，重点阐述了信号准确计量、阀门控 制和。一表一卡”等方面技术实现方法此外，作者还参与设计了与之配套使用的 i c 卡写卡器，负责实现对用户i c 卡的信息存取部分工作文章对写卡器进行了简 要描述。 关键词：i c 卡燃气表；i c 卡写卡器；m c 6 8 h c 9 0 8 儿3 ；s l e 4 4 4 2 卡；信号计量传感器 作者：王志超 指导老师：王宜怀 t h ed e s i g no ft h ei cc a r dg a s - f i r e dm e t e r a b s t r a c t t h i s p a p e rf o c u s e s o nd e s i g n i n ga ni cc a r d g a s - f i r e dm e t e rw i t hp r e p a i d p u r p o s e a n dt h ec o n t e n tc o m e sf r o map r o j e c to fas u z h o ug a s - f i r e dp r o d u e e r - i cc a r d g a s - f i r e dm e t e ra n di cc a r dr e a d e ra n dg a ss e l lm a n a g e m e n ts y s t e m a so n eo ft h e d e v e l o p e ro f t h i sp r o j e e li m li nc h a r g eo f t h ei cc a r dg a s - f i r e dm e t e r , a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h em a r k e t , w em a k es u r et h a tt h eg a s - f i r e dm e t e rs h o u l dh a v et h e f u n c t i o no f c o m p u t a t i o n , c o n t r o l ，e n c r y 聘d i s p l a y , r 锄e m b e r , e t c n 圮m e t e ri sc o m p o s e d o f t w op a l s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e n 地h a r d w a r ei sac i r c u i tb o a r dd e s i g n e da r o u n dt h e h o s tm c u m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3o ff r e c s c a l e t h eh a r d w a r ec o n t a i n st h eh o s tm c u s p e r i p h e r a lc i r c u i t , t h ec o n t r o l l i n gt i ew i r e ，t h ei cc a r d si n t e r f a c ec i r c u i t , t h ev a l u e a c t u a t o ra n df e e d b a c kc i r c u i t , t h es i g n a lc i r c u i tr e s i s t a n tt om a g n e t i z a t i o n , t h em e a s u r i n g c i r c u i t , t h ev o l t a g em o n i t o r i n gc i r c u i t , t h eb u z z e r sc i r c u i ta n dt h el c d sd r i v i n ge i r c u i t e t o s o m eo w np r o g r a m sr e s i d ei nt h eh o s tm c u n 佗p r o g r a m si n c l u d et h ep l u g i n c a r d sd i s p o s a lp r o g r a mo f t h ei cc a r d ，t h ep r e c i s em e a s u r i n gp r o g r a m , t h es e c u r es w i t c h p r o g r a mo ft h ev a l u e ，t h ep r o t e c t i n gp r o g r a m 艇脚t h em a g n e t i z a t i o n , t h ei n f o r m a t i o n d i s p l a yp r o g r a mf o rt h es y s t e m sa l a r m - r e p o r t i n g w h a t sm o r e ，a l li cc a r db a s e d r e a d e r - w r i t e ri sd e v i s e df o rt h es e l lo fg a s b e c a u s et h er e a d e r - w r i 把- rc a nc o m m u n i c a t e w i t hp e r s o n a lc o m p u t e r , i tc a na c c e s sa n dm a n a g ei t s 蝴si n f o r m a t i o n t 蚯sp a p e r e x p o s e dt h ed e s i g nb a c k g r o u n d ，d e s i g nc o n e e p f i o i la n di m p l e m e n ta p p r o a c ho fs o f t w a r e a n dh a t , w a r e b e s i d et h a tt h i sp a p e ra l s op r o v i d e si n - d e p t ha n a l y s i so nt e c h n o i o g i e a l m a i np o 硫i na d d i t i o n , t h ea u t h o ra l s op a r t i c i p a t i o nd e s i g n sh a sw r i t t e nd e v e l o p m e n to f t h ei cc a r db a s e dw r i t e rw i t hi tn e c e s s a r yu s ei cc a r d w a sr e s p o n s i b l et o r e a l i z et ot h e u s 盯i cc a r di n f o r m a t i o na c c e s sp a r t i a lw o r k 1 1 地a r t i c l ew r i t e st h ec a r df u n c t i o nt ot h i s t oc a r r yo i lt h eb r i e f d e s c r i p t i o n k e y w o r d s ：t h ed e s i g no ft h ei cc a r dg a s - f i r e dm e t e r ，t h ei cc a r db a s e dw r i t e r , m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 ，s l e 4 4 4 2i cc a r d ，s i g n a lm e a s u r e m e n ts e n s o r w r i t t e nb yw a n gz h i c h a n s u p e r v i s e db yw a n gy i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：色盘趣 日p- j 学位论文使用授权声明 期：! ! _ f j 苏7 “ i 、l 大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：2 缝 日 导师签名：4 与华一日 期：知f ，2 j 期：蔓坚i ：竖乡 i c 卡燃气表设计第常绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 2 0 0 4 年底，苏州大学f r e e s c a l e 单片机开发巾心( 乙方) 与苏州世德尔科电仪 有限公司( 甲方) 达成燃气销售项目合作事宜，甲方提供丌发费用，乙方则负责研发 和技术支持。整个项目主要包括i c 卡燃气表、i c 卡写卡器及售气管理系统三个部分。 作为乙方开发组的成员之一，作者主要负责i c 卡燃气表( 同时也参与了i c 写卡 器的开发) 的设计工作，售气管理系统则有同组其他成员完成。根据企业要求和对目 前市场产品的调研，本人所设计的i c 卡燃气表集中体现了有关优点，克服了一些缺 点，并按照国家标准进行设计。主要功能有：计量功能，确保用户每用0 0 1 m 气 量，气表计量一次。控制功能，阀门不仅要在正常情况下驱动可靠，而且还要实现 异常处理( 如：阻塞等) 。加密功能，保证一表一卡，非本表卡插入无效。显示 功能，插卡“本次购气”、“剩余气量”以及其他提示性符号。记忆功能，表中信息 自行记忆，保持时间大于1 0 年。防窃功能，气表倒装，气表仍能正常计量或当强 磁场吸合时，气表能自动关。透支功能，插入空卡可以打开气表继续供气。低功 耗功能，电池供电时间在一年以上。 根据甲方的要求和开发内容的实际情况，i c 卡燃气表的开发周期为1 9 0 个工作 同，2 0 0 5 年l o 月进行了产品性能测试，完全达到了预期目标，1 1 月份正式投入批量 生产。到目i j 为止，从企业和市场反馈信息比较理想。 本章首先阐述了项目研究的背景及意义，介绍了i c 卡燃气表的发展情况以及设 计思想，最后给出了毕业设计步骤和论文结构。 1 1 研究背景 i c 卡即智能卡i ”，是“集成电路卡”的简称，国外称为c h i pc a r d 或s m a r tc a r d ， 是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部，使之成为存储、处理和传递数据的载体。 它不仅保密性能好，而且不受磁场干扰，与磁卡相比，具有更强的可靠性。 i c 卡燃气表是在燃气计量仪表中加入i c 卡，利用嵌入式技术实现阀门控制、计 第一审绪论 i c 卡燃气表l 世计 量、显示、加密和报警等功能【柏。 随着计算机技术和信息技术的发展，信息时代已经来临，世界各国都在制定适合 自己纳高科技发展道路，我国政府也蒂致力于国民经济信息化建设，以“会卡工程” 为代表的信息化应用工程使我们向全球经济一体化迈进的步伐大大加快。 作为“金卡工程”的代表，i c 技术无疑是当今世界最优秀应用技术，它已从早期 的投币式，经过到磁卡式，发展到现在的i c 卡式。开发i c 卡技术的主要目的是实现 现金支付与存兑的电子化、减少现金的流通量、推进电子商务和发展公用事业预付费 等。 随着时代的进步、生活水平的提高和民主意识的增强，广大燃气用户越来越要求 改变过去落后的入户抄表收费的落后方式。推广运用i c 卡技术，则可以从根本上解 决这一难题。对燃气经营者来说，i c 卡燃气表解决了入户抄表难、催费收费难等问 题，从而大大减少了和用户的纠纷。对燃气用户来说，i c 卡燃气表一是消除了抄表 人员的打扰和时间预约等麻烦；二是用气更加自由，用户根据自身需要，想用多少就 买多少：三是消除了落后的收费方式的约束限制【3 1 。 由此可见，i c 卡燃气表既方便了用户，也减轻了经营者的诸多难题，对于简化 操作程序，促进社会发展，提高入民群众的生活质量和降低企业的经济成本都有很好 的促进作用。 1 2i c 卡燃气表的发展 1 2 1 历史及现状 i c 卡的概念是2 0 世纪7 0 年代初提出来的，最初应用于金融、交通、医疗、身 份证明等行业，它把微电子技术和计算机技术结合在一起，大大提高了人们生活和工 作的现代化程度。i c 卡燃气表则是近十几年发展起来的新型燃气表。虽然自产生之 只起，i c 卡燃气表显示了一系列优点，解决了许多实际问题，但是其发展过程并非 一帆风顺：由于技术和质量不过关，计量误差几乎全部由此产生，i c 卡燃气表给一 些早期使用者带来了巨大的经济损失，使得燃气公司望而却步，燃气用户心有余悸， 这使得i c 卡燃气表的推广举步维艰1 4 1 0 l c 卡燃气表设计 第一暂绪论 然而，随着企业不断加大资金投入和技术研发，i c 卡燃气技术和质量水平的不 断提高，逐渐得到了用户的认可。目前，国内i c 卡燃气表生产厂家估计超过1 0 0 家， 其中规模较大的有浙江省慈溪市华厦燃气具有限、江阴中成科技有限公司和苏州昌颂 电气科技有限公司等。 国家建设部为加强i c 卡技术的应用管理，促进建设事业i c 卡应用工作健康、规 范、有序、安全、高效地发展，专门成立了i c 卡应用管理领导小组，设立了i c 卡应 用管理领导小组办公室，对i c 卡应用试点及推广实施归口管理，并制定了全国建设 事业i c 卡应用的总体规划和相关政策法规。同时，为提高提高燃气行业经营管理水 平，促进燃气收费系统的现代化管理，国家也制定了相应的行业标准，即 c j t 1 1 2 2 0 0 0 ( i c 卡家用膜式燃气表，在g b t 6 9 6 8 1 9 9 7 膜式燃气表的基础上， 增加了预付费控制器有关技术要求，并要求生产者遵循有关电子产品的标准要求i5 1 。 1 2 2 前景 虽然目前市场上已经出现了各种各样的i c 卡燃气表，但质量参次不齐，信誉好 的企业产品性能比较可靠，但价格高；一般规模较小的企业生产的产品不稳定，因此， 用户都很难接受。我们开发的这个项目的产品的市场立足点为性能价格比具有一定的 竞争力。所以，i c 卡燃气表还有很多值得研究和改进的地方，做好这方面的工作对 于国内i c 卡燃气表的发展和成熟将有一定的促进作用。 1 3i c 卡燃气表的设计思想 i c 卡燃气表主要由硬件和软件组成；硬件部分主要以微控制器( m c u ) 为中心， 实现计量、显示、i c 卡读写、抗干扰、阀门驱动、电压检测和报警提示等功能：而软 件则是在主程序中实现对各中断子程序的调用，从而实现计量准确、提示、防窃、加 密和驱动以及保护等功能。 第一章绪论 i c 卡燃气表设计 1 4 毕业设计工作及论文结构 1 4 1 毕业设计工作 ( 1 ) 选题 作者根据对目i j i c 卡燃气表发展的现状以及国家相关部门文件精神的分析，以 及结合具体的项目开发，认为i c 卡燃气表的研究很有实用价值和市场前景。同时结 合作者对嵌入式软，硬件设计的经验，分析了i c 卡燃气表的可行性，决定选用“i c 卡燃气表”作为毕业设计课题。 ( 2 ) 总体设计 对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的设计方案。 ( 3 ) 硬件选型和独立元件实验 根据确定的硬件方案选择适当的芯片元件和电子元件，经过实验，最终确定可行 的硬件方案。 ( 4 ) 电路板设计、焊接和测试 设计电路板原理图和电路图，完成最终的布板、焊接以及硬件测试。 ( 5 ) 软件设计 根据软件设计方案设计出燃气表软件。 ( 6 ) 综合调试 软硬件联合调试，最终完成i c 卡燃气表的设计。 ( 7 ) 论文 总结毕业设计的过程，完成最终的毕业论文。 1 4 2 论文结构 全文共分为七章，具体介绍如下： 第一章介绍i c 卡燃气表的的设计背景、发展历史、设计思路、设计过程和论文 结构。 第二章描述软硬件设计的整体方案。 第三章具体介绍系统硬件设计过程，包括硬件选型的原则与设计、所选主要元件 4 ! 竺茎塑! 墨垡! 一笙二兰! 丝 的特性、最终电路板的设计过程和测试方法。 第四章阐述燃气表软件的设计，包括主程序和关键子程序的功能。 第五章简单介绍l c 卡写卡器。 第六章简述i c 卡燃气表的测试情况。 第七章总结全文，提出i c 卡燃气表的后续工作。 第二章设计方案 i c 卡燃气表设计 第二章设计方案 弟一早阪丌力杀 基于对国内的一些i c 卡燃气表的分析研究，比较其优缺点，笔者结合具体的 项目开发，研制出一款新的i c 卡燃气表，以下将给出这款新的i c 卡燃气表的设计 方案。 2 1 目前ic 卡燃气表的分析 甲乙双方在达成项目合作事宜之初，通过对目前市场上现有的部分i c 卡燃气表 的分析比较，发现目前市场上的i c 卡燃气表质量参次不齐，信誉好的企业产品性 能比较可靠，但价格较高；一般规模较小的企业产品虽然价格低，但是性能很不稳 定，具体表现在阀门失控、无法输气、传感器存在较大误差、元器件故障率高、系 统出错、功耗大、计量不精确等一系列问题。因此，我们开发的这个项目的产品在 性能价格比方面应有一定的竞争力。 2 2i c 卡燃气表的基本思路 通过对需求和现有条件的分析，笔者设计的思路仍然沿用围绕气表展开设计的 原则，将i c 卡燃气表分为硬件和软件两部分，所有实现过程都以准确计量和可靠 控制为最终目树翻。 2 2 1 硬件部分 硬件部分( 如图2 1 ) 是一块包含了各种控制芯片及其驱动电路的电路板。芯 片包括主控芯片、i c 卡驱动芯片、l c i ) 驱动芯片、电源转换芯片等；驱动电路包括 阀门驱动及回馈电路、计量采集电路、防磁干扰电路，电压监控电路和蜂鸣器驱动 电路等。硬件部分通过外连的计量传感器、磁干扰传感器、i c 卡接口电路、阀门驱 动电路以及电压检测电路等了解外部的各种情况，做出判断后作出相应动作，从而 实现计量、抗干扰、i c 卡读写、阀门驱动、电压检测和报警提示等功能”1 。 i c 卡燃气袁设计 第二章设计方案 ii 毡锟转挟心玎 ，) 主 l 阀门驱动及同馈i 乜路卜， ：， 控 芯 2n “- 皿d e t _ v tl i酗融十扰l n 路 i ： 片c ：il l 【肤临挖j u 路 图2 1i c 卡燃气表硬件框图 2 2 2 软件部分 软件部分( 如图2 - 2 ) 则是由一个主程序和多个子程序组成“。子程序包括各种 外围设备的驱动，例如液晶显示、阀门控制以及报警仪；各种信号的采集，例如计 量信号、磁干扰信号和低电压信号；以及插卡处理和密码检验等子程序。主程序通 过对各子程序的调用，实现根据采集的外围信号，实现用气的计量、显示控制，电 机驱动和防盗等功能”1 。 主程序 计 量 了： 程 序 阀 门 控 制 子 程 序 密 码 处 理 子 程 序 防 磁 干 扰 子 程 序 液 晶 显 不 子 程 序 插 卡 子 程 穿 圈2 - 2i c 卡燃气表软件功能模块围 2 3lc 卡燃气表的主要功能和特点 2 3 1 系统功能 低 电 压 处 理 予 程 报 警 于 程 序 根据需求，系统应具有如下功能： ( 1 ) 计量功能：系统的最终目标是计量准确。因此，在硬件上和软件上均采 第一二章啦计方案i c 卡燃气表i 5 1 计 取了一些有效措施( 主要考虑软件滤波、抗干扰以及漏计量处理) ，确保用户每用 0 o l m5 气量，气表计量一次。 ( 2 ) 阀门驱动以及检测功能：阀门驱动主要实现阀门的开和关：同时对阀门 打滑和阻塞等异常情况进行检测和处理功能。 ( 3 ) 低电检测功能：当电池寿命到期或被取出时，主程序能检测到并进入欠 压处理程序，如超时( 2 小时) 电压还没有回升，则关闭阀门并停止供气。 ( 4 ) 显示功能：插卡后不仅可以依次显示“累计用气”、“本次购气”、“剩余 气量”等提示，对于非法错误与操作也会及时报告和提示，以便提醒用户或方便用 户查看相关数据和信息。 ( 5 ) 报警功能：当气表中的剩余气量不足，或电池欠压，或用户误操作时气 表中的蜂鸣器会呜叫( 不同的错误和提示呜叫的次数和频率也不同) ，以达到报警 和提示的目的。 2 3 2 系统特点 该气表除了以上性能之外还有如下特点： ( 1 ) 加密功能：通过对i c 卡加密，不仅可以保证卡中数据的安全，而且能够 实现一表一卡，即非本表卡插入无效，可以有效地防止非法窃气。 ( 2 ) 防窃功能：除了采用上述加密i c 卡外，当气表倒装仍可正确计量：如有 强磁场干扰气表则自动关阀，这些都是防窃的重要措施。 ( 3 ) 透支功能：根据用户的需求，当气表中的剩余气量小于一定的量( 如： 0 1 m 3 ) 时，阀门将自动关闭以停止供气，当用户再次插入空卡时气表则重新恢复供 气；即使剩余气量为负，只要其值不低于系统设定的透支量，气表均可供气，当用 户再次购得气量并插卡时，气表会自动扣除已透支使用的部分，这就是所谓的“透 支功能”。 ( 4 ) 低耗功能：由于气表采用电池供电，对系统的整体低耗要求较高。为满 足这一需要，气表中采用的m c u 可以设定s t o p 工作模式，最小工作电流设定为u a 级，这样可以大大延长电池的寿命。 i c 卡燃气表设计 第三章硬件设计 第三章硬件设计 分析了系统需求并与确立了设计方案之后，接下来是进行硬件设计。在应用系 统的硬件电路设计中，首先是确定主控芯片，然后再按照系统功能定位进行外围设 备的设计和选择。 3 1 选型的原则 硬件选型是嵌入式产品设计的首要环节，硬件选型的好坏不仅直接影响着产品 设计进度，而且决定了产品的性能，并会对产品的生产产生重要影响，因而在硬件 选型时应该综合考虑成本、开发的难易程度、元件购买途径和用户需求等问题“。 由于在嵌入式的开发中，所有的设计都围绕主控芯片展开，其选型问题尤为重要， 本文就以主控芯片为例，从技术角度来阐述硬件的选型原则“： ( 1 ) 合理的r a m 和f l a s h 大小： ( 2 ) 通用的i o 引脚数目； ( 3 ) 内部包含的功能模块； ( 4 ) 芯片的封装形式； ( 5 ) 写入器、编译器和集成开发环境。 目前市场上的芯片种类很多，而最终的用户只注重功能的实现，对具体使用哪 一款芯片并无严格要求，因此开发者在设计过程中可以尽量选用自己比较熟悉的芯 片进行开发，从而缩短开发的周期。从当前的市场来看，r a m 和f l a s h 的大小与i o 引脚的数目与芯片的价格基本上是成难比的。开发者应选择一个相对合适的性价 比，既保证产品性能，又不浪费芯片资源，增加产品的成本。应根据用户需求来选 择芯片的内部功能模块，尽量满足绝大部分用户的需求。在选择芯片的封装形式时 则要考虑实验和后期生产等因素。通常的芯片封装形式有双列直插型和贴片形式， 双列直插封装方便实验，而贴片形式相对，但是其体积小，空间较小的产品则必须 选用这种形式。嵌入式丌发通常使用两种语言，即汇编和c ，各个厂家的芯片对这 9 第三章劬件设计 c 卡燃气表设计 两种语言所定的标准并不相同，因而在选用芯片时必须考虑程序开发和编译写入等 问题。 作者在以前的研究和) l ：发中一直使用f r e e s c a l e 公司( 原m o t o r o l a 公司的半 导体部分) 的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片( 相关资料见附录 ) ( 以下简称g p 3 2 ) “。 h i ， 但在本系统需求分析后发现使用这款芯片会造成极大的资源浪费，大大增加开发成 本。具体表现如下： ( 1 ) 气表对r a m 和f l a s h 要求不高，而g p 3 2 芯片中有容量较大的r a m 和f l a s h ( 分别为5 1 2 b 和3 2 k b ) 。 ( 2 ) 气表只需要2 0 个通用i 0 引脚，而g p 3 2 多达3 4 个。 ( 3 ) 气表只需2 0 多个引脚，而g p 3 2 的引脚有4 0 多个n 5 1 。 显而易见，如果设计中采用g p 3 2 ，产品成本肯定要高出许多，这会大大降低产 品在市场上的竞争力。基于上述原因，作者决定采用f r e e s c a l e 公司推出的另一款 新的芯片m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 ( 以下简称j l 3 ) n 6 3 。这款芯片拥有2 3 个通用的i o 口， r a m 和f l a s h 容量分别为1 2 8 b 和4 k b ，引脚数为2 8 ，价格比g p 3 2 低许多。因此， 使用这款芯片既满足了用户的要求，又节约了成本。下面详细介绍这款芯片。 3 2 主控芯片j l 3 描述 3 2 1j l 3 芯片主要特征 主控芯片m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 主要有以下特征： ( 1 ) 4 k b 的f l a s h 存储器，具有密码保护和在线编程能力； ( 2 ) 1 2 8 b 片内r a m ； ( 3 ) 8 m h z 内部总线频率： ( 4 ) 2 3 个通用i o ： ( 5 ) 2 通道的t i m e r p w m ： ( 6 ) 7 个键盘中断口； ( 7 ) 1 2 个模数转换门： ( 8 ) 低电压设计，s t o p 和w a i t 工作模式； o i c # 燃l 表设计 第三市砸件设计 ( 9 ) 2 个2 5 m a 吸流和放流能力； fi 0 ) 系统保护特性：看门狗( c o p ) 功能、低电压检测复位、可选3 v 或5 v 探作、非法指令检测复位以及非法地址检测复位。 3 2 2j l 3 的结构模块 j i _ 3 的功能结构框图如图3 1 ，其主要的功能模块介绍如下： ( 1 ) c p l ：j l 3 的处理器仍为8 位的处理器，内部总线频率可达8 | ，指令与0 8 内部怂线 系列完全兼容。 ( 2 ) 存储器：j l 3 寻址空问为6 4 k 存储器的映像如图所示，其中包括：4 k 字 节的f 】a s h 1 2 8 字节的r a m ，6 4 b 控制和状念寄存器和9 6 0 字节监控r o m 。 ( 3 ) 定时器和脉宽调制模块：j l 3 中有两个定时器和脉宽调制模块，它们和 p t d 口复用，p t d o p t d 3 对应a d l t - a i ) 8 。p t d 4 p t 5 对应模块2 中的2 个通道，两 一一一一一一一一 一一一一一 霉 翼馨 第二章碘件设计l c # 燃气表i 5 计 个通道独立工作互不影响。 ( 4 ) 模数转换模块：j l 3 中提供了1 2 路的模数转换通道，它与p t b 口复用和 t o o p t d 3 。1 2 路通道互棚独立工作。 3 。2 3j l 3 芯片的引脚 如图3 - 2 为引脚图，j l 3 共有2 8 个引脚，其中有2 3 个通用i o 口，具体为p t a o p t a 6 、p t b o p t b 7 、p t d o p t d 7 ；还有电源类引脚v d d 和v s s ：晶振引脚o s c l 和 0 s c 2 ( 0 s c 2 和p t a 6 复用) ；复位引脚r s t ：中断引脚i r q l 。 3 3 硬件设计概述 3 3 1 硬件功能概述 由图3 - 3 可以看出此硬件平台应该具有以下功能： 匝亟五圈 匠团 图3 3l c 卡燃气表的硬件电路板结构框图 一盯舳m：宝会!m刚叭跎眙w一雕盯盯盯町盯盯盯盯盯盯町町盯 一h o ，州1 2 3 7 6 5 7 6 丽洲懈呲舯m啪m叭m m m m m c 卡燃气表设计第_ 三帝碘件改汁 ( 1 ) l c d 控制接口； ( 2 ) 磁干扰接口( 接传感器) ； ( 3 ) i c 卡接口； ( 4 ) 阀门信号驱动及反测； ( 5 ) 计量信号接口( 接传感器) ； ( 6 ) 3 6 v 电源盒； ( 7 ) 低电压检测； ( 8 ) 蜂鸣器驱动。 3 3 2 硬件设计框图 图3 4 为i c 卡燃气表硬件设计框图。图中主要由主控芯片、电源控制、阀门 驱动及反测、防磁干扰信号、计量信号、电压监恻、i c 卡接口、蜂鸣器以及液晶驱 动模块等组成。 m c u ( j l 3 ) l 计。量传感器 刊计量接u 电路 i 陶i p t d 4 瞄t_ h 复位电路 l 磁干就传感器 爿防磁干扰接口电路卜p t o m 5h 低电压监控电路 i电源电路f ov s s v 町m 3刊l c d 接妇电路吲l c d 液晶 l 品振和滤波一乜路 j f s c l ，o s c 2 vp r b o 、f r a 3 蚓i c 卡接u i 乜路f | s l e 4 4 4 2 卡 m lp t d 6i 阀门控制及反测电* 耐l 阀门 l 蜂鸣器卜_ 一蜂呜器驱动电路 _m 3 p 1 8 7 。n l j 6 固3 - 4 主控制器硬件设计框图 3 3 3m c u 引脚分配汇总表 主控芯片j l 3 的i o 口分配情况简要说明。j l 3 的通用i o 口有p t a o p t a 6 、 p t b o p t b 7 、p t d o p t d 7 ，一共2 3 个。1 0 口的具体分配情况如表3 1 所示。 第三章础件设计i c 卡燃气表设计 表3 - 1i , c u 引脚分配汇总表 分类名称编号“ c u 引脚目标功能说明 1计量 1 p t a 4 ，i r q | 计量信号采集两0 i 脚复接 2蜂呜嚣 2 p t a 3报警驱动 3鼽融1r 扰3p t a o 磁十扰佑 ，采集 4 低i 乜j 氍 4p t a 5 父压信呼输入 p t b 6 和p t b 7 分 5阀门控涮 5 6p i d 6 一p t d 7 控制阀门信号输廿； 别用作驱动 p t b 6 和p t b 7 分 6 阀门反测 7 8m 6 - p t b 7 阀门开关状态输入别用作开和关 反测 7 l c d 液晶 9 一1 2p 1 _ d 0 一p t d 3 信息显示 ”a l 用作插卡 81 c 卡1 3 一1 6 p t a i p t 8 0 一p t b 3 数据存取 信号输入 为了减少干扰， 9 其他无p t a 4 p t b 4 ，p t b 5 ，无将这些引脚过 1 0 0 n 接地 3 4 硬件模块设计 由电路原理图( 见附录b ) 和表3 - 1 可以看出，硬件连线可分为五块：主控芯 片的外围电路模块，信号采集模块，驱动与控制模块，l c d 液晶模块及i c 卡模块。 下面对具体模块进行设计与分析。 3 4 1 外围模块 主控芯片的外围电路模块包括晶振电路、电源滤波、电源电路和复位电路四个 部分。 图3 5n c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 晶振电路圈3 - 6m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 电源滤波电路 i c 昔燃7 t 表设计第三章耻件设计 ( 1 ) 晶振电路如图3 - 5 所示。0 s c 2 【5 脚】外接晶振引脚，o s c i 【4 脚】内部 晶振引脚。考虑到晶振电路的稳定性，作者选用三个引脚的晶振y 1 ，其震荡频率为 4 m h z ，再并联一反馈值为1 0 m q 的电阻r 3 ，构成稳定的晶振电路。 ( 2 ) 滤波电路如图3 - 6 示。v s s 【3 脚】电源地。v d d 【7 脚】外接电源。 芯片上使用的电源引脚，通常是v d d 外接3 v 电源，v s s 接地。在所有的电源和 地上接0 1uf 的电容滤波，并在系统地和电源v s s 、v d d 上接一滤高频信号的4 7 pf 电解电容。这样系统就会更加稳定了。 ( 3 ) 电源电路见图3 7 ，其中主要包括常用电源e l 和备用电源e 2 、发光二极 d 2 e 2 百盼， v c c 图3 - 8 复位电路 管( 供电源指示) d 1 和d 2 以及给系统提供电源转换的芯片u 5 。由于系统工作时电 源电压为3 v ，而电池提供的电压为3 6 v ，因此需选用一个电源转换芯片h t 7 5 3 0 ( 图 中标号为u 5 ) 将电压稳定在3 v 。具体介绍如下： h t 7 5 3 0 电源转换芯片有【l 脚】v i n 、【2 脚】g n d 、【3 脚】v o u t 三个引脚。 v i n 输入大于3 v 时，输出引脚v o u t 为3 v 。当v i n 输入小于3 v 时，输出引脚v o u t = 0 。 系统运行中，在电池电量不足时，会报警提示，具体实现见3 3 7 低电压监测电路 部分。 ( 4 ) 复位电路见图3 8 所示，r s t 引脚与主控芯片的复位引脚r s t ( 第2 8 脚) 和i c 卡复位电路相连，在系统复位的同时i c 卡电路也复位。图中的r 8 上拉电阻， 作用是为复位端提供高电平；电容c 6 的作用则是在按钮按下的时候使信号更稳定； r 7 选择的阻值较小( 仅5 1q ) ，目的是在复位时迅速将主控芯片r s t 端电压拉低， r 7 5 l 第三章碰件改计i c 卡燃气表i 5 计 为系统提供可靠的复位信号。 3 4 2 信号采集模块 此模块包括计量电路、防磁干扰电路与低电压监测电路。 ( 1 ) 计量电路如图3 - 9 所示，j l z d l 为计量传感器信号的输入，接口电路通过 i r q l ( 第l 脚) 与主控芯片相连；外围电路中，为了确认是否有计量信号，i r q l 与 p t d 4 复接，上拉电阻r 2 为计量信号输入端( j l z d l ) 提供稳定的高电平。为了使信 v e t s n ls n 2g n d 图3 - 0 计量电路 囝3 “ 1 0 接口连线示意匿 号可靠和稳定，在靠近引脚端，接0 3 3l af 电容到v s s 进行滤波。 计量信号系统的产生主要由传感器中干簧管完成，其工作原理是：在普通转盘 计数的气表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在 计数盘( 例如0 0 1 立方米) 位上，气表中有气通过时，使气表内部气囊膨胀，推动 小磁体靠近干簧管使之吸合，当转盘每转一圈，永磁铁经过于簧管一次产生低电平， 即在信号端产生一个计量脉冲，对应0 0 1 矿。没有气通过时，干簧管断开产生高电 平。为了防止计量干簧管短接耗电，该引脚软件上不能定义为上拉。 传感器接口是用来采集各种传感器的信号，j l 3 提供1 2 路8 位的a d 采样。a d 的接口可连接计量传感器，磁干扰传感器等各种类型的传感器，图3 一1 0 ，给出了传 感器与a d 口的接线方式。v c c 和g n d 可为外接的传感器提供电源，从s n l ( 系统中 接计量信号输入端j l z d l ) 和s n 2 ( 接磁干扰输入端c g r z d ) 引脚可获得a d 的采样 信号。 ( 2 ) 防磁干扰电路与计量电路( 见图3 - 9 所示) 很相似，所不同的是：信号 1 6 i c 卡燃气表设计第_ 二章碗件i 5 计 输入端接c g r z d ，输出端接主控芯片的p t a 2 。 磁传感器的工作原理为基于霍尔效应的 磁感( m 1 ) 技术，即磁场变化引起传感单元 电感量的变化，经驱动电路产生信号输出， 即一旦有强磁干扰，传感器输出为低电平， 系统从而产生中断。 ( 3 ) 低电压监测电路 电路如3 1 1 图所示，图中的电源转换芯 片h t 7 5 3 6 电源转换芯片有【l 脚】v i n 、1 2 脚】g n o 、【3 脚】v o u t 三个引脚。 v i n 输入大于3 6 v 时， 输出引脚v o u t 为3 6 v 。当 v i n 输入小于3 6 v 时，输出 引脚v o u t = o 。当电池电压正 常时为高电平，当电量不足 或电池被取走时为输出 ( p t a 5 ) 低电平，产生低压中 断。 3 4 3 驱动与控制模块 此模块由阀门控制与反 测电路以及蜂鸣器驱动电路 构成。 ( 1 ) 阀门控制及反测电 路如图3 1 2 所示。p t d 6 引脚 ( 第1 4 脚) 和p t d 7 ( 第1 3 脚) 分别作为阀门驱动电路 的丌和关驱动信号脚；p t b 6 j r 图3 - 1 1 低电压检测电路 t a 5 图3 - 1 2 阀门控制及反测电路 笫三章碰件设计 c 卡燃气表设计 ( 第1 1 脚) 和p t b 7 ( 第1 0 脚) 分别作为阀门开和关阻断电流反测输入引脚。当执 行丌阀门输出时( p t d 6 输出高电平) ，三极管q 3 、q 4 、q 5 分别导通，为阀门控制电 帆提供运行信号；而阀门是否打开( 存在阻塞或打滑的可能) 则是通过反测p t b 6 端的电流大小来确定，在规定时日j 内( 3 9 秒) 电流的值较小的话，则说明开阀正常， 反之则不正常。关阀门的驱动和反测则是通过p t d 7 和p t b 7 实现的，具体原理和开 阔相阔，不在赘述。图中的c 3 和c 4 两电容 均是起滤波和稳定的作用。 ( 2 ) 蜂呜器电路见图3 1 3 ，由蜂呜器 ( b e e p ) 及其驱动电路组成。驱动电路是通 过主控芯片的p t a 3 引脚( 第9 脚) 控制三极 管，当p t a 3 输出高电平时，三极管导通，峰 鸣器呜叫。在软件实现部分，通过控制峰鸣 器呜叫的频率不同，实现系统中的多种报警 提示。 3 4 4 液晶芯片h t l 6 2 0 田3 - 1 3 蜂鸣器驱动电路 为了使气表显示诸如“关阀”、“购气”、 “换电池”，“卡错”等提示，如图3 1 4 液晶显示界面必须配有显示驱动器，本设 计中采用h o l t e k ( 合泰) 半导体公司生产的h t l 6 2 0 芯片：1 “，这款芯片价格便宜且 性能稳定，在很多系统中都有应用。 图3 - 1 4 液晶显示界面 硬件接法：电路中，p t d o ( 第1 6 脚) 接液晶模块c s 引脚，p t d l ( 第1 9 脚) 接液晶模块d a t a 引脚，p t d 2 ( 第2 4 脚) 接液晶模块w r 引脚，p t d 3 ( 第2 2 脚) 接 液晶模块v c c 引脚。 i c 卡燃【表设计第三节砸件砹玎 h t l 6 2 0 是一个3 2 x 4 的l c d 。驱动器可通过软件配置为1 2 或i 3 偏胃，2 ，3 或4 背级输出。该特性使h t l 6 2 0 适合于各种l c d 的应用。驱动时钟由系统时钟提 供，频率为2 5 6 h z 。与l c d 有关的命令见表3 2 。 表3 - 2h t l6 2 0 偏置和背级命令 名称 命令代码功能 l c do f f1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 x 关闭l c d 输 l c do n1 0 0 0 0 0 0 0 0 1i x 打开l c d 输：f j c = o ：1 2 偏胃选项 c = l ：1 3 偏置选项 b l a s 和c 0 m 1 0 0 l o a b ( c xa b = 0 0 ：2 背级选项 a b = 0 1 ：3 背级选项 a b = 1 0 ：4 背级选项 租体格式的1 0 0 ，即1 0 0 ，表示命令模式i d 。如果执行连续命令，除第一个命 令外，其余命令模式的i d 都将被省略。l c do f f 命令通过禁止l c d 偏置发生器来关 闭l c d 显示。与之相反，l c do n 命令通过使能l c d 偏置发生器来打开l c d 显示。b i a s 和c o m 都是与l c d 显示屏有关的命令。通过使用这些命令h t l 6 2 0 可以兼容大多数 类型的l c d 显示屏。 ( 1 ) 命令格式 h t l 6 2 0 可通过软件设定进行配置。有两种模式命令对h t l 6 2 0 进行配置和传输 l c d 显示数据。h t l 6 2 0 的配置模式成为命令模式，它的命令模式i d 为1 0