（计算机软件与理论专业论文）非接触式ic卡智能水表研制.pdf

摘要 传统的人工抄表收费方式已越来越不适应现代化管理的需要。随着电子技 术和通信技术的发展，用水管理的自动化和信息化将能得到逐步实现。非接触 式i c 卡智能水表是一种新型的自动化水表系统，具有非常好的应用前景。本文 以智能水表为研究对象，首先对非接触式i c 卡智能水表进行了系统的研究；然 后以高性能的嵌入式微处理器为核心，采用无线射频( r f i d ) 技术，实现了非 接触式i c 卡智能水表的设计。主要研究成果如下： ( 1 ) 根据智能水表的设计需求，研究了智能水表的整体技术方案。对智能 水表的硬件系统、软件系统和几个关键技术问题进行了讨论和研究。 ( 2 ) 根据智能水表的性能指标，首先研究了智能水表的总体结构；然后基 于嵌入式微处理器8 0 5 1 设计了非接触式i c 卡智能水表的硬件系统，实现了硬 件系统总体、水流量采集单元、水流量处理单元、i c 卡及读卡器单元的设计。 ( 3 ) 进行了非接触式i c 卡智能水表的软件设计。包括系统主程序、水量 采集单元、阀门控制单元、读卡器单元的软件设计。 ( 4 ) 进行了非接触式i c 卡智能水表的其它关键技术研究，重点从软件、 硬件两方面进行了系统的低功耗研究和设计，以及水表防抖动、数据自动纠错 和延长存贮器寿命设计。 关键词：非接触式i c 卡、智能水表、无线射频技术、设计 4 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gw a yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e t t h en e e d so fm o d e mm a n a g e m e n t a l o n gw i t ht h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，t h ew a t e rm a n a g e m e n ta u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o nw i l l b eg r a d u a l l yi m p l e m e n t e d t h en o n - c o n t a c ti cc a r di n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e ri san e w t y p eo fa u t o m a t e dw a t e rm e t e rs y s t e m i th a sav e r yg o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo fi n t e l l i g e n tw a t e rm e t e rs y s t e m f i r s t l y ，t h en o n - c o n t a c ti cc a r di n t e l l i g e n c ew a t e r m e t e rs y s t e mi ss t u d i e d t h e nw et a k et h eh i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra st h ec o r e ，a n du s et h et e c h n o l o g yo fr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，t oa c h i e v et h ed e s i g n so f n o n c o n t a c ti cc a r d i n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e rs y s t e m t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nd e m a n do fi n t e l l i g e n tw a t e rm e t e rt os t u d yt h eg e n e r a l s c h e m eo f i n t e l l i g e n tw a t e rm e t e r t h ei n t e l l i g e n tw a t e rm e t e r sh a r d w a r es y s t e m s ， s o f t w a r es y s t e m sa n ds e v e r a lk e yt e c h n i c a li s s u e sa r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ei n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e rp e r f o r m a n c e ，w ef i r s t l ys t u d yt h e g e n e r a ls t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e r t h e nb a s e do nt h ee m b e d d e dm i c r o p - r o c e s s o r8 0 5 1 ，w ed e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m so ft h en o n - c o n t a c ti cc a r d i n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e r , a n dr e a l i z et h ed e s i g no f t h eh a r d w a r es y s t e mf r a m e ，t h e f l o wo fw a t e rc o l l e c t i n gu n i t s ，t h ef l o wo fw a t e rp r o c e s s i n gu n i t ，t h ei cc a r da n dt h e r e a d i n gu n i t ( 3 ) t h es o f t w a r es y s t e mo f t h en o n c o n t a c ti cc a r di n t e l l i g e n c ew a t e r m e t e ra r e d e s i g n e d ，i n c l u d i n gs y s t e mm a i nr o u t i n e ，t h ef l o wo fw a t e rc o l l e c t i n gm o d u l e ，t h e v a l v ec o n t r o lm o d u l e ，t h er e a d i n gm o d u l eo fi cc a r d ( 4 ) t h eo t h e rk e yt e c h n o l o g i e so fn o n - c o n t a c ti cc a r di n t e l l i g e n c ew a t e r m e t e r w e r es t u d i e d t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fl o w - p o w e rg o a l ，t h e a n t i - d i t h e rt e c h n o l o g yo fw a t e rm e t e r ，a u t o m a t i ce r r o r - c o r r e c t i n go fd a t a ，a n d i n c r e a s i n gt h el i f eo fm e m o r yf r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e y w o r d ：n o n - c o n t a c ti cc a r d ，i n t e l l i g e n c ew a t e rm e t e r ，r f i d ，d e s i g n 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主垫缕 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州i 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权贵州i 大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：尬鲻导师签名：超匕鱼邕羔日 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于企业仪表技术革新项目。其主要目的是将非接触式i c 卡应用 于智能水表中，并进行一些关键性技术设计。 1 2i c 卡智能水表的现状及发展方向 随着社会的进步、人口的增长，工业、农业现代化的迅速发展，水资源匮 乏的问题突显。据统计，目前全球人均供水量比1 9 7 0 年减少了1 3 ，这是因为 在这期问地球上又增加了1 8 亿人口。世界银行1 9 9 5 年的调查报告指出：占世 界人口4 0 的8 0 个国家正面临着水危机，发展中国家约有1 0 亿人喝不到清洁 的水，1 7 亿人没有良好的卫生设施，每年约有2 5 0 0 万人死于饮用不清洁的 水。联合国预计，到2 0 2 5 年，世界将近一半的人口会生活在缺水的地区。水危 机已经严重制约了人类的可持续发展。尽管如此，很多人节约用水的意识还非 常淡薄，污染、浪费水资源的现象非常严重。迫切需要通过市场、科学技术等 手段来控制人们的生活、生产用水，切实丌源节流。 自来水自动化管理系统是利用当代微机技术、数字通讯技术与水表计量技 术完满结合，集计量、数据采集、处理于一体6 3 28 i 。将城市居民用水信息加以 综合处理的系统，使自来水公司及物业部门从根本上减少人工上门抄表的繁杂 劳动强度。准确而便捷的收费系统，既可节省人工又可减少供水部门与客户之 问的纠纷，它不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用水缴费的 新需求。当前自来水自动化管理系统主要有四大类型： 1 、分线制集中抄表方式 分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自 多路分线连接的水表信号并进行数据处理，存储各采集器之f h j 采用总线制连 接，最后连接至计算机，其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置。 2 、总线制钳能抄表方式 总线制智能水表 如十采集计数：l ：作单元均装配住智能水表内并密封，水表 的数捌采集、处胖、存储等琏础l ：作令智能 水表本身完成，手抄器或电脑 6 不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。另外 因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存( 仅影响本人数据的 读出) ，也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障， 只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全 性、稳定性是比较可靠的。 3 、无线发射式水表 英国a b b 公司丌发的无线发射式水表，除安装常规数据采集、处理、存储模 块外，另设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号，此种水表不需敷设 线路和线路维护、安装方便。由于单表设置无线发射装置，表体费用高，加上 占用频点需长期交付一定的租用金和管理费，这种水表我国可能暂时难以接 收。 4 、智能卡水表 智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展，单个智能卡及单个刷卡 机性能价格比同益提高的特定时期应运而生的，居民须在自来水公司指定售卡 点预购水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是 其它三种抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如 同普通水表，无需敷设线管及线路维护，安装方便，维护简单。另外智能卡水 表单表白带采集、电源部分、电磁阀( 电动阀) 控制、由智能卡读入可用水流 量，其技术实现比较简单，容易消化。 随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的 智能化将是一个必然的发展方向。这不仅是中囡的一种趋势，也将成为世界性 的趋势。而在近十年罩，单体式智能i c 卡类仪表又将会是发展主流。 从理论上 说，网络式智能仪表系统应当是更好的种计量管理模式，并且是最终发展方 向。但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统 相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显 现不；j ；柬。而且，仅仅为了提取用水信息就要构建个信息网络，从经济角度 讲也不合算。 7 在智能水表的发展中，最先在上世纪9 0 年代初推出了接触式i c 卡，其加密 性和抗攻击能力较差；9 7 年第一个代码预付水表产生了；9 8 年射频卡水表研究 成功；9 9 年新一代的接触式i c 卡水表( 采用逻辑加密卡) 及c p u 卡水表研制成 功：2 0 0 0 年t m 卡水表产生了；2 0 0 1 年具有防水功能的接触式i c 卡水表研制生 产。从现有技术来说，非接触式i c 卡( 射频技术) 比接触式i c 卡和t m 卡技术含 量要高，它无外接明口( i c 卡插座) ，不存在被外界攻击的技术隐患；不怕污 染、潮湿，适应环境的能力强；没有机械触点磨损的情况，使用的可靠性高。 t m 卡比一般的接触式i c 卡安全性好一些，它只要两个接触点；非接触式i c 卡由 于信号发射时难免要有能量损耗，这使它的能量损耗比接触式i c 卡要高一些， 但这对水表电池的寿命影响不大。综上所述，非接触式i c 卡智能水表是今后水 表的发展方向1 8 1 1 。 1 3i c 卡智能水表的关键技术 i c 卡智能水表作为一种高科技民用产品。在计量控制精度、功耗、水表防 抖动、数据纠错、存贮器寿命延长和安全性等方面必然要有较高的要求。本课 题将主要解决以下几个方面的关键技术问题。 1 、射频卡技术 射频卡是一种非接触式i c 卡，通过无线方式进行数据传输和数据交换，采 用射频卡技术的优点卜“：第一，没有任何机械触点，因此没有磨损和腐蚀的问 题；第二，因为电路可以做成全密封，因此有效地解决了防潮、防水的问题； 第三，因为可以做成无任何外露电极，因此可以有效地抗击外部的强电干扰。 2 、“零”功耗技术 近年来，在设计单片机应用系统时，关心系统的“功能实现”、“可靠 性”等冈素的同时，对系统的“低功耗”特性也越束越重视。尤其在一些电池 供电的场合，系统功耗的高低不仅将影响到系统的维护成本，也将对系统的可 靠性产生影响“。“零”功耗技术指系统i f 时自动处于断丌状念，系统无任何 功耗( 0ua ) 。但当系统处丁断丌状态时，易受到外部的强电 二扰，极易造成 微托j 制器死机。将增设唤醒装置，在受到外邮的强f 包二f i 扰时，提1 1 ，唤魄系统。 8 3 、水表防抖动技术 水表在运行过程中，由于管道中水的压力不均匀，管道和水表会发生振动 现象。目前国内几乎所有的智能水表都采用磁铁和磁敏元件，由于水表的振 动，引起磁铁的抖动；而磁铁的抖动，将引起磁敏元件的多次采样和多次计 数，从而引起电子计数和字轮计数不相符合。可采用类似于迟滞比较器的技 术，把磁敏元件作成特殊的迟滞器。当使磁敏元件吸合时，磁铁需靠近磁敏元 件5 m m ，但要使磁敏元件断开，则必须使磁铁离丌磁敏元件至8 m m ，这样，在抖 动情况下，不会发生乱计数、多计数的问题。 4 、数据自动纠错技术 对由于受n # i - 界的强电强磁干扰下，发生数据混乱的现象，将采取的技术 措施为：增大固态存贮器的容量，把所有数据一模一样地同时存放在五个不同 的地方( 多处存贮技术) ，读取数据时，同时从五处读取数据，然后对读取的 五处数掘进行分析，只要其中的三处是相同的，就认为数据是有效的( 数据表 决技术) ，同时，对出现错误的数据进行纠错处理( 自动纠错技术) 。 5 、存贮器寿命延长技术 从事技术丌发的人员都知道，固态存贮器的使用寿命是有限的，应低于7 0 力次。实际上，存贮器在前1 0 万次使用时，数据工作最为可靠，之后就会偶尔 发生不j 下常现象，因此，每个存贮单元空间应控制在1 0 万次之内“。为了解决 这个问题，可先将存贮器划分成多个存贮区，设置一个存贮区指针，当使用次 数超过1 0 ) 3 次时，指针自动转向下一个新的存贮区，这样有效地减少了存贮单 元的使用次数，提高了数据可靠性。 1 4 本课题的主要内容 本课题以i c 卡智能水表系统为研究对象，结合电子技术、计算机技术、数 据库技术、系统软件设计技术，主要解决射频卡、零功耗、水表防抖动、数据 纠错、存贮器寿命延长、安全性等方面问题。 为此，本课题将着艰完成以f i ：作： l 、智能i c f f f j 选择； 9 2 、非接触式i c 卡智能水表系统硬件部分的设计； 3 、非接触式i c 卡智能水表系统软件部分的设计； 4 、非接触式i c 卡智能水表系统的零功耗、水表防抖动、数据纠错、存贮 器设计。 1o 第2 章非接触式i c 卡智能水表系统总体设计 2 1 智能i c 卡的选用 智能i c 卡作为智能水表中的信息传输媒介，决定了智能水表系统的数据传 输形式，在智能水表技术中起作至关重要的作用。目前，较常用的智能卡有磁 卡、接触式i c 卡、非接触式( r f ) i c 卡及t m 卡等。 l 、磁卡 磁卡是通过磁条记录信息量的智能卡，由于它依靠容量有限的外露磁条存 储信息，在保密性、抗损性、可靠性、使用方式及灵活性等方面存在不足。因 此，磁卡技术一直没有应用于智能水表系统中。 2 、接触式i c 卡 接触式i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 卡从其功能上分为三种：存储器卡、 加密逻辑存储器卡和c p u 智能卡。 ( 1 ) 、存储器卡：卡内芯片为电擦除可编程只读存储器e 2 p r o m ( e l e c t r i c a ll ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) ，可按照读写时序进行简 单的读取和存储。 ( 2 ) 、加密逻辑存储器卡：也叫智能存储卡。除具备存储器卡的e 2 p r o m 外，还带有加密逻辑，每次读写卡之前，必须验证输入密码。若连续三或四次 输入密码错误，卡自锁，成为死卡。 ( 3 ) 、c p u 智能卡：内有c p u ( 中央处理单元) 的一种存储器卡。c p u 卡采 用微处理器j 卷片作为卡芯，由硬件和软件共同组成，包括硬件单片机( 微处理 器) 、r a m ( 随机存取存储器) 、r o m ( 只读存储器) ，软件有i c 卡监控程序或 操作系统c o s ( i cc a r do p e r a t i n gs y s t e m ) 等。c p u 管理信息的加减密和传 输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁住相应的信息区 ( 可j 1 j 高一级命令解锁) 。c p u 卡具有很强的可用性和保密性。 接触式1 c 卡使用时要将i c 卡插入卡口，其触点反复捅接，易受臃损和污 染，防水防尘性能筹，有可能损坏：占片的集成电路。 3 、t m 卡 硼卡又叫碰触卡( 碰触式存储器一t o u c m e m o r y ) ，是美国d a l l a s 公司的 专利产品，其外形类似纽扣，采用不锈钢全密封封装，适宜潮湿、震动或电磁 干扰严重的场合使用m 3 。t m 卡通过一个多功能器来实现将数掘线、地址线、控 制线和电源线减为一根线，采用单线协议通讯，通过瞬态碰触杯状探头完成数 据的读写，既有非接触式i c 卡的易操作性，又有接触式i c 卡的廉价性。但使 用t m 卡的水表内必须有相应的解码模块，来对卡的信号传送进行处理，所以它 的通用性较差；另外其触点更暴露在外，其数据安全性、设备安全性和防攻击 性能也较差。 4 、非接触式i c 卡 非接触式i c 卡又称r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 卡，简称射频卡，它是世界上近 几年发展起来的一项新技术1 9 3 2 1 。采用无线电波进行数据交换，在卡片靠近读 写器表面时即可完成卡中数据的读写操作，它成功地将射频识别技术和i c 技术 结合起来，解决了无源( 卡中无电源) 和免接触这一难题。 射频卡在卡内有微小的集成电路芯片和线圈。对应的卡表内有一套发射和 接收信号的电路。当射频卡工作时，在瞬问内由卡表发射的电磁波在射频卡内 通过电磁感应形成一个低压电源，射频卡如同一座微型电台，与卡表高速地进 行一系列复杂的数据交换和信息传递。 非接触式i c 卡表面无触点，因此接口设备与非接触式i c 卡的通信方式与接 触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此i s o i e c 根据接口设备与i c 卡作用距 离的不同而定义了三个国际标准，如表2 1 所示，它们也目前市场上应用最广泛 的嘲。 表2 1非接触式l c 卡国际标准 l c 卡读写器 标准卡类型作用距离( 约) c i c cc c dl s o l 0 5 3 6 密耦合 o 1 0 m m p i c cp c dl s 0 1 4 4 4 3 近耦合 0 1 0 0 m m v l c cv c dl s 0 1 5 6 9 3 琉祸合0 1 0 0 0 m m 非接触式l c 卡具有如卜优点： l2 ( 1 ) 可靠性高。非接触式i c 卡与读写器之间无机械接触，避免了接触读写 而产生的的各种故障。此外，非接触式i c 卡表面无裸露的芯片，无需担心芯片 脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用 可靠性。 ( 2 ) 操作方便、快捷。由于使用射频通讯技术，读写器在l o m m 范围内可 以对卡片进行读写，不需插拔，而且使用时没有方向性，也没有正反性和角度 限制，卡片可以任意方向掠过读写器，读写时间不超过0 1 s 。 ( 3 ) 安全防冲突。非接触式i c 卡有快速防冲突机制，能防止卡片间出现 数据干扰。因此，在多卡同时进入读写范围时，读写器可以“同时 处理多张 非接触式i c 卡，具有应用的并行性，无形中提高了系统的工作速度。 ( 4 ) 高安全性。非接触式i c 卡的序列号是唯一的，由制造厂家在出厂时 将其固化在芯片内，不可更改。 ( 5 ) 良好加密性。非接触式i c 卡与读写器之间采用双向验证机制，即读 写器要验证i c 卡的合法性，而i c 卡也要验证读写器的合法性；此外，非接触式 i c 卡在进行数据交换之前与读写器之间要进行三次相互确认，卡中各个扇区都 有自己的操作密码和访问条件，并且具有传递数据加密、传输密码和传输密码 保护。 ( 6 ) 良好的适用性。非接触式i c 卡的存储结构特点使其可以一卡多用， 能应用于不同的场合或系统，可根据不同的应用场合设置不同的密码和访问条 件，适用不同的距离，系统配置灵活多样。 2 2 非接触式i c 卡智能水表系统结构 非接触式i c 卡智能水表系统由三部分组成：水表、信息载体i c 卡、水站计 算机信息管理系统。系统结构框图如图2 1 所示。 自来水公司计算机信息管理系统e h p c 机和自来水信息数据库系统构成，信 息载体选用非接触式i c 卡，水表即为非接触式i c 卡智能水表。用户到自来水公 司办理i c 卡，并预购水量，非接触式i c 卡水表读入i c 卡水量信息，控制阀门电 路打开电磁阀进行供水。用水过程中，水流冲击叶轮转动，带动装有两块磁铁 1 3 的齿轮转动，引起1 二簧管闭合电路导通，屯子部分会根槲干簧管通断产，i ：的 脉冲信号控制液晶显示，按一定量递减。当水用完时，单片机会发出一个信号 阀门驱动电路，阀门立即关闭，当用买了水的i c 卡插入水表后，电子部分读入 数据，然后会给阀门驱动电路信号电磁阀打丌，用户便可用水。 自来水公司计算机管理系统 图21 非接触式i c 卡智能水表系统结构图 4 第3 章非接触式i c 卡智能水表的硬件系统设计 3 1 引言 智能仪器仪表多以单片机为核心，因其具有数字处理功能。因此，硬件设 计的第一步工作是选择单片机。针对本系统的功能要求，选择s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 系 列l t8 0 5 1 单片机。它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8 0 5 1 单片机，指令 完全兼容传统的8 0 5 1 ，但速度快8 一1 2 倍，内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。有4 路 p w m ，8 路高速1 0 位a d 转换，适用二f 电机控制，强干扰场合。 3 2 非接触式i c 卡智能水表的硬件总体设计 系统以s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 系列1 t8 0 5 1 单片机为核心，并通过1 2 c 接口控$ i j l c d 显 示驱动电路，通过通用i o 口控制阀门驱动电路，以及进行水量采集。读卡器单 元接口和功能较为复杂，因此以a t 8 9 c 5 2 单片机为基础组成读卡器电路， s t c l 2 c 5 4 i o a d 与a t 8 9 c 5 2 之问以r s 2 3 2 通信模式进行连接1 。 图3 1非接触式i c 卡智能水表硬件系统框图 3 3 水流量采集单元 智能水表的水流遥采集是在普通水表上加装传感器来进行流量信号采集的， 本系统采用干簧管传感器采集水流餐引一。它是利刖磁场信号束控制的一种线路 丌关器件，又叫“磁控管”。干簧管的外壳一一般是一。根密封的玻 离管，台：玻璃 15 管中装有两个铁质的弹性簧片电极，玻璃管中还充有一种叫金属铑的惰性气 体。在平时玻璃管中的两个簧片是分开的，当有磁性物质靠近玻璃管时在磁场 磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，使两个引脚所接的 电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开。 结构如图3 2 所示。 图3 2 干簧管结构图 选择基于模拟水表的旋翼式结构，它具有结构简单、测量范围宽、灵敏度 高、外形尺寸小的特点。通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管，将叶轮的旋转 转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。 本系统用三个干簧管传感器来测量水流量，如图3 3 所示。既能抗干扰，又 能有效地判断水流方向。干簧管2 动作时能判断出水流方向，如果干簧管2 动作 前的一次吸合反应是干簧管l ，则水流方向是顺时针的，如果干簧管2 动作前的 一次吸合反应是干簧管3 ，则水流方向是逆时针的。若遇外强磁干扰，三个干簧 管将处于同一状态，系统据此判断为异常情况，予以屏弃“。 图3 3 干簧管安装示意图 将干簧管传感器的通断信号输入单片机，通过单片机内置的比较器和定时 器来完成计数。连接电路如图3 4 所示。k l 、k 2 、k 3 分别表示干簧管1 、2 、3 ， 1 6 将a 、b 、c 三个结点连接至单片机的i 0 端，当干簧管断开时，输入高电平；当 干簧管吸合时，输入低电平。 如d r 2 。i o k 。rr ，r 51 0 0 ，n ： 至c ：骷： 3 4 水流量处理单元 1 单片机 图3 4 水流量采集电路 本系统选用的s t c l 2 c 5 4 l o a d 系列1 t 单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰 的新一代8 0 5 1 单片机。带有i o k b n 速f 1 a s hr a m ，5 1 2 b 片内r a m ，4 路p 1 | i r m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， 脉冲宽度调制) p c a ( p r o g r a m a b l e c o u n t e r a r r a y ，可编程计数器阵列) ，8 路1 0 位速度l o o k 的a d 转换，2 7 个驱动能 达2 0 m a 的通用i o n ，片内i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) i a p ( i na p p l i c a t i n p r o g r a m m i n g ) ，无需专用编程器，2 个1 6 位定时计数器，并可用p c a 模块再产生 4 个定时器，e e p r o m 和看门狗功能，可通过外部中断唤醒p o w e rd o w n 模式，具有通 用全双工异步串行口( u a r t ) ，工作电压2 4 - 3 8 v 。 2 阀门控制电路 通过单片机根据预付水量来控制电磁阀，从而控制供水和停水1 。阀门控 离 f 3 i s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 凸毫鞍 p 3 5 ov c c 2 图3 5 阀j 控制r c l 路 l7 制电路用于控制电磁阀，由s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 的p 3 4 、p 3 5 进行，如图3 5 所示。当 p 3 5 为低电平时，继电器j 1 得电动作，电磁阀打开：当p 3 4 为低电平时，双稳态电 磁阀失电关闭。为了降低功耗，电磁阀选用新型双稳态自吸电磁阀m p l 5 a 2 5 v 。它 具有电源电压低、启动水压低、防堵性能好、关闭可靠等特点。 3 l c d 显示电路 随着液晶显示技术的发展，l c d ( 液品显示器) 模块已成为家电、显示仪器 仪表和其他电子产品的重要组成部分n ? ol c d 模块具有低工作电压、微功耗、 信息量大、寿命长等诸多特点，在科研、生产与产品设计等领域j 下发挥着越来越 重要的作用，其应用范围也呈现迅速扩展的态势0 | 。 本系统采用3 2 4 的l c d 显示，驱动芯片为h t l 6 2 1 b 。其工作电压为2 4 - 5 2 v ， 与系统单片机相近，可用p o w e rd o w n 命令降低功耗，符合系统对低功耗的要 求。h t l 6 2 1 b 通过i2 c 总线与单片机通信，如图3 6 所示。将h t l 6 2 1 b 的o s c 脚与 v s s 相连来使用内部振荡，再将各种电源( v d d 、v s s 和v l c d ) 与l c d 显示模块连 接即可。 图3 6l c d 显示电路 3 5i c 卡及读卡器设计 1 非接触式i c 卡的工作原理 通常一张一 接触式i c 卡出i c j 芭= 片、感应线圈及电容元件等组成，并完全封 装在一个标准的p v c 卡片中。在读写过程中，山卡片与读写器之i 日j 通过无线l 乜波 束完成操作。其中，卡片为发射应答端，读! t j 器为接收端，类似于发f 乜机，不 断发送电波。当卡片在读写器发射频率范围之内时，卡片内的线圈在“激发信 号 的感应下产生微弱的电流，作为卡内集成电路芯片的电源，而该卡内的集 成电路芯片存储有制造时输入的唯一数字辨识号码，该号码从卡中通过一个解 调信号反馈回控制器，读写器将收到的无线信号传给现场控制器，由现场控制 器进行信号处理并对执行装置发出指令。 2 非接触式i c 卡的关键技术 ( 1 ) 射频识别技术。将射频技术应用于非接触式i c 卡，从技术上有三个特 殊要求：一是无源设计，由于i c 卡的尺寸限制，卡上的m i f a r e 不能有电源，需 要由读写器向射频卡发射一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作 所需电流电压：二是由于i c 卡的尺寸限制，卡上m i f a r e 的天线需要特殊设计， 卡需特殊封装和制造；三是必须保证有良好的抗干扰性能，并必须设置“防冲 突电路。 ( 2 ) 封装技术。由于非接触式i c 卡中需要埋装天线、芯片和其它部件，为 确保卡片的大小、厚度、柔韧性和耐高温高压，需要特殊的封装技术。 ( 3 ) 低功耗技术。对非接触式i c 卡的一个最基本要求就是低功耗，以提高 其寿命和适用性。而降低功耗同保证一定的感应距离是同等的重要。因此，卡 内芯片一般采用非常苛刻的低功耗工艺和技术，比如“休h 民技术”等。 ( 4 ) 安全技术。非接触式i c 卡的安全主要是信息的安全，包括以下三点： 一是机密性：防止未经授权的信息获取；二是完整性：防止未经授权的信息更 改；三是可获取性：防止未经授权的信息截流( 在往外流通过程中的非法截 取) 。因此，除了卡的通讯安全技术之外，还要以卡片的物理安全技术和卡片 制造的安全技术这两方面再和前者相结合，从而构成其强大的安全体系。事实 上，非接触式i c 卡的安全技术就是主要依据以上几点提出和实施的。首先，由 于卡与读写器之问是无线频率方式，但采用的是变数方式，即每次通讯过程都 有一个随机的变量函数，因而外界想通过无线电接收器末分析系统的参数将是 极其困难的；其次，卡和读写器必须经过严格的授权以后方可使用。任何非法 用户想获取卡中的信息足不可能， ， 的；再次，由于每张卡都有有个3 2 位的独 立卡号，这一卡号是芯片在工厂力：i ：时硎化的，是唯一不变的，且卡中系统区 1 9 具有加密算法校验。因此，伪造卡也是不可能的；最后，卡中的用户区可按用 户的要求，设置成若干个小区，每个小区都可分别设置密码，进一步提高了卡 的安全性。 3 i c 卡读卡器设计 非接触式i c 卡读写器系统主要由读写器控制芯片、收发器、看门狗以及 r 一1 r s 2 3 2 通信模块组成旧1 ，如图3 7 所示。上述几个部件与器件以周密的逻辑设计 配合，通过程序控制完成对非接触式工c 卡片的读写。并可通过串行通信接口与 单片机的异步通信口( t o m1 或c o m2 ) 进行通信，以便完成对非接触式卡片的 某些方面应用的数据处理。 圄s t c l 2 ci 图3 7i c 卡读卡器电路 ( 1 ) 读写器与单片机的连接 将读写器芯片a t 8 9 c 5 2 与单片机s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 按图3 8 连接。 撇 l t c r 帅o s t c l 2 c j a t 8 8 c 5 2 删l 5 4 1 0 a d u n 口 l j f 价 图3 8a t 8 9 c 5 2 与单片机的连接 ( 2 ) 读写器系统的单片机 非接触式i c 卡读写器戍具有读和写非接触式i c 卡的能力! 。为此，选用 a 1 y l f l 公司的a t 8 9 c 5 2 币片机作为控制核心。a t 8 9 c 5 2 是种内含8 k b y t e e p r o m 凡 有2 5 6 单元r a m ，并与、4 c s 一5 l 系列的指令系统和管脚完个兼容的低电压、高性能 2 0 c o m s8 位微控制器。其优越的性能：3 2 条i o ，3 个1 6 位定时器计数器，8 个两级中 断系统结构，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路设有稳态逻辑电路，可以 在低到零频率下静态逻辑运算，支持两种软件可选的省电模式。在闲置模式 下，c p u 停止工作，但r a m 、定时器计数器、串行口和中断系统仍在工作：在掉电 模式下，保存r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止使用其他芯片功能，直到下一个硬 件复位为止。 ( 3 ) 系统复位和电源报警电路 系统工作时，会经常进入复位状态。为保证系统可靠的复位，选用i m p 7 0 7 系 统提供所需的r e s e t 和r e s e t 复位电平。具体电路设计如图3 9 所示。i m p 7 0 7 是一 组c m o s 监控电路。将常用的多种功能集成到一片8 脚封装的小芯片内，能够监控 电源电压、电池故障。它提供3 项功能：在上电和掉电期间以及电源跌落的情 况下，可产生复位信号：有一个门限1 2 5 v 的检测器，用于电源报警：手动复位 输入功能可消除抖动。它与采用分立元件或单一功能芯片组合的电路相比，大大 减少了系统电路的复杂性和元件数量，显著地提高了系统的可靠性和精确度。当 电源波动或跌落时，由r 1 、r 2 分压产生的门限电平使i m p 7 0 7 的i d 输出低电平。此 低电平使a t 8 9 c 5 2 的i n t o 产生中断。发出报警指令，产生声音报警。 图3 9系统复位和电源报警电路 ( 4 ) r f 射频天线设计 射频天线设计办是非常重要的一个环节幽1 。本系统采用具有读写非接触式 】c 卡功能的射频感应器件g b 9 。它的t 作电压范阿比较宽( 5 1 2 v ) ，射频工作 频率为1 2 5k h z ，读、写卡片的数据为9 kb a u ds e r i a la s c i i 。读、写卡片数 据不受方向制。所需读或写卡片的数据分别由a 1 、8 9 c 5 2 的串通信口的数掘接收端 2 1 ( r x d ) 和发送端( t x d ) 接收发送。读到卡片数据时，其p l e d 端产生的电平可使 a t 8 9 c 5 2 的i n t l 引脚发生中断。由中断处程序将此数据作相应处理。 2 2 第4 章非接触式i c 卡智能水表的软件系统设计 4 1 系统主程序设计 非接触式i c 卡智能水表实现的功能是： 确保自来水管理部门有效管理用户的水表，只有持两张认证卡( 管理员 卡和业务卡) 才能使水表进入工作状态。 用户持i c 卡到自来水管理部门预购一定量的水，然后将i c 卡插入水表读 卡器，控制电磁阀打开，水表进行工作状态，用户方可用水。 图4 1 系统主程序流程图 j 水过程中，水表会及时将“总用水量”、“剩余水量”等信息保存到 f l a s t lr a i l 区，以便掉电和异常情况时能恢复藿要的信息。 2 3 水表上装有防拆和防磁装置。一旦遇破坏事故( 如私拆水表和强磁干 扰) ，水表会关闭电磁阀。必须用自来水管理部门专用的i c 卡才能将电磁阀打 开。 水表还设有电压检测装置，当电压降至一定值时，水表会保存有用信 息，同时关闭电磁阀。更换电池后，水表会自动恢复有用信息，重新工作。 e l c d 将显示以止各种情况的信息图标，以便用户和管理部门查询。 根据以上功能要求，本系统的软件系统主程序流程图如图4 1 所示。 4 2 水流量采集单元软件设计 图4 2 水量采集单元软件流程图 本系统采用三干簧管采集水量，在软件上可采用等时一次查询法来计量水 量。查询时间间隔既大于一次抖动产生的时间，又小于一次干簧管吸合的时 间，每个查询周期对每干簧管进行一次引脚状态的检测，通过不断对单片机引 脚状态的查询来判断干簧管的状态，当检n n n 个连续的高电平或n 个连续的低 电平时，才记录一次干簧管断开吸合状态。然后通过对三个干簧管的状态分析 来进行判断计数。水量采集的软件流程如图4 2 所示。 标志b 表示水的流向，b = 1 表示正向流动，b = 0 表示反相流动，b = 2 表示还没 有确定流向。f l 、f 2 、f 3 分别表示干簧管l 、2 、3 的状态，值为l 表示吸合，为0 表示断开。当检测到两个干簧管同时吸合则说明出现异常，进入异常处理，关 闭阀门并报警。 4 3 阀门控制单元软件设计 1 阀门控制模块 阀门控制是通过读取预购水量，根掘预购水量控制电磁阀打开或关闭。当 预付水量不足时，系统发出报警，提醒用户购买充值i c 卡；当预付水量为o 时， 图4 3 阀门控制程序流程图 2 5 将关闭电磁阀。只有当用户购买水后，将水量信息传给水表，才可打开电磁阀 供水。阀门控制程序流程如图4 3 所示。 2 l c d 显示模块 系统采用的l c d 芯片h t l 6 2 1 b 是一块1 2 c 通信的驱动芯片，1 2 c 总线是一种芯 片间串行数据舆的总线，2 根线即可实现完善的全双工同步数据传送，能够十分 方便地构成多机系统和外围器件扩展。 l c d 驱动h t l 6 2 1 b 的源代码如下： s t a t u se q u3 h f s r e q u 4 h r b e q u 6 h r c e q u 7 h o p t i o n ae q u 8 1 h t r i s b e q u 8 6 h t r i s c e q u 8 7 h g e n r o e q u g e n r l e q u w d r ge q t j d a a g oe q u d a a g 8 e q u 0 5 3 h 0 5 4 h 0 5 5 h 0 5 6 h 0 5 e h ：s e g os e g l ：s e g l 6s e g l 7 - c e q u 0 z e q u 2 r p o e q u 5 r p l e q u 6 c s e q u 2 w d a e q u 5 ：r c ，5 数据线 w c l ke q u 1 ：r b ，1 写时钟线 r c l k e q u 4 ：r b ，4 读时钟线 o r go h g ( ) t 0s t a r t oo s t a r tb s f s t a