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        首頁 武岡資訊 基于MSP430單片機(jī)的接觸式IC卡水表設(shè)計

        基于MSP430單片機(jī)的接觸式IC卡水表設(shè)計

        xiaoming83 2012-12-08 11:06 4

        基于MSP430單片機(jī)的接觸式IC卡水表設(shè)計

                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)計方案。針對MSP430單片機(jī)的低功耗特性和工作原理,設(shè)計了一套適應(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MSP430F41 3還集成了96段液晶驅(qū)動器,簡化了水表的人機(jī)界面設(shè)計。

                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、電動閥門、水流傳感器、液晶,非易失性存儲器、蜂嗚報警8個模塊組成。

                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,會觸發(fā)1個低電平信號,單片機(jī)檢測到低電平信號時發(fā)出報警,并關(guān)閉閥門。

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

                當(dāng)讀卡器有IC卡插入時, 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、減計數(shù)以及存儲當(dāng)前的剩余水量和總用水量。
                (3)液晶顯示。
                (4)當(dāng)計數(shù)滿足一定條件時進(jìn)行相應(yīng)的報警、開關(guān)閥動作。

                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,液晶顯示“請購水”,水表自動關(guān)閥。此時插入用戶卡可重新開啟閥門,但此時用戶務(wù)必盡快購水,當(dāng)用水量小于y噸時,此時水表會第二次關(guān)閉閥門,這時只能憑借充過值的用戶卡才能開啟閥門。其中Y<X,x,Y的值由出廠時廠家設(shè)定。

                2、硬件設(shè)計

                2.1外圍E PROM以及單片機(jī)內(nèi)部flash


                MSP430F413內(nèi)部集成了256個字節(jié)的flash存儲器,但由于flash只能按段擦寫, 同時為了保證水表的數(shù)據(jù)能夠在單片機(jī)出現(xiàn)問題后不會丟失,采用24C02作為外部存儲器以確保數(shù)據(jù)保存的可靠性。水量等重要數(shù)據(jù)在單片機(jī)和外部存儲器內(nèi)均留有備份。為了極大可能的降低水表的功耗, 對于外部的EEPROM我們采用了導(dǎo)通式的供電方式,這一過程通過1個三極管來實(shí)現(xiàn)當(dāng)需要對E PROM進(jìn)行讀寫操作時, 通過1個I/O口來控制三極管的導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)對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


                對于電機(jī)模塊,我們通過控制2個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)換成光信號的變化,然后將光信號作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。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,光照到光敏二極管上時,PN結(jié)附近產(chǎn)生電子— — 空穴對,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,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個光電傳感器 齒輪的最大轉(zhuǎn)動角為90度,0度和90度分別對應(yīng)著開和關(guān)2個狀態(tài),光電傳感器就分別安裝在相互垂直的這兩端。

                利用2個I/O口來檢測這兩個光電傳感器的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)閥門轉(zhuǎn)到對應(yīng)的狀態(tài)上時,對應(yīng)的I/0口觸發(fā)1個上升沿的中斷信號,從而及時通知單片機(jī)切斷對直流電機(jī)的供電,避免因電機(jī)堵轉(zhuǎn)造成對電機(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)盤計數(shù)的水表中加裝干簧管和磁鐵,干簧管固定安裝在計數(shù)轉(zhuǎn)盤附近,永磁鐵安裝在計數(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次即在信號端產(chǎn)生1個計量脈沖。

                在管道系統(tǒng)中,如果發(fā)生液流瞬變流動,管流的流速、壓力等參數(shù)均隨時間變化。流速突然變化會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)生劇烈振動和較大的聲響,這種劇烈的抖動可能造成干簧管簧片在很短時間里,頻繁地吸合,發(fā)出大量的脈沖。造成計數(shù)偏差,為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,如圖3,將3個干簧管分別通過上拉電阻接人單片機(jī)的3個不同的I/O口。水流帶動中間葉片上的磁體旋轉(zhuǎn),當(dāng)磁體靠近干簧管時,對應(yīng)的干簧管導(dǎo)通。

                為了防止因為水的回流引起的多計數(shù),我們在程序中設(shè)置了增計數(shù)和減計數(shù)功能。當(dāng)水流方向為逆時針時,干簧管的導(dǎo)通次序應(yīng)該依次為A-B-C-A,反之,當(dāng)水流方向為順時針時,導(dǎo)通次序為C-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計數(shù)電路分析
        通過定時器控制,定時中斷到來時先拉高P6.0口(如圖4所示), 然后檢測ABC 3個干簧管的導(dǎo)通狀態(tài),例如干簧管A處于導(dǎo)通狀態(tài),A口對地短路, 當(dāng)我們拉高P6.0時,從P6.1檢測到的電平信號應(yīng)該為1個低電平,而P6.2,P6.3檢測到的電平信號仍然為高電平。以此來判斷是不是要進(jìn)行計數(shù)操作。查詢結(jié)束后將P6.0口置低,等待下一次的定時器中斷到來。

                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卡。符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn),具有1 024個字節(jié)尋址EPROM,每個字節(jié)具有不可恢復(fù)的寫保護(hù)功能。片內(nèi)具有2個字節(jié)的可編程密碼保護(hù)功能,只有在正確校驗PSC后數(shù)據(jù)才能被改寫。

                SLE4428卡有8個管腳,與操作命令有關(guān)的是RST復(fù)位引腳,CLK時鐘輸入端,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。為了能夠識別是否有卡插入,在單片機(jī)上設(shè)置了1個[/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,P6.4口對地短路,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


                程序中我們對各個接口模塊均采用查詢而不是中斷的方式進(jìn)行操作。整個系統(tǒng)中處于等待模式時只有1個定時器中斷,定時器的中斷時間為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0.25s的中斷問隔完全可以滿足計數(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)在長時間無人堅守的情況下運(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。在每次的定時器中斷處理程序中清除看門狗定時器的計數(shù)。這樣當(dāng)程序跑飛或陷入死循環(huán)時,可以通過看門狗對系統(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,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,進(jìn)入100μs的中斷處理程序,這期間除MCU進(jìn)入活動狀態(tài)外,還要對部分端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警關(guān)閥時耗電,且每次讀寫卡和閥門操作的時間不會超過10s,1個月內(nèi)一般不會超過1次讀寫卡操作,其余時間這兩個模塊均為關(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)計思路圍繞低功耗和高可靠性2個方面,以MSP430F413作為主控芯片, 通過對外圍電路的優(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):

                [1]扎西普頓.水利水電工程設(shè)計常用計算Excel應(yīng)用程序集(水利大算盤)[Z].中國水利水電出版社,2011.

                [2]王宜懷.嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程[J].清華大學(xué)出版社,2005.

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

                [4]謝楷.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009. 

                [5]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2004.

         

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        評論列表

        兵子駝

        這個產(chǎn)品是用來做什么用的?。????

        2912年前

        七夜_22608

        可能是孤陋寡聞,樓上列舉的,我都沒見過。

        2012年前

        蛤蟆

        不太實(shí)用,由于此種水表無聯(lián)網(wǎng)功能,在用戶家中極易被用戶更改。對于電磁水閥的不同工作方式(高或低電平觸發(fā)),直接以高低電平(1或0)來控制電磁水閥,也就是水流的通斷。很簡單,接兩條線即行,對水表的外觀絕無影響。

        2012年前

        蛤蟆

        I/O輸入端口的漏電流最大僅50 nA
        可能是孤陋寡聞,還不知道“nA”是什么?只見過A,uA,mA,pA等電流單位。

        1612年前

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