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.