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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。在計量控制精度、功耗、數據保密性、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，在計量控制精度、功耗、數據保密性、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。遠傳表有線網絡系統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，還可在舊水網系統改造中發揮極大作用，特別適合我國現階段的國情。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規范作為通信協議，其外殼為信號地，用1根數據線按照特定的時序要求由數據線逐位與外界交換數據。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，適用于惡劣的環境。1-Wire通信協議使得TM卡存取數據極為方便，與觸頭輕輕一碰，瞬間即可完成數據信息的讀寫操作；其完善的保密存取方式，確保數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字節數據存儲區和1個64字節讀寫緩沖區，每個數據存儲區均由8字節ID身份碼、8字節PASSWORD和48字節NV RAM數據區構成。TM卡的1-Wire通信協議以 15 μs低電平脈沖表示數據"1"，以60μs低電平脈沖表示數據"0"。內部工作過程可描述為：首先，由微機主動向TM卡發測試脈沖，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卡發來的應答脈沖，表示可以進入數據通信過程。這時，微機先發操作TM卡的ROM區的指令，如讀ROM區數據指令、匹配操作指令、搜尋操作指令等，這些指令被TM卡接受并執行。然后，發操作TM卡的NV RAM區數據的指令，如讀寫NV RAM區數據指令、讀寫或復制讀寫緩沖區數據的指令等。TM卡的讀寫時序可分為測試連接與應答、從TM卡讀取數據和向TM卡寫入數據3種類型。 </P><P> 筆者在項目研發中重點研究了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。應用軟件開發過程中，對TM卡進行數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> ①測試連接及應答。微機發測試負脈沖給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，就可以進行數據讀寫操作了。</P><P> ②從TM卡讀取數據。微機先向TM卡發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據線上，微機從數據線上獲得數據。若數據線在TM卡的采樣時區內維持高電平，則讀取值為"１"；否則，為"０"。最后，TM卡釋放數據線，數據線恢復為高電平，為微機繼續從TM卡讀取數據位作好準備。</P><P> ③將數據寫入TM卡。與讀取數據類似，微機向TM卡發1個寫負脈沖，然后開始寫數據。微機維持數據線低電平特定時間，再恢復為高電平，則表明寫入"０"；微機發出寫負脈沖后立即將數據線拉高并維持特定時間，則表明寫入"１"。完成數據寫入后，數據線恢復為高電平，為微機繼續向TM卡寫入數據位作好準備。</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、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優化設計。</P><P> 2.1 微控制器系統設計</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，打開閥門，用戶可以正常用水。水表每10升發1個計量脈沖，MCU通過計量檢測電路檢測到水表發來的脈沖后，從數據保存器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。整表工作狀態檢測電路主要實現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，并將整表工作狀態信息保存到數據保存電路中，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。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。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> ① 應用P87LPC76X單片機的節電模式，降低控制器功耗。CDTAR基表每10升發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。P87LPC76X單片機支持掉電模式，掉電工作電流僅1μA。控制程序設計中，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。經測試發現，采用這一方式可使P87LPC76X以極低的平均電流實現對系統的控制操作。</P><P> ② 合理完善的接口電路低功耗優化措施，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> ③ 靈巧合理的電動陶瓷閥門，降低控制執行機構耗能。自行開發了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、瞬時電流大等優點，符合系統長壽供電要求。</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，《中國住宅產品發展綱要》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是今后智能水表行業的主要產業發展方向。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，工作穩定可靠，數據保密性強，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展有限公司, 1999
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