采用LSD4F8108的IC卡智能水表設計

中心議題：
* 智能IC卡預付費水表
* 智能卡水表的工作原理
* IC卡智能水表系統的總體設計
* 驅動(dòng)管理系統模塊
* LSD4F8108 MCU敘述
* 智能水表發(fā)展方向分析
解決方案：
* 用LSD4F8108MCU來(lái)開(kāi)發(fā)智能卡表的程序

一、智能IC卡預付費水表

1、智能IC卡水表

智能IC卡水表是一種利用現代微電子技術(shù)、現代傳感技術(shù)、智能IC卡技術(shù)對用水量進(jìn)行計量并進(jìn)行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。這與傳統水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。智能IC卡水表除了可對用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，并且自動(dòng)完成階梯水價(jià)的水費 計算，同時(shí)可以進(jìn)行用水數據存儲的功能。由于其數據傳遞和交易結算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現由工作人員上門(mén)操表收費到用戶(hù)自己去營(yíng)業(yè)所交費的轉變。IC卡交易系統還具有交易方便，計算準確，可利用銀行進(jìn)行結算的特點(diǎn)。

2、基本結構原理

IC卡水表的外觀(guān)與一般水表的外觀(guān)基本相似，其安裝過(guò)程也基本相同。IC卡水表的使用很簡(jiǎn)單，從用戶(hù)的角度看，就時(shí)把IC卡卡片向水表里插一下。 IC 卡水表的工作過(guò)程一般如下：將含有金額的IC卡片插入水表中的IC卡讀寫(xiě)器，經(jīng)微機模塊識別和下載金額后，閥門(mén)開(kāi)啟，用戶(hù)可以正常用水。當用戶(hù)用水時(shí)，水量采集裝置開(kāi)始對用水量進(jìn)行采集，并轉換成所需的電子信號供給微機模塊進(jìn)行計量，并在LCD顯示模塊上顯示出來(lái)。當用戶(hù)的用水金額下降到一定數值時(shí)，微機模塊進(jìn)行聲音報警，提示用戶(hù)應該去持卡交費購水。如超過(guò)用水金額，則微機模塊會(huì )自動(dòng)將電控閥門(mén)關(guān)閉，切斷供水。直至用戶(hù)插入已經(jīng)交費的IC卡片重新開(kāi)始開(kāi)啟閥門(mén)進(jìn)行供水。

3、功能用途

智能IC卡預付費水表采用低功耗、高性能單片微機處理器，配以家用冷水基表，采用于簧管脈沖計數方式自動(dòng)計量用戶(hù)用水量，實(shí)現“先付費、后用水”的預付費控制功能。該儀表采用一戶(hù)一表一卡，憑卡用水，卡中數據輸人表中，水表自動(dòng)開(kāi)閥供水，用完后自動(dòng)關(guān)閥斷水，必須重新購水，方能重新用水。智能水表可以提高管理效率，有效防止欠費，避免上門(mén)抄表，實(shí)現節約用水。

二、智能卡水表的工作原理

采用內部存儲器實(shí)現數據保存功能，即使在掉電的情況下，上電后數據也能自動(dòng)恢復；采用電池管理功能：當電源欠壓時(shí)、提示報警，更換電池，當電壓更低時(shí)閥門(mén)關(guān)斷，直到系統電源恢復正常后自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)。

管理部門(mén)可根據卡來(lái)管理用戶(hù)小區的水表日常維護，如更換表、解除故障、設置表內參數（脈沖常數、最低用量、最大用量）預裝水量用于調試水量等。具有當閥門(mén)異常時(shí)（如內漏）仍能計量，并在用戶(hù)購水充值時(shí)扣除這部分用量。采用故障自檢功能：并用蜂鳴器實(shí)現各種狀態(tài)、故障等報警提示功能，如插卡、故障報警等。用硬件密碼或特定的清除卡來(lái)清除表中數據。

智能卡水表是一種內嵌預收費系統的智能型水表，它以Ic卡安全技術(shù)為核心，配以自動(dòng)保護及信息加密功能。Ic卡水表采用電池供電，水表的水量等重要參數均存儲在EPROM芯片內，其數據可保存10年以上。此外，對IC卡及卡表內的信息進(jìn)行加密，使系統不易被仿制和非法使用，Ic智能卡預付費水表系統主要有以下部分組成：CPU單元、LCD顯示、干簧管流量雙脈沖、閥門(mén)控制電路、IC卡電路、電源檢測電路、故障報警。

用IC卡實(shí)現表內數據與管理系統實(shí)現數據雙向交換，當用戶(hù)購水后，IC卡能夠自動(dòng)將水表結余水量與本次購水量進(jìn)行累計并液晶顯示、水費計算與管理（報警金額、基礎水量、計劃水量），實(shí)現供、停水的控制功能、也進(jìn)行價(jià)格充值。當用戶(hù)將購得的水卡（IC卡）刷入水表時(shí)，表內系統在確認該卡有效后，自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，進(jìn)行正常供水。若允許用戶(hù)透支，則刷卡恢復用水直至使用完透支水量后才關(guān)閥。用戶(hù)每次將購水刷卡入表后，水表LCD顯示剩余水量，并將剩余水量等用水信息以及水表的狀態(tài)信息返寫(xiě)到購水卡中，以供售水管理系統入庫、查詢(xún)。

三、IC卡智能水表系統的總體設計

1、電源管理

采用3.6 V標稱(chēng)容量：1.9 Ah（放電電流：1 mA,終止電壓：2.0 V）；最大恒向電流：1 A;最大脈沖電流：1.5A的電池對系統供電，當電池電壓3 V使得系統處于靜態(tài)時(shí)，其電流5A時(shí)，利用MCU內的比較器，以中斷方式喚醒單片機，及時(shí)關(guān)閉水表閥門(mén)并保存相應數據，提示用戶(hù)更換電池，低于2.7V關(guān)閥。并以L(fǎng)CD顯示，Ic卡接口電路等的供電在需要操作時(shí)才打開(kāi)，以減小不必要的電流損失。

2、流量檢測

將用水量轉換為脈沖信號，采用兩個(gè)脈沖傳感器進(jìn)行接收，以防止抖動(dòng)產(chǎn)生的多計數現象。通過(guò)程序設計，判斷兩個(gè)傳感器是否正常工作，若不正常，則認為是外界強磁干擾，關(guān)閉閥門(mén)。
3、閥門(mén)控制電路

特殊情況下控制水表閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，選用飽和壓降為0.2V的三極管8550和8050對管構成電機驅動(dòng)電路，既可以保證電機的驅動(dòng)電流又可在故障時(shí)限制最大電流500 mA.接通3.6 V電源，電機空載電流25mA±2mA,帶載電流60 mA;用手指觸摸球閥無(wú)竄動(dòng)感；閥門(mén)電機組件上磨合試驗臺進(jìn)行電控閥門(mén)開(kāi)關(guān)1000次磨合試驗；觀(guān)察組件運轉性能正常（閥門(mén)開(kāi)關(guān)正常、無(wú)異常聲音）。

四、驅動(dòng)管理系統模塊

驅動(dòng)采用MCU內置液晶驅動(dòng)模塊進(jìn)行驅動(dòng)。其管理系統具體分以下模塊：

1、用戶(hù)管理模塊

此模塊包括用戶(hù)開(kāi)戶(hù)發(fā)卡、補卡、換表、過(guò)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)以及用戶(hù)信息的查詢(xún)及修改等。

2、售水業(yè)務(wù)管理模塊

此模塊包括購水交易、買(mǎi)水統計查詢(xún)每日結帳等功能。售水時(shí)，系統首先通過(guò)密鑰管理體系檢查該卡是否為合法卡，并與數據庫內信息核對，當檢查通過(guò)后，將用戶(hù)的購水量（或購水金額）寫(xiě)入卡中，更新數據庫，并將用戶(hù)卡帶回的水表信息一同寫(xiě)人數據庫中。此模塊要求可以對單個(gè)用戶(hù)的一定時(shí)間的購水及用水狀況進(jìn)行記錄和統計，通過(guò)輸入姓名和水表號等用戶(hù)個(gè)人信息可查詢(xún)該用戶(hù)的購水、用水情況及水表運行狀況。

3、操作員信息管理模塊

該模塊包括增加操作員功能、操作員授權功能、口令修改功能。系統記錄操作員的每次登錄及操作，操作員分級別進(jìn)行操作，不同的操作員有不同的口令和安全級別，并且只能接觸和崗位相關(guān)的數據。

4、各工具卡制作模塊

此模塊包括制作用戶(hù)使用的用戶(hù)卡、應急購水卡以及工作人員用于認證卡、生產(chǎn)數據設置卡、修改密鑰卡、回收轉移卡等設置卡、恢復卡、充值卡、換表卡、管理卡、測試卡、用戶(hù)卡、限量卡。

5、系統維護模塊

包括密鑰更新、水價(jià)維護、水表參數維護、數據庫備份及恢復功能。

6、報表打印模塊

每次操作員進(jìn)行開(kāi)戶(hù)、售水、補卡等操作時(shí)，系統將自動(dòng)打印出交易明細，另外，操作員也可以自行進(jìn)行單一或綜合統計查詢(xún)后，打印出查詢(xún)后的生成報表。
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五、LSD4F8108 MCU敘述

MCU具有高速度，充分利用了內部的硬件資源：8K的Flash、16位RISC指令集、l6位定時(shí)器、24×4段的液晶驅動(dòng)模塊和比較器模塊。并具有以下一些特點(diǎn)：

1、超低功耗

在2.2 V,1 MHz時(shí)鐘條件下，其工作電流根據工作模式的不同在0.1 A~300 A之間，其工作電壓范圍為1.8 V~3.6V.

2、處理能力強大

采用RISC指令集，核心指令27條，并具有豐富的尋址方式（源操作數7種，目的操作數4種）。片內寄存器數量多，有高效的查表處理方法。

3、片上外圍模塊豐富

它具有FIJIJ+（頻率鎖相環(huán)）時(shí)鐘系統，看門(mén)狗，帶有三個(gè)捕獲/比較寄存器的l6位定時(shí)器（TimerA），片內比較器，96段LCD驅動(dòng)器，48個(gè)通用I/O引腳，并且端口P1和P2具有中斷能力，每個(gè)引腳都可以單獨選擇中斷觸沿、單獨允許中斷。

4、節省功耗

采用了FLASH存儲器，低功耗設計，使得當系統處于靜態(tài)時(shí)其電流5A.MCU在智能卡水表中的應用采用邏輯加密卡作為預付費卡片、保密性好；具有強大的電源管理系統，工作在3.6 V（鋰電池）時(shí)，靜態(tài)工作電流3 A.具有5種節電模式，掉電電流（RAM數據保持）最低可為0.1 A,提供從待機模式中快速喚醒功能，喚醒時(shí)間6s.平時(shí)MCU處于低功耗模式3,流量檢測，Ic卡數據操作等都以中斷方式喚醒，以節省功耗。

正因MCU的這些優(yōu)勢，在選擇對Ic卡通信和開(kāi)發(fā)時(shí)，則選用該款芯片。著(zhù)眼于安全性和降低功耗方面，MCU性能特點(diǎn)如下：低工作電壓（1.8 V~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗電僅為0.1 IxA）；16位精簡(jiǎn)指令結構（RISC）；150ns指令周期；片內有JTAG調試接口和FLASH型存儲器，可在線(xiàn)串行編程；支持c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。本系統以MCU為核心，內置LCD驅動(dòng)器24×4段，可減小體積、降低成本，在休眠模式下典型電流僅0.7IxA;電源監控采用理光R3111E（可根據設定的門(mén)限電壓選擇相應的型號）；水表閥門(mén)采用2.5 V~6V直流電機，當人為破壞水表或所購買(mǎi)水量低于設定值時(shí)，水表報警并及時(shí)關(guān)掉閥門(mén)，同時(shí)將數據保存在內部FLASH中；采用MFRC522讀寫(xiě)芯片讀寫(xiě)Mifare1$50卡片實(shí)現預付費功能。

本設計利用RC522 UART模式與MCU通信，由于MCU沒(méi)有硬件串口，故需使用TIMERA模擬串口。對于MCU而言，P1.0口（TimerA捕獲/比較輸出口）是UART的TX,P1.1（TimerA捕獲/比較輸出口）是UART的RX.智能卡水表的軟件設計采用模塊化設計，包括計量功能模塊、電機控制模塊、防磁干擾模塊、Ic卡處理模塊、Ic卡和ESAM通信模塊、報警模塊、電源掉電模塊、閥門(mén)控制模塊和顯示模塊等。

由于涉及的功能較多，要分配好CPU內部的各種資源，各功能模塊問(wèn)的時(shí)序關(guān)系。本系統的主程序除了用到MCU提供的兩個(gè)中斷資源，主要是用查詢(xún)方式，查詢(xún)從各個(gè)口線(xiàn)上來(lái)的狀態(tài)標志，如電源電壓是否降到允許值以下，有無(wú)磁干擾發(fā)生，計數脈沖是否到來(lái)，是否有卡插入等等，再根據得到的標志位做出相應的處理。

5、開(kāi)發(fā)方式簡(jiǎn)便高效

MCU具有JTAG接口，可方便的通過(guò)JTAG控制器實(shí)現程序的下載和調試；系統初始化、磁干擾測試、計量處理。這里系統初始化包括對MCU的堆棧、各端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，使CPU能正常工作；系統中的SAM模塊用來(lái)存儲數據信息及各級密鑰，對SAM模塊初始化是把其中的內容讀到MCU內存；各測試模塊是測試MCU相應的口線(xiàn)狀態(tài)，并置上相應的標志，為各處理模塊提供判斷的依據；當有計量脈沖到來(lái)時(shí)，計量處理模塊會(huì )對它進(jìn)行計數處理，該模塊還具有軟件抗干擾功能，以防止對計量脈沖的誤計；卡處理模塊實(shí)現CPU卡和SAM模塊的通信，只有當它們之間的認證通過(guò)時(shí)才能進(jìn)行數據交換，對非法刷卡，將禁止操作并給出提示；報警處理模塊用來(lái)監測電源電壓，一旦電壓降到某一規定值，就會(huì )啟用備用電源，并報警顯示，以提示用戶(hù)更換電池。

單片機接口設計用125ns指令周期，大部分指令在一個(gè)指令周期內完成，16位寄存器和常數發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內含有硬件乘法器，大大節省運算時(shí)間。該芯片采用低功耗設計，具有五種低功耗模式，供電電壓范圍為1.8V~3.6 V,在工作模式下：2.2 V工作電壓1 MHz工作頻率時(shí)電流為225A;在待機模式電流為0.7 IxA;掉電模式（RAM數據保持不變）電流為0.1A.所以特別適用長(cháng)期使用電池工作的場(chǎng)合。它采用數字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉換時(shí)間小于6 Ixs.該芯片具有8KB+256BFlash Memory,256B RAM,采用串行在線(xiàn)編程方式，為用戶(hù)編譯程序和控制參數提供靈活的空間，內部的安全保密熔絲可使程序不能非法復制。

由于考慮到本設計低功耗，小體積，液晶顯示，按鍵編址等要求，所以選用了單片機芯片，該單片機芯片在在線(xiàn)系統設計、開(kāi)發(fā)調試及實(shí)際應用上都表現出與其它單片機非常明顯的優(yōu)勢。

六、智能水表發(fā)展方向分析

智能卡式水表預付費功能“先付費后用水”在社會(huì )文明發(fā)展到一定高度后，不可能成為水費收取唯一的制約手段，同時(shí)在工業(yè)發(fā)達國家的現階段他們應用在企業(yè)內部為節約用水控制額定計劃指標與實(shí)際用水計量，也有大專(zhuān)院校內部為節約用水，在校住宿學(xué)生宿舍房?jì)葢{卡用水也采用智能水表來(lái)控制，很少使用在社會(huì )上直接對居民供水實(shí)施預付費后用水的智能水表，也不主張推行先收費后用水，對他們來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題是關(guān)系到對喝水人的“人權”問(wèn)題，沒(méi)有錢(qián)的人，喝水仍然是他們生存的權利，所以不推行這種措施。我國自建國以來(lái)對居民家庭有供水、供電、供氣的那一天開(kāi)始，就實(shí)行先用后付費的程序規律。

目前改變先付費后用水，本身是對居民心里的一種抵觸。況且，目前的供電、供氣仍然保持先用后付費的規律，經(jīng)濟發(fā)達了，居民生活水平高了，人們的思想境界也提升了，先用水后付費的規律，也不會(huì )造成水費拖欠的社會(huì )問(wèn)題，所以說(shuō)社會(huì )文明進(jìn)步了，這種預付費的措施不是理想的措施。所以目前智能卡式水表的預付費形式逐步轉向遠傳、自動(dòng)抄讀系統的方向發(fā)展。

再由于卡式水表在使用過(guò)程中，除了由用戶(hù)主動(dòng)報修或再次進(jìn)行購水充值時(shí)可以將該水表的運行信息傳遞給系統信息中心外，管理人員必須到達安裝水表的現場(chǎng)才能知道該水表的運行情況。如水表倒轉、充值的水量用完后水表不能自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)、甚至有用戶(hù)拆除水表直接用水等情況，只有管理人員到達安裝水表的現場(chǎng)才能知道。所以，各種卡式水表在使用過(guò)程中，管理部門(mén)不能隨時(shí)掌握水表的運行情況，必須配備一定的人員定期到安裝水表的現場(chǎng)輪回巡查，否則，水表的故障、以及缺失的水量是無(wú)法知道的。所以，遠傳、自動(dòng)抄讀系統技術(shù)是智能水表發(fā)展的一個(gè)方向。

我們曾經(jīng)對多個(gè)工業(yè)發(fā)達國家的預付費水表使用情況調研，如美、德、法、意、澳大利亞等，他們在水表智能化數據采集方面有很多自動(dòng)抄表系統，有遠傳、遙感、采集和集中采集不等，智能水表自動(dòng)抄讀功能在工業(yè)發(fā)達國家特別是美國應用得較多，如德克薩斯州、維基尼亞州、科羅拉多州、威斯康星州等已經(jīng)很普及。智能水表自動(dòng)抄讀功能已大量的應用在企業(yè)內部為節約用水控制額定計劃指標與實(shí)際用水計量，也有大專(zhuān)院校內部為節約用水，在校住宿學(xué)生宿舍房也采用智能水表自動(dòng)抄讀系統來(lái)控制。

七、總結

由于開(kāi)發(fā)的體積小、高度集成的表閥一體化IC卡智能水表，以達到可以精確測量水量和控制用水的目的，開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以看出FLASH單片機功能全面，使用方便，MCU低功耗、低電壓、高速度等特性，很適合用于采用電池供電的工作，用LSD4F8108MCU來(lái)開(kāi)發(fā)智能卡表的程序，在Ic卡水、氣、暖表的應用上具有廣闊前景。本文介紹的軟硬件設計已通過(guò)實(shí)際運行，效果良好。