TM卡信息紐扣在預付費水表中的應用

　　摘要：探討預付費智能冷水表設計中的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)與IC卡進(jìn)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(xiě)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(cháng)壽供電方法等多方面技術(shù)進(jìn)行整合，設計機電一供化系統。在設量控制精度、功耗、數據保密性、動(dòng)作可靠性等方面都取得良好性能。

    關(guān)鍵詞：預付費 冷水水表 最小功耗設 iButton信息紐扣

引言

　　智能水表是一種涉及到多方面技術(shù)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(dòng)作可靠性等方面都有嚴格的性能要求。目前，國內企業(yè)與研究機構主要致力于遠傳表有線(xiàn)水表網(wǎng)絡(luò )和IC卡預付費智能卡無(wú)線(xiàn)水表網(wǎng)絡(luò )方面的研究開(kāi)發(fā)。遠傳表有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統需要配套的遠傳通信網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)；而后者的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)可由銀行的金融網(wǎng)絡(luò )提供，應用儲值卡作為網(wǎng)絡(luò )傳輸介質(zhì)，可容易地組建城域網(wǎng)，不但適用于新建住宅小區，還可在舊水網(wǎng)系統改造中發(fā)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，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(zhì)，構建預付費智能卡式冷水表，在基表上附加計量控制器和管道開(kāi)閉控制閥門(mén)，實(shí)現預付費智能卡式水表的設計。

1 TM卡信息紐扣應用研究

1.1 TM卡信息紐扣簡(jiǎn)介

　　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。它采直徑17mm、厚3～6mm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(gè)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信息紐損采用接觸式存取方式的存儲器（Touch Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)TM卡），以1-Wire規范作為通信協(xié)議，其外殼為信號址，用1根數據線(xiàn)按特定的時(shí)序要求由數據線(xiàn)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，當外部上位引線(xiàn)接觸到其信號線(xiàn)時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出下拉報到脈沖，存取操作極為方便。

　　筆者在TM卡智能預付費冷水水表項目研究中，通過(guò)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(jìn)行比較研究，最終選定TM卡作為水表智能信息存儲介質(zhì)。TM卡采用不銹鋼外殼封裝，無(wú)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(zhù)特點(diǎn)，適用于惡劣的環(huán)境。1-Wire通信協(xié)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(xiě)操作；其完善的保密存取方式，確保數據信息具有相當高的完全可靠性，TM卡與普通IC卡的性能比較如表1所列。

　　表1 TM卡與IC卡的性能比較

　　TM卡 普通IC卡

　　耐用性 不銹鋼封裝，壽命在10以上 塑料卡片封裝，彎曲會(huì )損壞芯片，開(kāi)放的引腳裸露，容易磨損導致接觸不良，18個(gè)月左右壽命

　　識別成功率 100% 需要一定的刷卡技巧

　　使用方便性 瞬間接觸，無(wú)需對準 4個(gè)不同插卡方向，性只有1個(gè)方向是正確的

　　安全性 具有全球唯一的、不可復制的光記得序列號，同時(shí)提供64位密碼保護 單純依靠軟件密碼保護數據內容，且密碼位數少，容易被破解

　　攜帶方便性 不怕高溫、磨損、碰摔，耐腐，不易丟失 卡片容易丟失、拆斷、易腐，須小心保護

1.2 1-Wire通信協(xié)議與讀寫(xiě)控制程序設計

　　TM卡內部包含有3個(gè)獨立的64字節數據存儲區和1個(gè)64字節讀寫(xiě)緩沖區，每個(gè)數據存儲區均由8字節ID身份碼、8字節PASSWORD和48字節NVRAM數據區構成。TM卡的1-Wire通信協(xié)議以15μs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(guò)程可描述為：首先，由微機主動(dòng)向TM卡發(fā)測試脈沖，以識別TM卡是否已與其觸頭接觸，若已正確連續，可接收到TM卡發(fā)來(lái)的應答脈沖，表示可以進(jìn)入數據通信過(guò)程。這時(shí)，微機先發(fā)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(fā)操作TM卡的NV RAM區數據的指令，如讀寫(xiě)NV RAM區數據指令、讀寫(xiě)或復制讀寫(xiě)緩沖區數據的指令等。TM卡的讀寫(xiě)時(shí)序可分為測試連接與應答、從TM卡讀取數據和向TM卡寫(xiě)入數據3種類(lèi)型。

　　筆者在項目研發(fā)中重點(diǎn)研究了TM卡的信息存儲機理，并研究獲得了一個(gè)性能優(yōu)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維制了存取可靠安全的TM卡讀寫(xiě)控制程序模塊。水表控制器1-Wire讀寫(xiě)模塊采用MCS-51匯編語(yǔ)言，按TM卡通信協(xié)議編制。管理PC機的讀寫(xiě)控制程序采用Visual C++6.0編寫(xiě)。應用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對TM卡進(jìn)行數據讀寫(xiě)的過(guò)程需要遵循其工作機理和時(shí)序要求，具體包括：

　?、贉y試連接及應答。微機發(fā)測試負脈沖給TM卡，查詢(xún)TM卡是否已在觸頭正確連接。若與觸頭連接良好，TM卡則將數據線(xiàn)拉低，產(chǎn)生應答負脈沖。如果微機檢測到這個(gè)應答脈沖，就可以進(jìn)行數據讀寫(xiě)操作了。

　?、趶腡M卡讀取數據。微機先向TM卡發(fā)1個(gè)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(xiàn)上，微機從數據線(xiàn)上獲得數據。若數據線(xiàn)在TM卡的采樣時(shí)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(xiàn)，數據線(xiàn)恢復為高電平，為微機繼續從TM卡讀取數據位作好準備。

　?、蹖祿?xiě)入TM卡。與讀取數據類(lèi)似，微機向TM卡發(fā)1個(gè)寫(xiě)負脈沖，然后開(kāi)始寫(xiě)數據。微機維持數據線(xiàn)低電平特定時(shí)間，再恢復為高電平，則表明寫(xiě)入“0”；微機發(fā)出寫(xiě)負脈沖后立即將數據線(xiàn)拉高并維持特定時(shí)間，則表明寫(xiě)入“1”。完成數據寫(xiě)入后，數據線(xiàn)恢復為高電平，為微機繼續向TM卡寫(xiě)入數據位作好準備。

2 TM卡預付費智能冷水水表設計

　　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(dòng)電路、電動(dòng)陶瓷閥門(mén)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(jīng)磁耦合傳動(dòng)，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(guò)程中重點(diǎn)對水表整機功耗、成本、體積、重量、外觀(guān)等方面進(jìn)行優(yōu)化研究；水表控制器設計中采用了I2C總線(xiàn)、最小功耗設計、表面貼裝技術(shù)專(zhuān)門(mén)定制LCD液晶驅動(dòng)器模塊以及產(chǎn)品造型設計等多項先進(jìn)技術(shù)，完成嵌入式機電系統優(yōu)化設計。

2.1 微控制器系統設計

　　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(xiàn)、灌電流達到20mA的18條I/O口線(xiàn)、1個(gè)WDT看門(mén)狗定時(shí)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(shí)鐘芯片電路、LCD顯示驅動(dòng)電路，完成高集成化系統擴展設計?？刂破饔布驁D如圖3所示。

2.2 水表控制器程序設計

　　P87LPC76X單片機檢測到用戶(hù)按鍵后，通過(guò)TM卡讀寫(xiě)電路讀入用戶(hù)購買(mǎi)的水量，并保存到數據保存器EEPROM中，同時(shí)液晶顯示模塊顯示用戶(hù)購買(mǎi)的水量及表中剩余的水量。閥門(mén)驅動(dòng)檢測電路檢測閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，打開(kāi)閥門(mén)，用戶(hù)可以正常用水。水表每10升發(fā)1個(gè)計量脈沖，MCU通過(guò)計量檢測電表每10升發(fā)1個(gè)計量脈沖，MCU通過(guò)計量檢測電路檢測到水表發(fā)來(lái)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(guān)閥水量時(shí)，MCU通過(guò)閥門(mén)驅動(dòng)檢測電路關(guān)閉閥門(mén)。用戶(hù)按鍵后控制電路打開(kāi)閥門(mén)，恢復供水，當剩余水量為預設值（通常為零噸）時(shí)徹底關(guān)閥。整表工作狀態(tài)檢測電路主要實(shí)現整個(gè)控制電路的電池供電電壓的檢測、磁干擾檢測、TM卡讀寫(xiě)電路異常檢測、閥門(mén)開(kāi)閉異常檢測等，并將整表工作狀態(tài)信息保存到數據保存電路中，同時(shí)還寫(xiě)到TM卡中，以便于收費管理軟件在讀寫(xiě)用戶(hù)TM卡時(shí)能及時(shí)了解用戶(hù)水表的工作狀態(tài)。用戶(hù)在任何時(shí)候都可以按鍵，通過(guò)液晶顯示用水情況及水表工作狀態(tài)。程序流程如圖4所示。

2.3 電池長(cháng)壽供電與最小功耗設計

　　智能水表作為一種新型換代產(chǎn)品，必須具備良好的免維護性能，其設計目標應在規定整機壽命內，需要用戶(hù)進(jìn)行的相關(guān)操作越少越好。本設計采用以下技術(shù)措施，徹底解決了目前各類(lèi)IC卡預付費水表均未能突破的電池供電最小功耗設計這難題，整機待機電流只有18～40μA。

　?、賾肞87LPC76X單片機的節電模式，降低控制器功耗。CDTAR基表每10升發(fā)1個(gè)計量脈沖，若設用戶(hù)每月充值1次，若再設計LCD顯示器只有用戶(hù)按鍵后顯示一般時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉，這意味著(zhù)控制器只在極小的時(shí)間片內進(jìn)行流量檢測、讀寫(xiě)TM卡和顯示操作，控制器在絕大部分時(shí)間片內可以處于待機狀態(tài)。P87LPC76X單片機支持掉電模式，掉電工作電流僅1μA?？刂瞥绦蛟O計中，P87LPC76X單片機自檢后即將PCON寄存器內PD位置“1”，進(jìn)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(shí)中斷（對應程序跑飛出錯等故障）作為喚醒P87LPC76X的動(dòng)作，P87LPC76X處理完相應中斷服務(wù)后再次進(jìn)入掉電模式。經(jīng)測試發(fā)現，采用這一方式可使P87LPC76X以極低的平均電流實(shí)現對系統的控制操作。

　?、诤侠硗晟频慕涌陔娐返凸膬?yōu)化措施，降低整機功耗。P87LPC76X進(jìn)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(dòng)、日歷時(shí)鐘、流量脈沖檢測電路、閥門(mén)開(kāi)閉控制電路等。為減小電流消耗，需對電路進(jìn)行反復精簡(jiǎn)優(yōu)化，采用的措施包括：應用I2C總線(xiàn)設計外圍接口，降低功耗；盡量由P87LPC76X的I/O口線(xiàn)提供外圍芯片供電或片選端控制；門(mén)電路使用CMOS電路；上拉電路采用小電流結構。

　?、垤`巧合理的電動(dòng)陶瓷閥門(mén)，降低控制執行機構耗能。自行開(kāi)發(fā)了DC2.7～3.6V電池供電陶瓷電動(dòng)閥門(mén)，其機械結構靈巧合理，動(dòng)作電流僅120mA。設計獨特的閥門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)位置檢測機構既保證了動(dòng)作可靠性，也可避免無(wú)謂的電池能量損失。

　?、?chē)烂芡晟频碾姵貕勖鼫y算，保證長(cháng)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(shí)電流大等優(yōu)點(diǎn)，符合系統長(cháng)壽供電要求。

結束語(yǔ)

　　三表（電表、水表、煤氣表）智能網(wǎng)絡(luò )工程是我國重點(diǎn)支持的新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，《中國住宅產(chǎn)品發(fā)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(wǎng)絡(luò )化要求。開(kāi)發(fā)可靠?jì)r(jià)廉、易于推廣應用的預付費智能卡式水表及其網(wǎng)絡(luò )系統是今后智能水表行業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)發(fā)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(guò)江蘇省質(zhì)量技術(shù)監督局的樣機試驗檢測。該表計量范圍為0～99 999.999M 3。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(shù)指標符合GB/T778.1.2.3-96《冷水水表》國家標準和