非接觸IC卡智能水表研制

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1、湖 南 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ） 題目 非接觸式IC卡智能水表研制 作者 陸偉 學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 電子信息工程 學(xué)號(hào) 0704030125 指導(dǎo)教師 唐志軍 二〇一一年 六月一日 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 信息與電氣工程學(xué)院通信工程系（教研室） 系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日 學(xué)生姓名:陸偉 學(xué)號(hào): 0704030125 專業(yè):電子信息工程 1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題：非接觸式IC卡智能水表研制

2、 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2011 年 2 月25日開(kāi)始至 2011 年6月10日止 3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料： （1）王韌.IC卡智能水表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).儀表技術(shù)，2003, No. 4 （2）賀利芳等.非接觸式IC卡技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用.通信與信息技術(shù).

3、 （3）姚凱學(xué).單片機(jī)原理及應(yīng)用.重慶大學(xué)出版社,2004. 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： （1）緒論； （2）非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4、 （3）非接觸式IC卡智能水表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) （4）非接觸式IC卡智能水表的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) （5 非接觸式IC卡智能水表的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

5、 （6）總結(jié)與展望 5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)明與圖紙或論文等）及要求： （1）論文設(shè)計(jì)必須符合校、院兩級(jí)規(guī)范；

6、 （2）論文設(shè)計(jì)符合本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求； （3）論文提交形式符合校、院兩級(jí)規(guī)范。 6 發(fā)題時(shí)間：2011年 2 月25日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） 湖 南 科 技 大 學(xué)

7、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ) [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科

8、技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 評(píng)閱人： （簽名） 年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大

9、 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料： 1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 共 頁(yè) 2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè) 3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)： [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本

10、圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 答辯委員會(huì)主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 摘 要 傳統(tǒng)的人工抄表收費(fèi)方式已越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需

11、要。隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，用水管理的自動(dòng)化和信息化將能得到逐步實(shí)現(xiàn)。非接觸式IC卡智能水表是一種新型的自動(dòng)化水表系統(tǒng)，具有非常好的應(yīng)用前景。本文以智能水表為研究對(duì)象，首先對(duì)非接觸式IC卡智能水表進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;然后以高性能的嵌入式微處理器為核心，采用無(wú)線射頻(RFID)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式IC卡智能水表的設(shè)計(jì)。主要研究工作如下: (1)根據(jù)智能水表的設(shè)計(jì)需求，研究了智能水表的整體技術(shù)方案。對(duì)智能水表的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論和研究。 (2)根據(jù)智能水表的性能指標(biāo)，首先研究了智能水表的總體結(jié)構(gòu);然后基于嵌入式微處理器8051設(shè)計(jì)了非接觸式IC卡智能水表的硬件系

12、統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)總體、水流量采集單元、水流量處理單元、IC卡及讀卡器單元的設(shè)計(jì)。 (3)進(jìn)行了非接觸式IC卡智能水表的軟件設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)主程序、水量采集單元、閥門控制單元、讀卡器單元的軟件設(shè)計(jì)。 (4)進(jìn)行了非接觸式IC卡智能水表的其它關(guān)鍵技術(shù)研究，重點(diǎn)從軟件、硬件兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)的低功耗研究和設(shè)計(jì)，以及水表防抖動(dòng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)和延長(zhǎng)存貯器壽命設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:非接觸式IC卡；智能水表；無(wú)線射頻技術(shù) ABSTRACT The traditional manual meter reading way has been in

13、creasingly unable to meet the needs of modern management. Along with the electronic technology and the communication development, the water management automation and information will be gradually implemented .The non-contact IC card intelligence water meter is a new type of automated water meter sys

14、tem. It has a very good prospect of application. This thesis focuses on the study of intelligent water meter system. Firstly, the non-contact IC card intelligence water meter system is studied. Then we take the high performance embedded microprocessor as the core，and use the technology of Radio Freq

15、uency Identification (RFID), to achieve the designs of non-contact IC card intelligence water meter system. The main research results are as follows: (1)According to the design demand of intelligent water meter to study the general scheme of intelligent water meter，the intelligent water meters hard

16、ware systems, software systems and several key technical issues are discussed and studied. (2) According to the intelligence water meter performance, we firstly study the general structure of intelligence water meter. Then based on the embedded microprocessor 8051 .we design the hardware systems of

17、 the non-contact IC card intelligence water meter, and realize the design of the hardware system frame, the flow of water collecting units, the flow of water processing unit, the IC card and the reading unit. (3) The software system of the non-contact IC card intelligence water meter are designed,

18、including system main routine, the flow of water collecting module, the valve control module, the reading module of IC card. (4) The other key technologies of non-contact IC card intelligence water meter were studied. This thesis focuses on the research and design of low-power goal, the anti-dither

19、 technology of water meter, automatic error-correcting of data, and increasing the life of memory from software and hardware. Keywords: non-contact IC card；intelligence water meter；RFID 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第一章 緒論 ………………………………………………………………………1 1.1 課題背景…………………………………………………………………

20、1 1.2 IC卡智能水表的現(xiàn)狀及發(fā)展方向……………………………………… 1 1.3 IC卡智能水表的關(guān)鍵技術(shù)……………………………………………… 2 1.4 本課題的主要內(nèi)容……………………………………………………… 4 第二章 非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)………………………… 5 2.1智能IC卡的選用………………………………………………………… 5 2.2非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)……………………………………… 7 第三章 非接觸式IC卡智能水表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………… 8 3.1引言…………………………………………………………………………8 3.2非

21、接觸式IC卡智能水表的硬件總體設(shè)計(jì)……………………………… 8 3.3水流量采集單元……………………………………………………………8 3.4 水流量處理單元………………………………………………………… 10 3.5 IC卡及讀卡器設(shè)計(jì)……………………………………………………… 12 第四章 非接觸式IC卡智能水表的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………16 4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)………………………………………………………… 16 4.2水流量采集單元軟件設(shè)計(jì)……………………………………………… 17 4.3閥門控制單元軟件設(shè)計(jì)………………………………………………… 18 4.4讀卡器單元

22、軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………… 19 第五章非接觸式IC卡智能水表的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)……………………… 22 5.1系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)………………………………………………………… 21 5.2水表防抖動(dòng)設(shè)計(jì)………………………………………………………… 24 5.3數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 25 5.4提高存貯器壽命設(shè)計(jì)…………………………………………………… 25 第六章 總結(jié)與展望…………………………………………………………… 26 6.1總結(jié)……………………………………………………………………… 26 6.2展望………………………

23、……………………………………………… 26 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 27 致謝……………………………………………………………………………… 28 ii 第一章 緒論 1.1論文背景 本論文來(lái)源于企業(yè)儀表技術(shù)革新需求。其主要目的是將非接觸式IC卡應(yīng)用于智能水表中，并進(jìn)行一些關(guān)鍵性技術(shù)設(shè)計(jì)。 1.2 IC卡智能水表的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 隨著社會(huì)的進(jìn)步、人口的增長(zhǎng)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，水資源匱乏的問(wèn)題突顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球人均供水量比1970年減少了1/3，這是因

24、為在這期間地球上又增加了18億人口。世界銀行1995年的調(diào)查報(bào)告指出:占世界人口40%的80個(gè)國(guó)家正面臨著水危機(jī)，發(fā)展中國(guó)家約有10億人喝不到清潔的水，17億人沒(méi)有良好的衛(wèi)生設(shè)施，每年約有2500萬(wàn)人死于飲用不清潔的水。聯(lián)合國(guó)預(yù)計(jì)，到2025年，世界將近一半的人口會(huì)生活在缺水的地區(qū)。水危機(jī)己經(jīng)嚴(yán)重制約了人類的可持續(xù)發(fā)展。盡管如此，很多人節(jié)約用水的意識(shí)還非常淡薄，污染、浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。迫切需要通過(guò)市場(chǎng)、科學(xué)技術(shù)等手段來(lái)控制人們的生活、生產(chǎn)用水，切實(shí)開(kāi)源節(jié)流。 自來(lái)水自動(dòng)化管理系統(tǒng)是利用當(dāng)代微機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)與水表計(jì)量技術(shù)完滿結(jié)合，集計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、處理于一體。將城市居民用水信息加

25、以綜合處理的系統(tǒng)，使自來(lái)水公司及物業(yè)部門從根本上減少人工上門抄表的繁雜勞動(dòng)強(qiáng)度。準(zhǔn)確而便捷的收費(fèi)系統(tǒng)，既可節(jié)省人工又可減少供水部門與客戶之間的糾紛，它不但能提高管理部門的工作效率，也適應(yīng)現(xiàn)代用戶對(duì)用水繳費(fèi)的新需求。當(dāng)前自來(lái)水自動(dòng)化管理系統(tǒng)主要有四大類型: 1.2.1、分線制集中抄表方式 分線制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定時(shí)順序采集來(lái)自多路分線連接的水表信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)各采集器之間采用總線制連接，最后連接至計(jì)算機(jī)，其典型特點(diǎn)是各戶表通過(guò)分戶線連接至采集器位置。 1.2.2、總線制智能抄表方式 總線制智能水表由于采集計(jì)數(shù)工作單元均裝配在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采

26、集、處理、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)工作全由智能卡水表本身完成，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進(jìn)行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對(duì)計(jì)量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存(僅影響本人數(shù)據(jù)的讀出)，也不影響其它水表數(shù)據(jù)的讀出，即使本次讀數(shù)時(shí)該表總線出現(xiàn)故障，只需重新掛接好總線，無(wú)需重新置數(shù)，水表的真實(shí)讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。 1.2.3、無(wú)線發(fā)射式水表 英國(guó)ABB公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線發(fā)射式水表，除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)模塊外，另設(shè)置無(wú)線發(fā)射裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程接收裝置接收信號(hào)，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護(hù)、安裝方便。由于單表設(shè)置無(wú)線發(fā)射裝置，表體費(fèi)用高，加上占用頻

27、點(diǎn)需長(zhǎng)期交付一定的租用金和管理費(fèi)，這種水表我國(guó)可能暫時(shí)難以接收。 1.2.4、智能卡水表 智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場(chǎng)迅猛發(fā)展，單個(gè)智能卡及單個(gè)刷卡機(jī)性能價(jià)格比日益提高的特定時(shí)期應(yīng)運(yùn)而生的，居民須在自來(lái)水公司指定售卡點(diǎn)預(yù)購(gòu)水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解決用水收費(fèi)糾紛的功能，這是其它三種抄表方式及普通水表上門抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無(wú)需敷設(shè)線管及線路維護(hù)，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。另外智能卡水表單表自帶采集、電源部分、電磁閥(電動(dòng)閥)控制、由智能卡讀入可用水流量，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，容易消化。 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上國(guó)家相關(guān)政策的推動(dòng)，民用計(jì)

28、量?jī)x表的智能化將是一個(gè)必然的發(fā)展方向。這不僅是中國(guó)的一種趨勢(shì)，也將成為世界性的趨勢(shì)。而在近十年里，單體式智能IC卡類儀表又將會(huì)是發(fā)展主流。從理論上說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是更好的一種計(jì)量管理模式，并且是最終發(fā)展方向。但是目前，由于網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的建立條件不成熟，且沒(méi)有相關(guān)系統(tǒng)相配合，所以，單獨(dú)在一個(gè)部門大規(guī)模推動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)不出來(lái)。而且，僅僅為了提取用水信息就要構(gòu)建一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，從經(jīng)濟(jì)角度講也不合算。 在智能水表的發(fā)展中，最先在上世紀(jì)90年代初推出了接觸式IC卡，其加密性和抗攻擊能力較差;97年第一個(gè)代碼預(yù)付水表產(chǎn)生了;98年射頻卡水表研究成功;99年新一代的接觸式

29、IC卡水表(采用邏輯加密卡)及CPU卡水表研制成功;2000年TM卡水表產(chǎn)生了;2001年具有防水功能的接觸式IC卡水表研制生產(chǎn)。從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，非接觸式IC卡(射頻技術(shù))比接觸式IC卡和TM卡技術(shù)含量要高，它無(wú)外接明口(IC卡插座)，不存在被外界攻擊的技術(shù)隱患;不怕污染、潮濕，適應(yīng)環(huán)境的能力強(qiáng);沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)磨損的情況，使用的可靠性高。TM卡比一般的接觸式IC卡安全性好一些，它只要兩個(gè)接觸點(diǎn);非接觸式IC卡由于信號(hào)發(fā)射時(shí)難免要有能量損耗，這使它的能量損耗比接觸式IC卡要高一些，但這對(duì)水表電池的壽命影響不大。綜上所述，非接觸式工C卡智能水表是今后水表的發(fā)展方向。 1.3 IC卡智能水表的關(guān)鍵技

30、術(shù) IC卡智能水表作為一種高科技民用產(chǎn)品。在計(jì)量控制精度、功耗、水表防抖動(dòng)、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、存貯器壽命延長(zhǎng)和安全性等方面必然要有較高的要求。本論文將主要解決以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 1.3.1、射頻卡技術(shù) 射頻卡是一種非接觸式IC卡，通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換，采用射頻卡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[[3]:第一，沒(méi)有任何機(jī)械觸點(diǎn)，因此沒(méi)有磨損和腐蝕的問(wèn)題;第二，因?yàn)殡娐房梢宰龀扇芊?，因此有效地解決了防潮、防水的問(wèn)題;第三，因?yàn)榭梢宰龀蔁o(wú)任何外露電極，因此可以有效地抗擊外部的強(qiáng)電干擾。 1.3.2、“零”功耗技術(shù) 近年來(lái)，在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，關(guān)心系統(tǒng)的“功能實(shí)現(xiàn)”、“可靠性”等因素的同時(shí)，

31、對(duì)系統(tǒng)的“低功耗”特性也越來(lái)越重視。尤其在一些電池供電的場(chǎng)合，系統(tǒng)功耗的高低不僅將影響到系統(tǒng)的維護(hù)成本，也將對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響?！傲恪惫募夹g(shù)指系統(tǒng)平時(shí)自動(dòng)處于斷開(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)任何 功耗(0 uA)。但當(dāng)系統(tǒng)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，易受到外部的強(qiáng)電干擾，極易造成微控制器死機(jī)。將增設(shè)喚醒裝置，在受到外部的強(qiáng)電干擾時(shí)，提前喚醒系統(tǒng)。 1.3.3、水表防抖動(dòng)技術(shù) 水表在運(yùn)行過(guò)程中，由于管道中水的壓力不均勻，管道和水表會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的智能水表都采用磁鐵和磁敏元件，由于水表的振動(dòng)，引起磁鐵的抖動(dòng);而磁鐵的抖動(dòng)，將引起磁敏元件的多次采樣和多次計(jì)數(shù)，從而引起電子計(jì)數(shù)和字輪計(jì)數(shù)不相符合?？?/p>

32、采用類似于遲滯比較器的技術(shù)，把磁敏元件作成特殊的遲滯器。當(dāng)使磁敏元件吸合時(shí)，磁鐵需靠近磁敏元件5mm，但要使磁敏元件斷開(kāi)，則必須使磁鐵離開(kāi)磁敏元件至8m，這樣，在抖動(dòng)情況下，不會(huì)發(fā)生亂計(jì)數(shù)、多計(jì)數(shù)的問(wèn)題。 1.3.4、數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù) 對(duì)由于受到外界的強(qiáng)電強(qiáng)磁干擾下，發(fā)生數(shù)據(jù)混亂的現(xiàn)象，將采取的技術(shù)措施為:增大固態(tài)存貯器的容量，把所有數(shù)據(jù)一模一樣地同時(shí)存放在五個(gè)不同的地方(多處存貯技術(shù))，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)從五處讀取數(shù)據(jù)，然后對(duì)讀取的五處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，只要其中的三處是相同的，就認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效的(數(shù)據(jù)表決技術(shù))，同時(shí)，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理(自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù))。 1.3.5、存貯器壽命延長(zhǎng)

33、技術(shù) 從事技術(shù)開(kāi)發(fā)的人員都知道，固態(tài)存貯器的使用壽命是有限的，應(yīng)低于70萬(wàn)次。實(shí)際上，存貯器在前10萬(wàn)次使用時(shí)，數(shù)據(jù)工作最為可靠，之后就會(huì)偶爾發(fā)生不正常現(xiàn)象，因此，每個(gè)存貯單元空間應(yīng)控制在10萬(wàn)次之內(nèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可先將存貯器劃分成多個(gè)存貯區(qū)，設(shè)置一個(gè)存貯區(qū)指針，當(dāng)使用次數(shù)超過(guò)10萬(wàn)次時(shí)，指針自動(dòng)轉(zhuǎn)向下一個(gè)新的存貯區(qū)，這樣有效地減少了存貯單元的使用次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)可靠性。 1.4本論文的主要內(nèi)容 本論文以IC卡智能水表系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，主要解決射頻卡、零功耗、水表防抖動(dòng)、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、存貯器壽命延長(zhǎng)、安全性等方面問(wèn)題。 為此，本論

34、文將著重完成以下工作: （1）智能IC卡的選擇; （2）非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì); （3）非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì); （4）非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)的零功耗、水表防抖動(dòng)、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、存貯器設(shè)計(jì)。 第二章 非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1智能IC卡的選用 智能IC卡作為智能水表中的信息傳輸媒介，決定了智能水表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸形式，在智能水表技術(shù)中起作至關(guān)重要的作用。目前，較常用的智能卡有磁卡、接觸式IC卡、非接觸式(RF) IC卡及TM卡等。 2.1.1、磁卡 磁卡是通過(guò)磁條記錄信息

35、量的智能卡，由于它依靠容量有限的外露磁條存儲(chǔ)信息，在保密性、抗損性、可靠性、使用方式及靈活性等方面存在不足。因此，磁卡技術(shù)一直沒(méi)有應(yīng)用于智能水表系統(tǒng)中。 2.1.2、接觸式IC卡 接觸式IC (Integrated Circuit)卡從其功能上分為三種:存儲(chǔ)器卡、加密邏輯存儲(chǔ)器卡和CPU智能卡。 (1)存儲(chǔ)器卡:卡內(nèi)芯片為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，可按照讀寫時(shí)序進(jìn)行簡(jiǎn)單的讀取和存儲(chǔ)。 (2)加密邏輯存儲(chǔ)器卡:也叫智能存儲(chǔ)卡。除具備存儲(chǔ)器卡的E2PROM外，還帶有加密邏輯

36、，每次讀/寫卡之前，必須驗(yàn)證輸入密碼。若連續(xù)三或四次輸入密碼錯(cuò)誤，卡自鎖，成為死卡。 (3)、CPU智能卡:內(nèi)有CPU(中央處理單元)的一種存儲(chǔ)器卡。CPU卡采用微處理器芯片作為卡芯，由硬件和軟件共同組成，包括硬件單片機(jī)(微處理器)、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)，軟件有IC卡監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)COS (IC Card Operating System)等。CPU管理信息的加/減密和傳輸，嚴(yán)格防范非法訪問(wèn)卡內(nèi)信息，發(fā)現(xiàn)數(shù)次非法訪問(wèn)，將鎖住相應(yīng)的信息區(qū) (可用高一級(jí)命令解鎖)。CPU卡具有很強(qiáng)的可用性和保密性。 接觸式IC卡使用時(shí)要將IC卡插入卡口，其觸點(diǎn)反復(fù)插接，易受磨損和

37、污染，防水防塵性能差，有可能損壞芯片的集成電路。 2.1.3、TM卡 TM卡又叫碰觸卡(碰觸式存儲(chǔ)器一TOUCH MEMORY)，是美國(guó)DALLAS公司的專利產(chǎn)品，其外形類似紐扣，采用不銹鋼全密封封裝，適宜潮濕、震動(dòng)或電磁干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合使用。TM卡通過(guò)一個(gè)多功能器來(lái)實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)線、地址線、控制線和電源線減為一根線，采用單線協(xié)議通訊，通過(guò)瞬態(tài)碰觸杯狀探頭完成數(shù)據(jù)的讀寫，既有非接觸式IC卡的易操作性，又有接觸式IC卡的廉價(jià)性。但使用TM卡的水表內(nèi)必須有相應(yīng)的解碼模塊，來(lái)對(duì)卡的信號(hào)傳送進(jìn)行處理，所以它的通用性較差;另外其觸點(diǎn)更暴露在外，其數(shù)據(jù)安全性、設(shè)備安全性和防攻擊性能也較差。 2.1.4、非

38、接觸式IC卡 非接觸式IC卡又稱RF (Radio Frequency)卡，簡(jiǎn)稱射頻卡，它是世界上近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。采用無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在卡片靠近讀寫器表面時(shí)即可完成卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸這一難題。 射頻卡在卡內(nèi)有微小的集成電路芯片和線圈。對(duì)應(yīng)的卡表內(nèi)有一套發(fā)射和接收信號(hào)的電路。當(dāng)射頻卡工作時(shí)，在瞬間內(nèi)由卡表發(fā)射的電磁波在射頻卡內(nèi)通過(guò)電磁感應(yīng)形成一個(gè)低壓電源，射頻卡如同一座微型電臺(tái)，與卡表高速地進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。 非接觸式IC卡表面無(wú)觸點(diǎn)，因此接口設(shè)備與非接觸式IC卡的通信方式與接觸

39、式卡不同，提供電源的方式也不同，為此ISO八EC根據(jù)接口設(shè)備與IC卡作用距離的不同而定義了三個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如表2-1所示，它們也目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的。 表2-1非接觸式IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IC卡 讀寫器 標(biāo)準(zhǔn) 卡類型 作用距離(約) CICC CCD IS010536 密耦合 0～10MM PICC PCD IS014443 近耦合 0～100MM VICC VCD IS015693 疏耦合 0～1000MM 非接觸式IC卡具有如下優(yōu)點(diǎn): (1)可靠性高。非接觸式IC卡與讀寫器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免了接觸讀寫而產(chǎn)生的的各種故障。此外，非接觸式IC

40、卡表面無(wú)裸露的芯片，無(wú)需擔(dān)心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問(wèn)題，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。 (2)操作方便、快捷。由于使用射頻通訊技術(shù)，讀寫器在10mm范圍內(nèi)可以對(duì)卡片進(jìn)行讀寫，不需插拔，而且使用時(shí)沒(méi)有方向性，也沒(méi)有正反性和角度限制，卡片可以任意方向掠過(guò)讀寫器，讀寫時(shí)間不超過(guò)0.1s。 (3)安全防沖突。非接觸式IC卡有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾。因此，在多卡同時(shí)進(jìn)入讀寫范圍時(shí)，讀寫器可以“同時(shí)”處理多張非接觸式IC卡，具有應(yīng)用的并行性，無(wú)形中提高了系統(tǒng)的工作速度。 (4)高安全性。非接觸式IC卡的序列號(hào)是唯一的，由制造廠家在出廠時(shí)將其固化在芯片內(nèi)，不可更

41、改。 (5)良好加密性。非接觸式IC卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器要驗(yàn)證IC卡的合法性，而IC卡也要驗(yàn)證讀寫器的合法性;此外，非接觸式IC卡在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之前與讀寫器之間要進(jìn)行三次相互確認(rèn)，卡中各個(gè)扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問(wèn)條件，并且具有傳遞數(shù)據(jù)加密、傳輸密碼和傳輸密碼保護(hù)。 (6)良好的適用性。非接觸式IC卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其可以一卡多用，能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合或系統(tǒng)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)置不同的密碼和訪問(wèn)條件，適用不同的距離，系統(tǒng)配置靈活多樣。 2.2非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)由三部分組成:水表、信息載體IC卡、水站計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)

42、結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。 自來(lái)水公司計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)由PC機(jī)和自來(lái)水信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)成，信息載體選用非接觸式IC卡，水表即為非接觸式IC卡智能水表。用戶到自來(lái)水公司辦理IC卡，并預(yù)購(gòu)水量，非接觸式IC卡水表讀入IC卡水量信息，控制閥門電路打開(kāi)電磁閥進(jìn)行供水。用水過(guò)程中，水流沖擊葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)裝有兩塊磁鐵的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，引起干簧管閉合，電路導(dǎo)通，電子部分會(huì)根據(jù)干簧管通斷產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制液晶顯示，按一定量遞減。當(dāng)水用完時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)閥門驅(qū)動(dòng)電路，閥門立即關(guān)閉，當(dāng)用買了水的IC卡插入水表后，電子部分讀入數(shù)據(jù)，然后會(huì)給閥門驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)，電磁閥打開(kāi)，用戶便可用水。 非接觸式IC卡水表

43、 圖2.1 非接觸式IC卡智能水表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第三章 非接觸式IC卡智能水表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 引言 智能儀器儀表多以單片機(jī)為核心，因其具有數(shù)字處理功能。因此，硬件設(shè)計(jì)的第一步工作是選擇單片機(jī)。針對(duì)本系統(tǒng)的功能要求，選擇STC12C5410AD系列1T 8051單片機(jī)。它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。有4路PWM, 8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，適用于電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 3.2非接觸式IC卡智能水表的硬件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)以STC12C5410AD系列1T 8051單片機(jī)

44、為核心，并通過(guò)IT接口控制LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)通用I/0口控制閥門驅(qū)動(dòng)電路，以及進(jìn)行水量采集。讀卡器單元接口和功能較為復(fù)雜，因此以AT89c52單片機(jī)為基礎(chǔ)組成讀卡器電路，STC12C5410AD與AT89c52之間以RS232通信模式進(jìn)行連接。 圖3.1非接觸式IC卡智能水表硬件系統(tǒng)框圖 3.3水流量采集單元 智能水表的水流量采集是在普通水表上加裝傳感器來(lái)進(jìn)行流量信號(hào)采集的，本系統(tǒng)采用干簧管傳感器采集水流量。它是利用磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)控制的一種線路開(kāi)關(guān)器件，又叫“磁控管”。干簧管的外殼一般是一根密封的玻璃管，在玻璃管中裝有兩個(gè)鐵質(zhì)的彈性簧片電極，玻璃管中還充有一種叫金屬銠的惰性

45、氣體。在平時(shí)玻璃管中的兩個(gè)簧片是分開(kāi)的，當(dāng)有磁性物質(zhì)靠近玻璃管時(shí)在磁場(chǎng)磁力線的作用下，管內(nèi)的兩個(gè)簧片被磁化而互相吸引接觸，使兩個(gè)引腳所接的電路連通。外磁力消失后，兩個(gè)簧片由于本身的彈性而分開(kāi)，線路也就斷開(kāi)。 如圖3.2所示。 圖3.2 干簧管工作過(guò)程示意圖 選擇基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、外形尺寸小的特點(diǎn)。通過(guò)在葉輪上安裝磁鋼與微型干簧管，將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)頻率脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流量的計(jì)量。 本系統(tǒng)用三個(gè)干簧管傳感器來(lái)測(cè)量水流量，如圖3.3所示。既能抗干擾，又能有效地判斷水流方向。干簧管2動(dòng)作時(shí)能判斷出 干簧管1 干簧管2

46、 干簧管3 圖3.3 干簧管安裝示意圖 水流方向，如果干簧管2動(dòng)作前的一次吸合反應(yīng)是干簧管1，則水流方向是順時(shí)針的，如果干簧管2動(dòng)作前的一次吸合反應(yīng)是干簧管3，則水流方向是逆時(shí)針的。若遇外強(qiáng)磁干擾，三個(gè)干簧管將處于同一狀態(tài)，系統(tǒng)據(jù)此判斷為異常情況，予以屏棄。 將干簧管傳感器的通斷信號(hào)輸入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的比較器和定時(shí)器來(lái)完成計(jì)數(shù)。連接電路如圖3.4所示。K1, K2, K3分別表示干簧管1, 2, 3,將A, B, C三個(gè)結(jié)點(diǎn)連接至單片機(jī)的I/0端，當(dāng)干簧管斷開(kāi)時(shí)，輸入高電平:當(dāng)干簧管吸合時(shí)，輸入低電平。 圖3.4 水流量采集電路 3.4水流量處理單元 3.4.1

47、單片機(jī) 本系統(tǒng)選用的STC12C5410AD系列1T單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。帶有l(wèi)0Kb高速Flash RAM, 512B片內(nèi)RAM, 4路PWM ( Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)/PCA(Programmable Counter Array，可編程計(jì)數(shù)器陣列)，8路10位速度100K的A/D轉(zhuǎn)換，27個(gè)驅(qū)動(dòng)能達(dá)20mA的通用I/O口，片內(nèi)ISP (In System Programming) /IAP (In Application Programming)，無(wú)需專用編程器，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并可用PCA模塊再產(chǎn)生4個(gè)

48、定時(shí)器，EEPROM和看門狗功能，可通過(guò)外部中斷喚醒Power Down模式，具有通用全雙工異步串行口(以RT)，工作電壓2.4-3.8V。 3.4.2 閥門控制電路 通過(guò)單片機(jī)根據(jù)預(yù)付水量來(lái)控制電磁閥，從而控制供水和停水。閥門控電路用于控制電磁閥，由STC12C5410AD的P3.4, P3.5進(jìn)行，如圖3.5所示。當(dāng)P3.5為低電平 圖3.5 閥門控制電路 時(shí)，繼電器J1得電動(dòng)作，電磁閥打開(kāi);當(dāng)P3.4為低電平時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥失電關(guān)閉。為了降低功耗，電磁閥選用新型雙穩(wěn)態(tài)自吸電磁閥MP15A25V。它具有電源電壓低、啟動(dòng)水壓低、防堵性能好、關(guān)閉可靠等特點(diǎn)。 3.4.3

49、LCD顯示電路 隨著液晶顯示技術(shù)的發(fā)展，LCD(液晶顯示器)模塊己成為家電、顯示儀器儀表和其他電子產(chǎn)品的重要組成部分。LCD模塊具有低工作電壓、微功耗、信息量大、壽命長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)，在科研、生產(chǎn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其應(yīng)用范圍也呈現(xiàn)迅速擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。 本系統(tǒng)采用32X4的LCD顯示，驅(qū)動(dòng)芯片為HT1621B。其工作電壓為2.4-5.2V,與系統(tǒng)單片機(jī)相近，可用POWER Down命令降低功耗，符合系統(tǒng)對(duì)低功耗的要求。HT1621B通過(guò)I2C總線與單片機(jī)通信，如圖3.6所示。將HT1621B的OSC腳與VSS相連來(lái)使用內(nèi)部振蕩，再將各種電源( VDD, VSS和VLCD)與L

50、CD顯示模塊連接即可。 圖3.6 LCD顯示電路 3.5 IC卡及讀卡器設(shè)計(jì) 3.5.1 非接觸式IC卡的工作原理 通常一張非接觸式IC卡由IC芯片、感應(yīng)線圈及電容元件等組成，并完全封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片中。在讀寫過(guò)程中，由卡片與讀寫器之間通過(guò)無(wú)線電波來(lái)完成操作。其中，卡片為發(fā)射應(yīng)答端，讀寫器為接收端，類似于發(fā)電機(jī)，不斷發(fā)送電波。當(dāng)卡片在讀寫器發(fā)射頻率范圍之內(nèi)時(shí)，卡片內(nèi)的線圈在“激發(fā)信號(hào)”的感應(yīng)下產(chǎn)生微弱的電流，作為卡內(nèi)集成電路芯片的電源，而該卡內(nèi)的集成電路芯片存儲(chǔ)有制造時(shí)輸入的唯一數(shù)字辨識(shí)號(hào)碼，該號(hào)碼從卡中通過(guò)一個(gè)解調(diào)信號(hào)反饋回控制器，讀寫器將收到的無(wú)線信號(hào)傳給現(xiàn)場(chǎng)控制

51、器，由現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行信號(hào)處理并對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出指令。 3.5.2 非接觸式IC卡的關(guān)鍵技術(shù) (1)射頻識(shí)別技術(shù)。將射頻技術(shù)應(yīng)用于非接觸式IC卡，從技術(shù)上有三個(gè)特殊要求:一是無(wú)源設(shè)計(jì)，由于IC卡的尺寸限制，卡上的Mifare不能有電源，需要由讀寫器向射頻卡發(fā)射一組固定頻率的電磁波，通過(guò)卡內(nèi)電路產(chǎn)生芯片工作所需電流電壓;二是由于IC卡的尺寸限制，卡上Mifare的天線需要特殊設(shè)計(jì)，卡需特殊封裝和制造;三是必須保證有良好的抗干擾性能，并必須設(shè)置“防沖突”電路。 (2)封裝技術(shù)。由于非接觸式IC卡中需要埋裝天線、芯片和其它部件，為確?？ㄆ拇笮?、厚度、柔韌性和耐高溫高壓，需要特殊的封裝技術(shù)。 (

52、3)低功耗技術(shù)。對(duì)非接觸式IC卡的一個(gè)最基本要求就是低功耗，以提高其壽命和適用性。而降低功耗同保證一定的感應(yīng)距離是同等的重要。因此，卡內(nèi)芯片一般采用非?？量痰牡凸墓に嚭图夹g(shù)，比如“休眠技術(shù)”等。 (4)安全技術(shù)。非接觸式IC卡的安全主要是信息的安全，包括以下三點(diǎn):一是機(jī)密性:防止未經(jīng)授權(quán)的信息獲取;二是完整性:防止未經(jīng)授權(quán)的信息更改;三是可獲取性:防止未經(jīng)授權(quán)的信息截流(在往外流通過(guò)程中的非法截取)。因此，除了卡的通訊安全技術(shù)之外，還要以卡片的物理安全技術(shù)和卡片制造的安全技術(shù)這兩方面再和前者相結(jié)合，從而構(gòu)成其強(qiáng)大的安全體系。事實(shí)上，非接觸式IC卡的安全技術(shù)就是主要依據(jù)以上幾點(diǎn)提出和實(shí)施的。

53、首先，由于卡與讀寫器之間是無(wú)線頻率方式，但采用的是變數(shù)方式，即每次通訊過(guò)程都有一個(gè)隨機(jī)的變量函數(shù)，因而外界想通過(guò)無(wú)線電接收器來(lái)分析系統(tǒng)的參數(shù)將是極其困難的;其次，卡和讀寫器必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的授權(quán)以后方可使用。任何非法用戶想獲取卡中的信息是不可能性的:再次，由于每張卡都有有一個(gè)32位的獨(dú)立卡號(hào)，這一卡號(hào)是芯片在工廠加工時(shí)固化的，是唯一不變的，且卡中系統(tǒng)區(qū)具有加密算法校驗(yàn)。因此，偽造卡也是不可能的;最后，卡中的用戶區(qū)可按用戶的要求，設(shè)置成若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)都可分別設(shè)置密碼，進(jìn)一步提高了卡的安全性。 3.5.3 IC卡讀卡器設(shè)計(jì) 非接觸式IC卡讀寫器系統(tǒng)主要由讀寫器控制芯片、收發(fā)器、看門狗以及RS

54、232通信模塊組成，如圖3.7所示。上述幾個(gè)部件與器件以周密的邏輯設(shè)計(jì)配合，通過(guò)程序控制完成對(duì)非接觸式IC卡片的讀寫。并可通過(guò)串行通信接口與單片機(jī)的異步通信口(com 1或com 2)進(jìn)行通信，以便完成對(duì)非接觸式卡片的某些方面應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理。 圖3.7 IC卡讀卡器電路 (1)讀寫器與單片機(jī)的連接 將讀寫器芯片AT89c52與單片機(jī)STC12C5410AD按圖3. 8連接。 NSS MISO MOSI SCK RO RSTPD STC12C5410AD AT89c52 圖3.8 AT89c52與單片機(jī)的連接 (2)讀寫器系統(tǒng)的單片機(jī) 非接觸式IC

55、卡讀寫器應(yīng)具有讀和寫非接觸式IC卡的能力。為此，選用ATMEL公司的AT89c52單片機(jī)作為控制核心。AT89c52是一種內(nèi)含8kbyteEPROM且有256單元RAM，并與MCS-51系列的指令系統(tǒng)和管腳完全兼容的低電壓、高性能COMS 8位微控制器。其優(yōu)越的性能:32條I/O,3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8個(gè)兩級(jí)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯電路，可以在低到零頻率下靜態(tài)邏輯運(yùn)算，支持兩種軟件可選的省電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍在工作;在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止使用其他芯片功能，直到

56、下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 (3)系統(tǒng)復(fù)位和電源報(bào)警電路 系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。為保證系統(tǒng)可靠的復(fù)位，選用iMP707系統(tǒng)提供所需的RESET和RESET復(fù)位電平。具體電路設(shè)計(jì)如圖3.9所示。iMP707是一組CMOS監(jiān)控電路。將常用的多種功能集成到一片8腳封裝的小芯片內(nèi)，能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障。它提供3項(xiàng)功能:①在上電和掉電期間以及電源跌落的情況下，可產(chǎn)生復(fù)位信號(hào);②有一個(gè)門限1.25V的檢測(cè)器，用于電源報(bào)警;③手動(dòng)復(fù)位輸入功能可消除抖動(dòng)。它與采用分立元件或單一功能芯片組合的電路相比，大大減少了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和元件數(shù)量，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性和精確度。當(dāng)電源波動(dòng)或跌落時(shí)，由R

57、1, R2分壓產(chǎn)生的門限電平使iMP707的ID輸出低電平。此低電平使AT89c52的INTO產(chǎn)生中斷。發(fā)出報(bào)警指令，產(chǎn)生聲音報(bào)警。 圖3.9系統(tǒng)復(fù)位和電源報(bào)警電路 (4) RF射頻天線設(shè)計(jì) 射頻天線設(shè)計(jì)亦是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用具有讀寫非接觸式IC卡功能的射頻感應(yīng)器件GB9。它的工作電壓范圍比較寬(5～12V)，射頻工作頻率為125kHz，讀、寫卡片的數(shù)據(jù)為9.k Baud Serial ASCII。讀、寫卡片數(shù)據(jù)不受方向制。所需讀或?qū)懣ㄆ臄?shù)據(jù)分別由AT89c52的串通信口的數(shù)據(jù)接收端(RXD)和發(fā)送端(TXD)功接收發(fā)送。讀到卡片數(shù)據(jù)時(shí)，其P.LED端產(chǎn)生的電平可使

58、AT89c52的INTl引腳發(fā)生中斷。由中斷處程序?qū)⒋藬?shù)據(jù)作相應(yīng)處理。 第四章 非接觸式IC卡智能水表的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 非接觸式IC卡智能水表實(shí)現(xiàn)的功能是： （1）確保自來(lái)水管理部門有效管理用戶的水表，只有持兩張認(rèn)證卡(管理員卡和業(yè)務(wù)卡)才能使水表進(jìn)入工作狀態(tài)。 （2）用戶持IC卡到自來(lái)水管理部門預(yù)購(gòu)一定量的水，然后將IC卡插入水表讀卡器，控制電磁閥打開(kāi)，水表進(jìn)行工作狀態(tài)，用戶方可用水。 圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖 （3）用水過(guò)程中，水表會(huì)及時(shí)將“總用水量”、“剩余水量”等信息保存到FLA

59、SH RAM區(qū)，以便掉電和異常情況時(shí)能恢復(fù)重要的信息。 （4）水表上裝有防拆和防磁裝置。一旦遇破壞事故(如私拆水表和強(qiáng)磁干擾)，水表會(huì)關(guān)閉電磁閥。必須用自來(lái)水管理部門專用的IC卡才能將電磁閥打開(kāi)。 （5）水表還設(shè)有電壓檢測(cè)裝置，當(dāng)電壓降至一定值時(shí)，水表會(huì)保存有用信息，同時(shí)關(guān)電磁閥。更換電池后，水表會(huì)自動(dòng)恢復(fù)有用信息，重新工作。 （6）LCD將顯示以止各種情況的信息圖標(biāo)，以便用戶和管理部門查詢。 根據(jù)以上功能要求，本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1所示。 4.2 水流量采集單元軟件設(shè)計(jì) 圖4.2 水量采集單元軟件流程圖 本系統(tǒng)采用三干簧管采集水量，在軟件上可采用等時(shí)

60、一次查詢法來(lái)計(jì)量水量。查詢時(shí)間間隔既大于一次抖動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間，又小于一次干簧管吸合的時(shí)間，每個(gè)查詢周期對(duì)每干簧管進(jìn)行一次引腳狀態(tài)的檢測(cè)，通過(guò)不斷對(duì)單片機(jī)引腳狀態(tài)的查詢來(lái)判斷干簧管的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到N個(gè)連續(xù)的高電平或N個(gè)連續(xù)的低電平時(shí)，才記錄一次干簧管斷開(kāi)/吸合狀態(tài)。然后通過(guò)對(duì)三個(gè)干簧管的狀態(tài)分析來(lái)進(jìn)行判斷計(jì)數(shù)。水量采集的軟件流程如圖4.2所示。 標(biāo)志a表示水的流向，a=1表示正向流動(dòng)，a=0表示反相流動(dòng)，a=2表示還沒(méi)有確定流向。flag1, flag2, flag3分別表示干簧管1, 2, 3的狀態(tài)，值為1表示吸合，為0表示斷開(kāi)。當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)干簧管同時(shí)吸合則說(shuō)明出現(xiàn)異常，進(jìn)入異常處理，關(guān)閉閥門

61、并報(bào)警。 4.3閥門控制單元軟件設(shè)計(jì) 4.3.1 閥門控制模塊 閥門控制是通過(guò)讀取預(yù)購(gòu)水量，根據(jù)預(yù)購(gòu)水量控制電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)預(yù)付水量不足時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒用戶購(gòu)買充值IC卡;當(dāng)預(yù)付水量為0時(shí)， 程序入口 報(bào)警 關(guān)閉電磁閥 預(yù)存水量為0? 預(yù)存水量不足? 返回打開(kāi)信號(hào) 返回關(guān)閉信號(hào) Y N Y N 圖4.3 閥門控制程序流程圖 將關(guān)閉電磁閥。只有當(dāng)用戶購(gòu)買水后，將水量信息傳給水表，才可打開(kāi)電磁閥供水。閥門控制程序流程如圖4.3所示。 4.3.2 LCD顯示模塊 系統(tǒng)采用的LCD芯片HT1621B是一塊IT通信的驅(qū)動(dòng)芯片，I2C總線是一種芯片間

62、串行數(shù)據(jù)輿的總線，2根線即可實(shí)現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，能夠十分方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展。 4.4 讀卡器單元軟件設(shè)計(jì) 讀卡器工作方式是先由系統(tǒng)復(fù)位和電源報(bào)警電路控制MF RC500驅(qū)動(dòng)天線對(duì)Mifare卡(也就是Mifare PICC)進(jìn)行讀寫操作。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對(duì)其它接口器件進(jìn)行響應(yīng)操作。對(duì)Mifare卡的操作流程以分為以下幾項(xiàng): 4.4.1 復(fù)位請(qǐng)求 當(dāng)一張Mifare卡片處在卡讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出RE-QUEST all(或REQUEST std)命令。此時(shí)卡片的ATR將啟動(dòng)，并將卡片Block 0中的卡片類型(Tag Type

63、)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，從而建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行該位請(qǐng)求操作，讀寫器對(duì)卡片的其它操作將不能進(jìn)行。 4.4.2 反碰撞操作 如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)，PCD將首先與每一張卡片進(jìn)行通信，以取得每一張卡片的系列號(hào)。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號(hào)而決不會(huì)相同，因此，PCD根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)一張卡進(jìn)行操作。該操作將使PCD得到P工CC的返回值作為卡的序列號(hào)。 4.4.3 卡選擇操作 完成了上述二個(gè)步驟之后，PCD必須對(duì)卡片進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行該操作后，將返回卡上的SIZE字節(jié)。 4.4.4 認(rèn)證操作 經(jīng)過(guò)

64、前面敘述的三個(gè)步驟以后，便可以在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，在PCD對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作之前，使系統(tǒng)對(duì)該卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果該認(rèn)證匹配，便可允許進(jìn)一步的讀寫操作。 4.4.5 讀寫操作 對(duì)卡的最后操作即是讀、寫、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。 4.4.6讀卡程序 根據(jù)上面的流程，便可采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序如下: char M500Reset (void) {char status: RC500RST=0;//RC500在RSTPD腳由高變低時(shí)復(fù)位 Delay_1ms (25);//系統(tǒng)晶振頻率為11. 0592MHz RC500RST=1 Delay-50 u s

65、 (200); RC500RST=0; Delay_50 u s (50); Return status char M500Config(void)//對(duì)RC500的寄存器進(jìn)行初始化 char M500PiccCommon Request (unsigned char req_code,unsigned char *atq) RC500發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，req_code是請(qǐng)求模式，一共有request all和Request std兩種模式。Request all指令是非連續(xù)性讀卡指令，只讀一次。但有一個(gè)例外，即當(dāng)某一次Request all指令讀卡失敗時(shí)，如卡片沒(méi)能通過(guò)密碼認(rèn)證或其它原

66、因而出錯(cuò)時(shí)，Request all指令將連續(xù)地讀卡，直到讀卡成功才進(jìn)入非連續(xù)性的讀卡模式。Request std指令的使用和Request all指令剛巧相反。Request std指令是連續(xù)性的讀卡指令。當(dāng)某一張卡片在MCM天線的有效工作范圍(距離)內(nèi)時(shí)，Request std指令在成功地讀取這一張卡片之后，將進(jìn)入MCM對(duì)卡片的其它操作。如果其它操作完成，程序員又將MCM進(jìn)入Request std指令操作，那么，Request std指令將連續(xù)地再次進(jìn)行讀卡操作，而不管這些片卡是否被拿走。只要有一張卡片進(jìn)入MCM之天線有效工作范圍(范圍)內(nèi)，Request std指令將始終連續(xù)地再次進(jìn)行讀卡操作。對(duì)于Mifarel卡，該函數(shù)反回值為0004H。其程序如下: char M500PiccCascAnticoll(unsigned char bcnt, unsigned char *snr) //反碰撞函數(shù)，得到一卡的序列號(hào)存入snr中 char M500PiccCascSelect(unsigned char *snr, unsigned char *sak) //選中snr指定的