低功耗IC卡燃气表的研究与开发

来源：中国一卡通网作者：发布时间：2006-12-29 11:56:10 字体:[大中小]

摘要：提出了一种基于MSP430系列单片机的低功耗IC卡燃气表设计，论述了IC卡燃气表的硬件设计、电控系统电路构成、系统软件设计。为了有效地降低功耗，外围电子元器件以低压、低频、静态低功耗的器件构成；对于系统软件，则在低功耗、信息安全、抗干扰及可靠性等方面地行了设计。系统整体的功耗很低，且运行稳定可靠，操作方便，抗干扰能力强。

人工上门查燃气表的工作量大，效率低，恶意拖欠气费的用户使燃气公司损失很大。随着科技的发展，出现了IC卡预付费型燃气表。燃气用户在燃气公司开户，购买一定气量后，即得到加密的IC卡。用户用气时将卡插入燃气表中，卡中气量自动输入燃气表并在IC卡中消除气量，供气阀门打开。当气量不足5m3时，燃气表提示用户购气；气量用完时，燃气表自动切断供气管路。

1 系统功能及硬件设计
　　系统以MSP430F413单片机为核心，它内置LCD驱动器。采用保密性好的SLE4442逻辑加密卡作为预付费卡片，具有强大的电源管理系统，流量监测精确，防磁、防破坏、数据加密防窃，可液晶显示剩余气量、购气量以及各种状态标志符。其基本功能包括：①开机检测功能。系统开机后能自动检测当前状态，决定是否开阀。②停电关阀及数据保护功能。当突然停电时，系统将重要数据保存并关阀，当系统复位时能重新调入数据。③低电压检测功能。本系统采用电池供电，电压检测功能必不可少。当电压过低时，提示用户更换电池，若用户没及时更换则系统可自动关闭阀门。④强磁场检测功能。当外界强磁场干扰时，系统能识别并自动关阀。⑤报警显示功能。当电压低、泄漏、用气量不足及发生其他故障时系统能声音报警和屏幕显示。⑥读卡功能。⑦计量功能。准确计量，并能对气压变化引起的计量误差进行修正。
1．1 单片机的选择
　　由于主要设计低功耗的IC卡燃气表，因此所选的单片机必须满足低功耗要求，另外对单片机抗干扰性以及可靠性也有一定要求。我们选用美国一家仪器公司的MSP430系列超低功耗16位混合信号单片机。在超低功耗方面，其处理器功耗远低于同类其他产品。
　　选用MSP430系列的。MSP430F413单片机，它集成96段LCD驱动器直接驱动液晶，串行在线编程，5种省电模式。处于LMP3低功耗模式下时电流为0．7μA，从低功耗模式下唤醒只要通过片内的定时器中断即可，或利用流量脉冲进行外部唤醒，因此完全可以省去外部中断唤醒电路。定时器确保程序稳定，P₁和P₂口的所有8个位全部可以外中断处理，中断边沿可选。MSP430F413片内集成了8kb的闪存，既可当程序存储器，其剩余部分又可代替可扩展内存来保存重要数据，只要电压保持在2．7V以上即可对其进行写入和读取操作。这样大大节约了因外扩可扩展内存而增加的功率消耗，也简化了硬件电路，降低了成本^[1、2]。
1．2 系统组成
　　控制器组成包括MSP430单片机、IC卡读写电路、电源监控电路、流量测量电路、显示驱动电路、电磁阀控制电路、蜂鸣器及按键电路、泄漏检测电路等。控制器组成见图1。

图1 控制器组成
Fig．1 Controller composition
　　①IC卡读写电路
　　IC卡由于具有存储容量大、数据保密性好、抗干扰能力强、操作速度快等优点，近年来应用广泛。IC卡储存用户识别和用户购买气量的信息，本系统采用符合ISO 7816国际标准的SLE4442逻辑加密存储卡^[3]。IC卡对存储区的读、写、擦除等操作都有硬件密码控制，具有认证、系统密码、用户读写密码多层保密措施，可确保数据的安全^[4]。在IC卡插入卡座后，产生1个IC卡插入信号，插入信号产生中断可唤醒CPU。CPU控制升压电路工作，在检测到IC卡及认证校验密码通过后，读入IC卡中购买的气量，和当前剩下的余量相加后存入内存，并将IC卡中的数据清零。
　　②电源监控电路
　　采用NCP302HSN27T1型电压监测器，其芯片的工作电压范围为0．8～10 V，静态电流约0．5μA；电压检测门限精度不大于2％。当电池电压低于保护值2．7 V时，芯片的脚1变为高电平，向微控制器发出中断请求，蜂鸣器发出呜叫声提醒用户更换电池。
　　③流量测量电路
　　干簧管为磁灵敏开关型传感器，其结构见图2。干簧管由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成，密封于玻璃管中。当恒磁铁或线圈产生的磁场施加于舌簧上时，使2个舌簧磁化，产生的磁场吸引力克服了舌簧弹性产生的阻力，舌簧被接触导通。一旦磁场消失，舌簧又重新分开。控制器采用2个干簧管实现计数和保护功能。1个干簧管安装在单位计数拨码盘附近，在计数拨码盘上均匀嵌有2个微型磁钢。当0．01m³的燃气从燃气表流过时，干簧管开关2次。另一个干簧管安装于靠近外壳处，拨码盘上磁钢的磁场对其没有影响。当外界有强磁场时，2个干簧管都会导通，这时单片机软件可将此判断为干扰或恶意破坏而放弃该次计数，并关闭进气阀门。当检测到10s(可设置)内无强磁干扰时，阀门打开，有效地实现了防外界磁场干扰功能。

图2 干簧管的结构
Fig．2 Structure of dry reed pipe
　　④显示驱动电路
　　MSP430单片机具有内部LCD控制器/驱动器。设计采用4MUX，1/3偏压驱动方法。LCD显示内存位于单片机内部，存储所有活动及省电模式中待显示的信息，显示各位与LCD段对应。集成化的CPU内置控制驱动器极大简化了系统的硬件结构，降低了成本，同时提高了系统的可靠性。用户可以查看到的信息包括剩余气量、总用气量及燃气表的各种状态信息。
　　⑤泄漏检测电路
　　泄漏检测采用QM2N2型气敏传感器作为检测元件，其电阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改变。电路图见图3。平时，可燃性气体或烟雾浓度在允许范围内，气敏传感器C、D间电阻值较大，从D端输出低电平。当可燃性气体或烟雾浓度达到一定值后，气敏传感器C、D间电阻值迅速减小，从D端输出高电平。单片机检测是否漏气并做报警处理。

图3 泄漏检测电路
Fig．3 Circuit for leak inspection
　　⑥芯片开关电路
　　为了使系统功耗降低，单片机主要时间都处于低功耗模式3(LMP3)。这个阶段内流量采样通道、液晶显示通道等外围模块均处于关断状态，只有在单片机从低功耗模式恢复到工作模式前才开启相应的外围模块。这样就必须添加芯片开关电路，可利用PNP三极管实现这一功能。其原理见图4，只要对相应的I/O口设置0或1，就可以对相应的芯片进行开关。
　　⑦电磁阀控制电路
　　电磁阀是燃气表的执行机构，是实现其预收费功能的关键部件。本系统选用ZD-20型电磁阀(控制电路见图5)，它是一种双稳态高效节能型电磁阀，由3．6 V锂电池供电，具有点开和点关的脉冲工作方式。一旦开启或关闭，可处于自保持状态，无须电源供电。当P3．7脚输出低电平时，三极管T₁截止，电磁阀关闭；当P3．7脚为高电平时，三极管T₁导通，电磁阀ZD开启。通过电磁阀控制电路，单片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。

图4 芯片开关电路
Fig．4 On-off cirouit of chip

图5 电磁阀控制电路
Fig．5 Control circuit of electromagnetic valve

2 软件设计
　　系统软件采用模块化结构，用MSP430的嵌入式C语言编写，软件设计思想紧密结合IC卡燃气表的控制模式，对IC卡信息读写、卡类型的识别、数据处理、电压的欠压检测与电源保护以及降低功耗等方面进行了设计。
　　为了保证IC卡信息的安全性，当对插入的卡进行识别之后，发出读写命令字，IC卡芯片接受后，向单片机发出一个应答指令，然后跟随8字节读密码。若密码错误，显示00，重试计数器加1，最多重试5次，否则IC卡清零；若密码正确，显示11，进入写周期。通过串行数据线把IC卡中气量读入MSP430F413的RAM中，最后发停止位；IC卡的气量清零并显示01，这时方可取卡。如果在这之前拔出IC卡，那么此次操作将视为无效。在完成读卡、清零后，将单片机剩余的气量与IC卡中读出的气量相加，把最后结果回存入单片机RAM中，检测电磁阀的启闭情况，如果处于关闭状态，则开启电磁阀。
　　为了保证数据安全，数据保存在MSP430的闪存中，即使断电也能长时间保存。数据保存一般在以下情况下发生：a．计量一定的气量；b．每次购买新的气量时；c．发生异常情况时；d．换电池或是电力不足。后两种情况在异常情况排除或是电力恢复后会立即复制到数据区，保存数据为总用气量、剩余气量、燃气表的各种状态信息。
　　当出现异常情况时，软件设计相应的应对措施。a．电力不足时，关断气阀，报警并液晶显示．b．用户恶意破坏时，关断气阀，报警、记录并显示；c．剩余气量快用完时，提醒用户购气，当气量为0时，关断气阀；d．气阀不能正常关闭时，气量计数照常进行。

3 结语
　　该系统性能稳定，可靠性高，适用范围广，抗干扰能力强。采用低压、低频、静态低功耗的器件，在电路设计上采用了关断技术，对软件也进行了低功耗的设计。这对于我国燃气计量收费制度的改革、金卡工程的深入展开以及节能环保起到很大的促进作用。

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