一项基于LSD4F8 108的IC卡智能水表设计方案

来源：中国一卡通网  作者：中国一卡通收录  发布时间：2012-03-20 09:34:21  字体:[大 中 小]

关键字：IC卡水表  智能IC卡  流量采集  

摘   要：　　智能IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。这与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。智能IC卡水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费 计算，同时可以进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。

　　5、系统维护模块

　　包括密钥更新、水价维护、水表参数维护、数据库备份及恢复功能。

　　6、报表打印模块

　　每次操作员进行开户、售水、补卡等操作时，系统将自动打印出交易明细，另外，操作员也可以自行进行单一或综合统计查询后，打印出查询后的生成报表。

　　五、LSD4F8108 MCU叙述

　　MCU具有高速度，充分利用了内部的硬件资源：8K的Flash、16位RISC指令集、l6位定时器、24×4段的液晶驱动模块和比较器模块。并具有以下一些特点：

　　1、超低功耗

　　在2.2 V,1 MHz时钟条件下，其工作电流根据工作模式的不同在0.1 A~300 A之间，其工作电压范围为1.8 V~3.6V.

　　2、处理能力强大

　　采用RISC指令集，核心指令27条，并具有丰富的寻址方式（源操作数7种，目的操作数4种）。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法。

　　3、片上外围模块丰富

　　它具有FIJIJ+（频率锁相环）时钟系统，看门狗，带有三个捕获/比较寄存器的l6位定时器（TimerA），片内比较器，96段LCD驱动器，48个通用I/O引脚，并且端口P1和P2具有中断能力，每个引脚都可以单独选择中断触沿、单独允许中断。

　　4、节省功耗

　　采用了FLASH存储器，低功耗设计，使得当系统处于静态时其电流<5A.MCU在智能卡水表中的应用采用逻辑加密卡作为预付费卡片、保密性好；具有强大的电源管理系统，工作在3.6 V（锂电池）时，静态工作电流<3 A.具有5种节电模式，掉电电流（RAM数据保持）最低可为0.1 A,提供从待机模式中快速唤醒功能，唤醒时间<6s.平时MCU处于低功耗模式3,流量检测，Ic卡数据操作等都以中断方式唤醒，以节省功耗。

　　正因MCU的这些优势，在选择对Ic卡通信和开发时，则选用该款芯片。着眼于安全性和降低功耗方面，MCU性能特点如下：低工作电压（1.8 V~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗电仅为0.1 IxA）；16位精简指令结构（RISC）；150ns指令周期；片内有JTAG调试接口和FLASH型存储器，可在线串行编程；支持c语言和汇编语言。本系统以MCU为核心，内置LCD驱动器24×4段，可减小体积、降低成本，在休眠模式下典型电流仅0.7IxA;电源监控采用理光R3111E（可根据设定的门限电压选择相应的型号）；水表阀门采用2.5 V~6V直流电机，当人为破坏水表或所购买水量低于设定值时，水表报警并及时关掉阀门，同时将数据保存在内部FLASH中；采用MFRC522读写芯片读写Mifare1$50卡片实现预付费功能。

　　本设计利用RC522 UART模式与MCU通信，由于MCU没有硬件串口，故需使用TIMERA模拟串口。对于MCU而言，P1.0口（TimerA捕获/比较输出口）是UART的TX,P1.1（TimerA捕获/比较输出口）是UART的RX.智能卡水表的软件设计采用模块化设计，包括计量功能模块、电机控制模块、防磁干扰模块、Ic卡处理模块、Ic卡和ESAM通信模块、报警模块、电源掉电模块、阀门控制模块和显示模块等。

　　由于涉及的功能较多，要分配好CPU内部的各种资源，各功能模块问的时序关系。本系统的主程序除了用到MCU提供的两个中断资源，主要是用查询方式，查询从各个口线上来的状态标志，如电源电压是否降到允许值以下，有无磁干扰发生，计数脉冲是否到来，是否有卡插入等等，再根据得到的标志位做出相应的处理。

　　5、开发方式简便高效

　　MCU具有JTAG接口，可方便的通过JTAG控制器实现程序的下载和调试；系统初始化、磁干扰测试、计量处理。这里系统初始化包括对MCU的堆栈、各端口、中断、LCD控制寄存器的设置，使CPU能正常工作；系统中的SAM模块用来存储数据信息及各级密钥，对SAM模块初始化是把其中的内容读到MCU内存；各测试模块是测试MCU相应的口线状态，并置上相应的标志，为各处理模块提供判断的依据；当有计量脉冲到来时，计量处理模块会对它进行计数处理，该模块还具有软件抗干扰功能，以防止对计量脉冲的误计；卡处理模块实现CPU卡和SAM模块的通信，只有当它们之间的认证通过时才能进行数据交换，对非法刷卡，将禁止操作并给出提示；报警处理模块用来监测电源电压，一旦电压降到某一规定值，就会启用备用电源，并报警显示，以提示用户更换电池。

　　单片机接口设计用125ns指令周期，大部分指令在一个指令周期内完成，16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率，而且片内含有硬件乘法器，大大节省运算时间。该芯片采用低功耗设计，具有五种低功耗模式，供电电压范围为1.8V~3.6 V,在工作模式下：2.2 V工作电压1 MHz工作频率时电流为225A;在待机模式电流为0.7 IxA;掉电模式（RAM数据保持不变）电流为0.1A.所以特别适用长期使用电池工作的场合。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6 Ixs.该芯片具有8KB+256BFlash Memory,256B RAM,采用串行在线编程方式，为用户编译程序和控制参数提供灵活的空间，内部的安全保密熔丝可使程序不能非法复制。

　　由于考虑到本设计低功耗，小体积，液晶显示，按键编址等要求，所以选用了单片机芯片，该单片机芯片在在线系统设计、开发调试及实际应用上都表现出与其它单片机非常明显的优势。

　　六、智能水表发展方向分析

　　智能卡式水表预付费功能“先付费后用水”在社会文明发展到一定高度后，不可能成为水费收取唯一的制约手段，同时在工业发达国家的现阶段他们应用在企业内部为节约用水控制额定计划指标与实际用水计量，也有大专院校内部为节约用水，在校住宿学生宿舍房内凭卡用水也采用智能水表来控制，很少使用在社会上直接对居民供水实施预付费后用水的智能水表，也不主张推行先收费后用水，对他们来说这个问题是关系到对喝水人的“人权”问题，没有钱的人，喝水仍然是他们生存的权利，所以不推行这种措施。我国自建国以来对居民家庭有供水、供电、供气的那一天开始，就实行先用后付费的程序规律。

　　目前改变先付费后用水，本身是对居民心里的一种抵触。况且，目前的供电、供气仍然保持先用后付费的规律，经济发达了，居民生活水平高了，人们的思想境界也提升了，先用水后付费的规律，也不会造成水费拖欠的社会问题，所以说社会文明进步了，这种预付费的措施不是理想的措施。所以目前智能卡式水表的预付费形式逐步转向远传、自动抄读系统的方向发展。

　　再由于卡式水表在使用过程中，除了由用户主动报修或再次进行购水充值时可以将该水表的运行信息传递给系统信息中心外，管理人员必须到达安装水表的现场才能知道该水表的运行情况。如水表倒转、充值的水量用完后水表不能自动关闭阀门、甚至有用户拆除水表直接用水等情况，只有管理人员到达安装水表的现场才能知道。所以，各种卡式水表在使用过程中，管理部门不能随时掌握水表的运行情况，必须配备一定的人员定期到安装水表的现场轮回巡查，否则，水表的故障、以及缺失的水量是无法知道的。所以，远传、自动抄读系统技术是智能水表发展的一个方向。

　　我们曾经对多个工业发达国家的预付费水表使用情况调研，如美、德、法、意、澳大利亚等，他们在水表智能化数据采集方面有很多自动抄表系统，有远传、遥感、采集和集中采集不等，智能水表自动抄读功能在工业发达国家特别是美国应用得较多，如德克萨斯州、维基尼亚州、科罗拉多州、威斯康星州等已经很普及。智能水表自动抄读功能已大量的应用在企业内部为节约用水控制额定计划指标与实际用水计量，也有大专院校内部为节约用水，在校住宿学生宿舍房也采用智能水表自动抄读系统来控制。

　　七、总结

　　由于开发的体积小、高度集成的表阀一体化IC卡智能水表，以达到可以精确测量水量和控制用水的目的，开发过程中可以看出FLASH单片机功能全面，使用方便，MCU低功耗、低电压、高速度等特性，很适合用于采用电池供电的工作，用LSD4F8108MCU来开发智能卡表的程序，在Ic卡水、气、暖表的应用上具有广阔前景。本文介绍的软硬件设计已通过实际运行，效果良好。

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