基于LSD4F8108的IC卡智能水表系統(tǒng)設(shè)計方案

一、智能IC卡預(yù)付費(fèi)水表

1、智能IC卡水表

智能IC卡水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)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?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個很大的進(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進(jìn)行控制，并且自動完成階梯水價的水費(fèi) 計算，同時可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。

2、基本結(jié)構(gòu)原理

IC卡水表的外觀與一般水表的外觀基本相似，其安裝過程也基本相同。IC卡水表的使用很簡單，從用戶的角度看，就時把IC卡卡片向水表里插一下。 IC 卡水表的工作過程一般如下：將含有金額的IC卡片插入水表中的IC卡讀寫器，經(jīng)微機(jī)模塊識別和下載金額后，閥門開啟，用戶可以正常用水。當(dāng)用戶用水時，水量采集裝置開始對用水量進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)換成所需的電子信號供給微機(jī)模塊進(jìn)行計量，并在LCD顯示模塊上顯示出來。當(dāng)用戶的用水金額下降到一定數(shù)值時，微機(jī)模塊進(jìn)行聲音報警，提示用戶應(yīng)該去持卡交費(fèi)購水。如超過用水金額，則微機(jī)模塊會自動將電控閥門關(guān)閉，切斷供水。直至用戶插入已經(jīng)交費(fèi)的IC卡片重新開始開啟閥門進(jìn)行供水。

3、功能用途

智能IC卡預(yù)付費(fèi)水表采用低功耗、高性能單片微機(jī)處理器，配以家用冷水基表，采用于簧管脈沖計數(shù)方式自動計量用戶用水量，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)、后用水”的預(yù)付費(fèi)控制功能。該儀表采用一戶一表一卡，憑卡用水，卡中數(shù)據(jù)輸人表中，水表自動開閥供水，用完后自動關(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(fèi)，避免上門抄表，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水。

二、智能卡水表的工作原理

采用內(nèi)部存儲器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存功能，即使在掉電的情況下，上電后數(shù)據(jù)也能自動恢復(fù)；采用電池管理功能：當(dāng)電源欠壓時、提示報警，更換電池，當(dāng)電壓更低時閥門關(guān)斷，直到系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后自動打開閥門。

管理部門可根據(jù)卡來管理用戶小區(qū)的水表日常維護(hù)，如更換表、解除故障、設(shè)置表內(nèi)參數(shù)（脈沖常數(shù)、最低用量、最大用量）預(yù)裝水量用于調(diào)試水量等。具有當(dāng)閥門異常時（如內(nèi)漏）仍能計量，并在用戶購水充值時扣除這部分用量。采用故障自檢功能：并用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)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清除表中數(shù)據(jù)。

智能卡水表是一種內(nèi)嵌預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)的智能型水表，它以Ic卡安全技術(shù)為核心，配以自動保護(hù)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(shù)均存儲在EPROM芯片內(nèi)，其數(shù)據(jù)可保存10年以上。此外，對IC卡及卡表內(nèi)的信息進(jìn)行加密，使系統(tǒng)不易被仿制和非法使用，Ic智能卡預(yù)付費(fèi)水表系統(tǒng)主要有以下部分組成：CPU單元、LCD顯示、干簧管流量雙脈沖、閥門控制電路、IC卡電路、電源檢測電路、故障報警。

用IC卡實(shí)現(xiàn)表內(nèi)數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換，當(dāng)用戶購水后，IC卡能夠自動將水表結(jié)余水量與本次購水量進(jìn)行累計并液晶顯示、水費(fèi)計算與管理（報警金額、基礎(chǔ)水量、計劃水量），實(shí)現(xiàn)供、停水的控制功能、也進(jìn)行價格充值。當(dāng)用戶將購得的水卡（IC卡）刷入水表時，表內(nèi)系統(tǒng)在確認(rèn)該卡有效后，自動打開閥門，進(jìn)行正常供水。若允許用戶透支，則刷卡恢復(fù)用水直至使用完透支水量后才關(guān)閥。用戶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)信息返寫到購水卡中，以供售水管理系統(tǒng)入庫、查詢。

三、IC卡智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計

1、電源管理

采用3.6 V標(biāo)稱容量：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(tǒng)供電，當(dāng)電池電壓3 V使得系統(tǒng)處于靜態(tài)時，其電流5A時，利用MCU內(nèi)的比較器，以中斷方式喚醒單片機(jī)，及時關(guān)閉水表閥門并保存相應(yīng)數(shù)據(jù)，提示用戶更換電池，低于2.7V關(guān)閥。并以LCD顯示，Ic卡接口電路等的供電在需要操作時才打開，以減小不必要的電流損失。

2、流量檢測

將用水量轉(zhuǎn)換為脈沖信號，采用兩個脈沖傳感器進(jìn)行接收，以防止抖動產(chǎn)生的多計數(shù)現(xiàn)象。通過程序設(shè)計，判斷兩個傳感器是否正常工作，若不正常，則認(rèn)為是外界強(qiáng)磁干擾，關(guān)閉閥門。

3、閥門控制電路

特殊情況下控制水表閥門的開關(guān)，選用飽和壓降為0.2V的三極管8550和8050對管構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路，既可以保證電機(jī)的驅(qū)動電流又可在故障時限制最大電流500 mA.接通3.6 V電源，電機(jī)空載電流25mA±2mA,帶載電流60 mA;用手指觸摸球閥無竄動感；閥門電機(jī)組件上磨合試驗(yàn)臺進(jìn)行電控閥門開關(guān)1000次磨合試驗(yàn)；觀察組件運(yùn)轉(zhuǎn)性能正常（閥門開關(guān)正常、無異常聲音）。

四、驅(qū)動管理系統(tǒng)模塊

驅(qū)動采用MCU內(nèi)置液晶驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動。其管理系統(tǒng)具體分以下模塊：

1、用戶管理模塊

此模塊包括用戶開戶發(fā)卡、補(bǔ)卡、換表、過戶、銷戶以及用戶信息的查詢及修改等。

2、售水業(yè)務(wù)管理模塊

此模塊包括購水交易、買水統(tǒng)計查詢每日結(jié)帳等功能。售水時，系統(tǒng)首先通過密鑰管理體系檢查該卡是否為合法卡，并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息核對，當(dāng)檢查通過后，將用戶的購水量（或購水金額）寫入卡中，更新數(shù)據(jù)庫，并將用戶卡帶回的水表信息一同寫人數(shù)據(jù)庫中。此模塊要求可以對單個用戶的一定時間的購水及用水狀況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計，通過輸入姓名和水表號等用戶個人信息可查詢該用戶的購水、用水情況及水表運(yùn)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(quán)功能、口令修改功能。系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

4、各工具卡制作模塊

此模塊包括制作用戶使用的用戶卡、應(yīng)急購水卡以及工作人員用于認(rèn)證卡、生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)置卡、修改密鑰卡、回收轉(zhuǎn)移卡等設(shè)置卡、恢復(fù)卡、充值卡、換表卡、管理卡、測試卡、用戶卡、限量卡。

5、系統(tǒng)維護(hù)模塊

包括密鑰更新、水價維護(hù)、水表參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫備份及恢復(fù)功能。

6、報表打印模塊

每次操作員進(jìn)行開戶、售水、補(bǔ)卡等操作時，系統(tǒng)將自動打印出交易明細(xì)，另外，操作員也可以自行進(jìn)行單一或綜合統(tǒng)計查詢后，打印出查詢后的生成報表。
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五、LSD4F8108 MCU敘述

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

1、超低功耗

在2.2 V,1 MHz時鐘條件下，其工作電流根據(jù)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(qiáng)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(shù)7種，目的操作數(shù)4種）。片內(nèi)寄存器數(shù)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)）時鐘系統(tǒng)，看門狗，帶有三個捕獲/比較寄存器的l6位定時器（TimerA），片內(nèi)比較器，96段LCD驅(qū)動器，48個通用I/O引腳，并且端口P1和P2具有中斷能力，每個引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸沿、單獨(dú)允許中斷。

4、節(jié)省功耗

采用了FLASH存儲器，低功耗設(shè)計，使得當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)時其電流5A.MCU在智能卡水表中的應(yīng)用采用邏輯加密卡作為預(yù)付費(fèi)卡片、保密性好；具有強(qiáng)大的電源管理系統(tǒng)，工作在3.6 V（鋰電池）時，靜態(tài)工作電流3 A.具有5種節(jié)電模式，掉電電流（RAM數(shù)據(jù)保持）最低可為0.1 A,提供從待機(jī)模式中快速喚醒功能，喚醒時間6s.平時MCU處于低功耗模式3,流量檢測，Ic卡數(shù)據(jù)操作等都以中斷方式喚醒，以節(jié)省功耗。

正因MCU的這些優(yōu)勢，在選擇對Ic卡通信和開發(fā)時，則選用該款芯片。著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位精簡指令結(jié)構(gòu)（RISC）；150ns指令周期；片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和FLASH型存儲器，可在線串行編程；支持c語言和匯編語言。本系統(tǒng)以MCU為核心，內(nèi)置LCD驅(qū)動器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(jiān)控采用理光R3111E（可根據(jù)設(shè)定的門限電壓選擇相應(yīng)的型號）；水表閥門采用2.5 V~6V直流電機(jī)，當(dāng)人為破壞水表或所購買水量低于設(shè)定值時，水表報警并及時關(guān)掉閥門，同時將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部FLASH中；采用MFRC522讀寫芯片讀寫Mifare1$50卡片實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

本設(shè)計利用RC522 UART模式與MCU通信，由于MCU沒有硬件串口，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(shè)計采用模塊化設(shè)計，包括計量功能模塊、電機(jī)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(nèi)部的各種資源，各功能模塊問的時序關(guān)系。本系統(tǒng)的主程序除了用到MCU提供的兩個中斷資源，主要是用查詢方式，查詢從各個口線上來的狀態(tài)標(biāo)志，如電源電壓是否降到允許值以下，有無磁干擾發(fā)生，計數(shù)脈沖是否到來，是否有卡插入等等，再根據(jù)得到的標(biāo)志位做出相應(yīng)的處理。

5、開發(fā)方式簡便高效

MCU具有JTAG接口，可方便的通過JTAG控制器實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試；系統(tǒng)初始化、磁干擾測試、計量處理。這里系統(tǒng)初始化包括對MCU的堆棧、各端口、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置，使CPU能正常工作；系統(tǒng)中的SAM模塊用來存儲數(shù)據(jù)信息及各級密鑰，對SAM模塊初始化是把其中的內(nèi)容讀到MCU內(nèi)存；各測試模塊是測試MCU相應(yīng)的口線狀態(tài)，并置上相應(yīng)的標(biāo)志，為各處理模塊提供判斷的依據(jù)；當(dāng)有計量脈沖到來時，計量處理模塊會對它進(jìn)行計數(shù)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(xiàn)CPU卡和SAM模塊的通信，只有當(dāng)它們之間的認(rèn)證通過時才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對非法刷卡，將禁止操作并給出提示；報警處理模塊用來監(jiān)測電源電壓，一旦電壓降到某一規(guī)定值，就會啟用備用電源，并報警顯示，以提示用戶更換電池。

單片機(jī)接口設(shè)計用125ns指令周期，大部分指令在一個指令周期內(nèi)完成，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內(nèi)含有硬件乘法器，大大節(jié)省運(yùn)算時間。該芯片采用低功耗設(shè)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工作頻率時電流為225A;在待機(jī)模式電流為0.7 IxA;掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持不變）電流為0.1A.所以特別適用長期使用電池工作的場合。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6 Ixs.該芯片具有8KB+256BFlash Memory,256B RAM,采用串行在線編程方式，為用戶編譯程序和控制參數(shù)提供靈活的空間，內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不能非法復(fù)制。

由于考慮到本設(shè)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(jī)芯片，該單片機(jī)芯片在在線系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出與其它單片機(jī)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(yù)付費(fèi)功能“先付費(fèi)后用水”在社會文明發(fā)展到一定高度后，不可能成為水費(fèi)收取唯一的制約手段，同時在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)階段他們應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部為節(jié)約用水控制額定計劃指標(biāo)與實(shí)際用水計量，也有大專院校內(nèi)部為節(jié)約用水，在校住宿學(xué)生宿舍房內(nèi)憑卡用水也采用智能水表來控制，很少使用在社會上直接對居民供水實(shí)施預(yù)付費(fèi)后用水的智能水表，也不主張推行先收費(fèi)后用水，對他們來說這個問題是關(guān)系到對喝水人的“人權(quán)”問題，沒有錢的人，喝水仍然是他們生存的權(quán)利，所以不推行這種措施。我國自建國以來對居民家庭有供水、供電、供氣的那一天開始，就實(shí)行先用后付費(fèi)的程序規(guī)律。

目前改變先付費(fèi)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(fèi)的規(guī)律，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(fèi)的規(guī)律，也不會造成水費(fèi)拖欠的社會問題，所以說社會文明進(jìn)步了，這種預(yù)付費(fèi)的措施不是理想的措施。所以目前智能卡式水表的預(yù)付費(fèi)形式逐步轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)傳、自動抄讀系統(tǒng)的方向發(fā)展。

再由于卡式水表在使用過程中，除了由用戶主動報修或再次進(jìn)行購水充值時可以將該水表的運(yùn)行信息傳遞給系統(tǒng)信息中心外，管理人員必須到達(dá)安裝水表的現(xiàn)場才能知道該水表的運(yùn)行情況。如水表倒轉(zhuǎn)、充值的水量用完后水表不能自動關(guān)閉閥門、甚至有用戶拆除水表直接用水等情況，只有管理人員到達(dá)安裝水表的現(xiàn)場才能知道。所以，各種卡式水表在使用過程中，管理部門不能隨時掌握水表的運(yùn)行情況，必須配備一定的人員定期到安裝水表的現(xiàn)場輪回巡查，否則，水表的故障、以及缺失的水量是無法知道的。所以，遠(yuǎn)傳、自動抄讀系統(tǒng)技術(shù)是智能水表發(fā)展的一個方向。

我們曾經(jīng)對多個工業(yè)發(fā)達(dá)國家的預(yù)付費(fèi)水表使用情況調(diào)研，如美、德、法、意、澳大利亞等，他們在水表智能化數(shù)據(jù)采集方面有很多自動抄表系統(tǒng)，有遠(yuǎn)傳、遙感、采集和集中采集不等，智能水表自動抄讀功能在工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別是美國應(yīng)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。智能水表自動抄讀功能已大量的應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部為節(jié)約用水控制額定計劃指標(biāo)與實(shí)際用水計量，也有大專院校內(nèi)部為節(jié)約用水，在校住宿學(xué)生宿舍房也采用智能水表自動抄讀系統(tǒng)來控制。

七、總結(jié)

由于開發(fā)的體積小、高度集成的表閥一體化IC卡智能水表，以達(dá)到可以精確測量水量和控制用水的目的，開發(fā)過程中可以看出FLASH單片機(jī)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來開發(fā)智能卡表的程序，在Ic卡水、氣、暖表的應(yīng)用上具有廣闊前景。本文介紹的軟硬件設(shè)計已通過實(shí)際運(yùn)行，效果良好。