關(guān)鍵詞：預(yù)付費(fèi) 冷水水表 最小功耗設(shè) 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(jī)電一體化系統(tǒng)，在計量控制精度、功耗、數(shù)據(jù)保密性、動作可靠性等方面都有嚴(yán)格的性能要求。目前，國內(nèi)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)主要致力于遠(yuǎn)傳表有線水表網(wǎng)絡(luò)和IC卡預(yù)付費(fèi)智能卡無線水表網(wǎng)絡(luò)方面的研究開發(fā)。遠(yuǎn)傳表有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要配套的遠(yuǎn)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(qū)組成相對獨(dú)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(yīng)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(qū)，還可在舊水網(wǎng)系統(tǒng)改造中發(fā)揮極大作用，特別適合我國現(xiàn)階段的國情。目前，預(yù)付費(fèi)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(yīng)用Dallas公司的TM卡半導(dǎo)體信息紐扣作為充值存儲介質(zhì)，構(gòu)建預(yù)付費(fèi)智能卡式冷水表，在基表上附加計量控制器和管道開閉控制閥門，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)智能卡式水表的設(shè)計。

1 TM卡信息紐扣應(yīng)用研究

1.1 TM卡信息紐扣簡介

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(yù)付費(fèi)充值載體。它采直徑17mm、厚3～6mm的紐扣狀不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部由I/O處理器和存儲器兩個基本部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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，簡稱TM卡），以1-Wire規(guī)范作為通信協(xié)議，其外殼為信號址，用1根數(shù)據(jù)線按特定的時序要求由數(shù)據(jù)線逐位與外界交換數(shù)據(jù)。與微處理器的典型接口電路如圖2所示，當(dāng)外部上位引線接觸到其信號線時，可自動發(fā)出下拉報到脈沖，存取操作極為方便。

筆者在TM卡智能預(yù)付費(fèi)冷水水表項(xiàng)目研究中，通過對IC卡、TM卡的存儲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)極為方便，與觸頭輕輕一碰，瞬間即可完成數(shù)據(jù)信息的讀寫操作；其完善的保密存取方式，確保數(shù)據(jù)信息具有相當(dāng)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，彎曲會損壞芯片，開放的引腳裸露，容易磨損導(dǎo)致接觸不良，18個月左右壽命
識別成功率 100% 需要一定的刷卡技巧
使用方便性 瞬間接觸，無需對準(zhǔn) 4個不同插卡方向，性只有1個方向是正確的
安全性 具有全球唯一的、不可復(fù)制的光記得序列號，同時提供64位密碼保護(hù) 單純依靠軟件密碼保護(hù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，且密碼位數(shù)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(hù)

1.2 1-Wire通信協(xié)議與讀寫控制程序設(shè)計

TM卡內(nèi)部包含有3個獨(dú)立的64字節(jié)數(shù)據(jù)存儲區(qū)和1個64字節(jié)讀寫緩沖區(qū)，每個數(shù)據(jù)存儲區(qū)均由8字節(jié)ID身份碼、8字節(jié)PASSWORD和48字節(jié)NVRAM數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成。TM卡的1-Wire通信協(xié)議以15μs低電平脈沖表示數(shù)據(jù)“1”，以60μs低電平脈沖表示數(shù)據(jù)“0”。內(nèi)部工作過程可描述為：首先，由微機(jī)主動向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(xù)，可接收到TM卡發(fā)來的應(yīng)答脈沖，表示可以進(jìn)入數(shù)據(jù)通信過程。這時，微機(jī)先發(fā)操作TM卡的ROM區(qū)的指令，如讀ROM區(qū)數(shù)據(jù)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(zhí)行。然后，發(fā)操作TM卡的NV RAM區(qū)數(shù)據(jù)的指令，如讀寫NV RAM區(qū)數(shù)據(jù)指令、讀寫或復(fù)制讀寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的指令等。TM卡的讀寫時序可分為測試連接與應(yīng)答、從TM卡讀取數(shù)據(jù)和向TM卡寫入數(shù)據(jù)3種類型。

筆者在項(xiàng)目研發(fā)中重點(diǎn)研究了TM卡的信息存儲機(jī)理，并研究獲得了一個性能優(yōu)良的密碼保護(hù)模式，確保了一表一卡對應(yīng)。我們根據(jù)研究獲得的信息存儲模式維制了存取可靠安全的TM卡讀寫控制程序模塊。水表控制器1-Wire讀寫模塊采用MCS-51匯編語言，按TM卡通信協(xié)議編制。管理PC機(jī)的讀寫控制程序采用Visual C++6.0編寫。應(yīng)用軟件開發(fā)過程中，對TM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的過程需要遵循其工作機(jī)理和時序要求，具體包括：①測試連接及應(yīng)答。微機(jī)發(fā)測試負(fù)脈沖給TM卡，查詢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(shù)據(jù)線拉低，產(chǎn)生應(yīng)答負(fù)脈沖。如果微機(jī)檢測到這個應(yīng)答脈沖，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作了。

②從TM卡讀取數(shù)據(jù)。微機(jī)先向TM卡發(fā)1個讀負(fù)脈沖，TM卡接收該脈沖后立即將被讀取位的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)線上，微機(jī)從數(shù)據(jù)線上獲得數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)線在TM卡的采樣時區(qū)內(nèi)維持高電平，則讀取值為“1”；否則，為“0”。最后，TM卡釋放數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線恢復(fù)為高電平，為微機(jī)繼續(xù)從TM卡讀取數(shù)據(jù)位作好準(zhǔn)備。

③將數(shù)據(jù)寫入TM卡。與讀取數(shù)據(jù)類似，微機(jī)向TM卡發(fā)1個寫負(fù)脈沖，然后開始寫數(shù)據(jù)。微機(jī)維持?jǐn)?shù)據(jù)線低電平特定時間，再恢復(fù)為高電平，則表明寫入“0”；微機(jī)發(fā)出寫負(fù)脈沖后立即將數(shù)據(jù)線拉高并維持特定時間，則表明寫入“1”。完成數(shù)據(jù)寫入后，數(shù)據(jù)線恢復(fù)為高電平，為微機(jī)繼續(xù)向TM卡寫入數(shù)據(jù)位作好準(zhǔn)備。

2 TM卡預(yù)付費(fèi)智能冷水水表設(shè)計

TM卡預(yù)付費(fèi)智能冷水水表由基表、SCP微處理器系統(tǒng)、LCD顯示驅(qū)動電路、電動陶瓷閥門及其控制電路、刷卡電路等部分組成。采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的CDTAR系列單流旋翼式冷水水表作為基表。該表計數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動，可將用水量轉(zhuǎn)換成電信號輸出；表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。設(shè)計過程中重點(diǎn)對水表整機(jī)功耗、成本、體積、重量、外觀等方面進(jìn)行優(yōu)化研究；水表控制器設(shè)計中采用了I2C總線、最小功耗設(shè)計、表面貼裝技術(shù)專門定制LCD液晶驅(qū)動器模塊以及產(chǎn)品造型設(shè)計等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，完成嵌入式機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

2.1 微控制器系統(tǒng)設(shè)計

使用的微控制器P87LPC76X屬于MCS-51兼容型[2]，與標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)相比，盡管只有20引腳，卻提供了I2C通信總線、灌電流達(dá)到20mA的18條I/O口線、1個WDT看門狗定時器。它具有許多獨(dú)特的功能，特別適用于設(shè)計高集成度、低成本、低功耗的智能設(shè)備。本項(xiàng)目充分利用這些資源，擴(kuò)展了I2C接口EEPROM、時鐘芯片電路、LCD顯示驅(qū)動電路，完成高集成化系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計。控制器硬件框圖如圖3所示。

2.2 水表控制器程序設(shè)計

P87LPC76X單片機(jī)檢測到用戶按鍵后，通過TM卡讀寫電路讀入用戶購買的水量，并保存到數(shù)據(jù)保存器EEPROM中，同時液晶顯示模塊顯示用戶購買的水量及表中剩余的水量。閥門驅(qū)動檢測電路檢測閥門開關(guān)狀態(tài)，打開閥門，用戶可以正常用水。水表每10升發(fā)1個計量脈沖，MCU通過計量檢測電表每10升發(fā)1個計量脈沖，MCU通過計量檢測電路檢測到水表發(fā)來的脈沖后，從數(shù)據(jù)保存器EEPROM中保存的剩余水量中減去10升。當(dāng)剩余水量為提示性關(guān)閥水量時，MCU通過閥門驅(qū)動檢測電路關(guān)閉閥門。用戶按鍵后控制電路打開閥門，恢復(fù)供水，當(dāng)剩余水量為預(yù)設(shè)值（通常為零噸）時徹底關(guān)閥。整表工作狀態(tài)檢測電路主要實(shí)現(xiàn)整個控制電路的電池供電電壓的檢測、磁干擾檢測、TM卡讀寫電路異常檢測、閥門開閉異常檢測等，并將整表工作狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)保存電路中，同時還寫到TM卡中，以便于收費(fèi)管理軟件在讀寫用戶TM卡時能及時了解用戶水表的工作狀態(tài)。用戶在任何時候都可以按鍵，通過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.