0?引?言?
??? 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的生產(chǎn)、生活方式都發(fā)生著日新月異的變化，在許多與日常生活緊密相關(guān)的領(lǐng)域，都采用了基于IC卡的管理方式．如今，IC智能卡自動(dòng)電表抄表系統(tǒng)，煤氣、自來水表系統(tǒng)，公交、地鐵自動(dòng)售票檢票系統(tǒng)，移動(dòng)通信手機(jī)中IC智能SIM?卡等，已成為生活的一部分．?
??? 給出一種低功耗智能IC卡冷水表的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)的水表具有水量顯示、水量累計(jì)，電磁閥控制，操作記錄，防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，防拆，欠壓報(bào)警等功能，是一種取代舊式機(jī)械水表且具有推廣應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品．?
1?智能IC卡冷水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)
1．1?智能IC卡冷水表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?
??? 低功耗智能IC卡冷水表，主要由控制單元，輸入單元，輸出單元，?監(jiān)視／存儲(chǔ)單元，執(zhí)行部件組成，其中控制單元采用PIC16F73?E?單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，輸入單元由流量傳感器、SLE4442IC卡、按鍵組成，輸出單元由專用液晶模塊構(gòu)成，監(jiān)視／存儲(chǔ)單元由X5O43和ADS1302實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行部件為低功耗電磁閥，整個(gè)水表結(jié)構(gòu)框圖如圖?1?。
(1)根據(jù)用戶購水量以及消耗情況，執(zhí)行開關(guān)閥動(dòng)作
??? 用戶將購買一定水量的IC卡插入水表卡座時(shí)，水表系統(tǒng)首先自動(dòng)識(shí)別IC卡的有效性，然后讀取卡上的水量數(shù)據(jù)，并自動(dòng)打開電磁閥，進(jìn)行供水，當(dāng)所購水量消耗完畢以后，自動(dòng)關(guān)閥停水．
(2)欠壓報(bào)警?
??? 水表電池電源低于某一閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閥并報(bào)警，提示用戶更換電池．?
(3)提供用戶查看累計(jì)水量，剩余水量，總水量信息?
??? 通過LCD顯示模塊顯示信息，滿足用戶實(shí)際需要．?
(4)加密功能
??? 保證一卡一表，對(duì)IC卡及表內(nèi)信息進(jìn)行加密，避免非法使用．?
(5)防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾?
??? 水表流量傳感器利用干簧管進(jìn)行水量計(jì)數(shù)，為了防止外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾造成水量計(jì)數(shù)失常，設(shè)計(jì)過程中利用雙干簧管防止磁場(chǎng)攻擊．?
(6)防拆功能?
??? 用戶私自拆卸水表，導(dǎo)致水表電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，無法正常用水，同時(shí)記錄用戶的拆卸時(shí)間，以備查驗(yàn)．?
(7)水量消耗計(jì)數(shù)、累計(jì)以及提示功能?
??? 用戶每次充值時(shí)，水表對(duì)總消耗水量自動(dòng)累計(jì)并保存，對(duì)用戶日常生活的水量消耗實(shí)時(shí)記錄．同時(shí)，當(dāng)用戶可用水量低于2?t時(shí)，提示用戶充值，以免給生活帶來不便．?
(8)操作記錄功能?
??? 對(duì)用戶插卡、拆表等操作以及操作時(shí)間進(jìn)行記錄，以備查驗(yàn)．
?
2?智能IC卡冷水表硬件設(shè)計(jì)?
根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)的水表硬件原理圖如圖2，各部分具體介紹如下．
??? IC卡采用西門子SLE4442卡，其接口如圖2?IC卡卡座部分，其中RB2對(duì)應(yīng)IC卡I／O管腳，RBI對(duì)應(yīng)IC卡CLK管腳，RB3對(duì)應(yīng)IC卡RST管腳，L1對(duì)應(yīng)IC卡VCC管腳，RB5為單片機(jī)休眠喚醒信號(hào)，即插卡后喚醒系統(tǒng)讀卡．?
(2)LCD液晶顯示接口?
??? 水表采用專用液晶模塊SMSO7O8PIC16FT3的RAO、RA4、RA2管腳分別與SMS0708的DI、CLK、CS管腳連接，驅(qū)動(dòng)該模塊．?
(3)電磁閥控制?
??? 電磁閥采用可360。旋轉(zhuǎn)的球形低壓電磁閥，它具有開、關(guān)到位自動(dòng)斷電的功能，這樣不僅可以降低系統(tǒng)功耗，而且接口電路設(shè)計(jì)簡單，如圖2電磁閥控制信息部分所示，其中L2為關(guān)閥控制信號(hào)線，L3為開發(fā)控制信號(hào)線．?
(4)脈沖計(jì)數(shù)與防磁功能?
??? 流量檢測(cè)傳感器會(huì)根據(jù)用戶用水情況，觸發(fā)水表干簧管接通或者斷開，形成有效計(jì)數(shù)信號(hào)，引起RB7端口電平變化中斷，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)．
??? 防磁功能通過輔助干簧管實(shí)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾下，輔助干簧管與計(jì)數(shù)干簧管同時(shí)閉合，使得關(guān)閥信號(hào)L2有效，關(guān)閉水表電磁閥，直到磁場(chǎng)消失恢復(fù)正常工作．由于PIC16F73中斷資源有限，計(jì)數(shù)干簧管與輔助干簧管輸出信號(hào)通過或門連接起來，或門輸出直接連接至L2．正常情況下兩個(gè)干簧管先后閉合，不會(huì)導(dǎo)致電磁閥非法關(guān)閉，如有磁場(chǎng)干擾，則它們同時(shí)閉合，電磁閥關(guān)閉．?
(5)欠壓報(bào)警功能?
??? X5043是帶有4K?串行E?zPEOM?的電源監(jiān)視芯片，利用其電源監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)欠壓報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)電源降到設(shè)定電壓(可編程設(shè)定)后，RB4出現(xiàn)電平變化，引起中斷喚醒系統(tǒng)，隨后系統(tǒng)將RC4置為低電平報(bào)警并關(guān)閥，提示用戶更換電池．電路如圖2X5043部分所示，其中RB2為分時(shí)共用管腳．?
(6)時(shí)鐘電路?
??? 操作記錄少不了對(duì)時(shí)間以及日期的記錄，本系統(tǒng)時(shí)間信息的獲取通過低功耗SPI接口的時(shí)鐘日歷芯片DS1302完成，DS1302接口電路部分如圖2，其中RA3、RA5配置為輸出管腳，RA4根據(jù)信息讀寫方式，配置為輸入／輸出管腳．?
(7)防拆功能電路?
??? 系統(tǒng)巧妙的利用了水表被拆前后一些關(guān)鍵部件的位置改變，在其部位放置特制的開關(guān)，利用開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)外部中斷RB0，從而引起系統(tǒng)報(bào)警及操作記錄，電路如圖2防拆開關(guān)部分所示．一旦檢測(cè)到用戶拆表行為，水表就會(huì)停止工作，這種情況下需要專門功能的IC卡，才能使系統(tǒng)恢復(fù)正常．?
(8)水表信息查看功能電路
?
??? 本功能由用戶按鍵開關(guān)和LCD顯示電路構(gòu)成，用戶按鍵觸發(fā)RB6電平變化中斷，喚醒系統(tǒng)，此后用戶每按一下鍵，系統(tǒng)顯示一種信息，直到用戶停止按鍵一段時(shí)間，系統(tǒng)恢復(fù)休眠狀態(tài)．顯示信息包括剩余水量，累計(jì)水量，總水量等．按鍵電路如圖2用戶按鍵部分．?
3?智能IC冷水表軟件設(shè)計(jì)?
??? 應(yīng)用軟件采用前后臺(tái)工作方式，后臺(tái)主程序負(fù)責(zé)對(duì)水表外設(shè)操作請(qǐng)求進(jìn)行處理，在沒有請(qǐng)求操作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，前臺(tái)中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)在有相應(yīng)操作請(qǐng)求時(shí)喚醒主程序，并置位相應(yīng)的操作類型標(biāo)志，以便主程序處理．?
??? IC卡操作包括IC卡驗(yàn)證、水量充值、低水量信息提示解除功能．所謂低水量信息提示，即當(dāng)可用水量低于某一預(yù)設(shè)值時(shí)，水表自動(dòng)關(guān)閥提示用戶充值，以免給生活帶來不變．由于水量未到零，所以允許用戶繼續(xù)使用，此時(shí)只需插卡一次解除提示．IC卡操作會(huì)引起電磁閥狀態(tài)改變．
??? 按鍵顯示功能，根據(jù)按鍵的次數(shù)循環(huán)顯示當(dāng)前剩余水量、累計(jì)消耗水量、總水量信息。用戶每消耗10L水，計(jì)數(shù)操作將水量信息減1，消耗水量加1，并將改變后的信息寫入?．值得注意的是計(jì)數(shù)操會(huì)引起電磁閥狀態(tài)改變．
4?水表的低功耗設(shè)計(jì)
??? IC卡水表使用器件均為低壓、低功耗器件·此外，為了降低系統(tǒng)功耗，主程序進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)只有計(jì)數(shù)操作請(qǐng)求時(shí)，且計(jì)數(shù)后電磁閥狀態(tài)不需要改變，則主程序直接進(jìn)入休眠狀態(tài)．同時(shí)，為了降低用戶長時(shí)間停用水時(shí)，干簧管處于常閉狀態(tài)造成的系統(tǒng)能耗，RB7端口接有1?M上拉電阻．由于水表大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，并且對(duì)操作頻率較高的計(jì)數(shù)操作進(jìn)行了優(yōu)化，整個(gè)系統(tǒng)功耗很低，2節(jié)3?V，2．8?Ah的電池供電，水表工作時(shí)間在10年以上．經(jīng)測(cè)試，水表進(jìn)入休眠狀態(tài)后，在干簧管沒有閉合的情況下消耗電流為1．2?A，在干簧管閉合的情況下消耗電流為13?A；插卡時(shí)消耗電流為1．5?mA；水壓1?MPa時(shí)電磁閥動(dòng)作消耗的電流為50?mA，動(dòng)作時(shí)間約為4?S．
5?結(jié)論?
??? 介紹了一種基于PIC16F73單片機(jī)的低功耗智能IC卡冷水表的實(shí)現(xiàn)方法，該方法實(shí)現(xiàn)的智能冷水表具有水量顯示、水量累計(jì)，電磁閥控制，操作記錄，防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，防拆，欠壓報(bào)警等功能，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試性能指標(biāo)能夠滿足應(yīng)用要求．目前，該方法實(shí)現(xiàn)的水表已投入實(shí)際應(yīng)用，得到用戶的肯定．
??? 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的生產(chǎn)、生活方式都發(fā)生著日新月異的變化，在許多與日常生活緊密相關(guān)的領(lǐng)域，都采用了基于IC卡的管理方式．如今，IC智能卡自動(dòng)電表抄表系統(tǒng)，煤氣、自來水表系統(tǒng)，公交、地鐵自動(dòng)售票檢票系統(tǒng)，移動(dòng)通信手機(jī)中IC智能SIM?卡等，已成為生活的一部分．?
??? 給出一種低功耗智能IC卡冷水表的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)的水表具有水量顯示、水量累計(jì)，電磁閥控制，操作記錄，防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，防拆，欠壓報(bào)警等功能，是一種取代舊式機(jī)械水表且具有推廣應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品．?
1?智能IC卡冷水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)
1．1?智能IC卡冷水表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?
??? 低功耗智能IC卡冷水表，主要由控制單元，輸入單元，輸出單元，?監(jiān)視／存儲(chǔ)單元，執(zhí)行部件組成，其中控制單元采用PIC16F73?E?單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，輸入單元由流量傳感器、SLE4442IC卡、按鍵組成，輸出單元由專用液晶模塊構(gòu)成，監(jiān)視／存儲(chǔ)單元由X5O43和ADS1302實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行部件為低功耗電磁閥，整個(gè)水表結(jié)構(gòu)框圖如圖?1?。
(1)根據(jù)用戶購水量以及消耗情況，執(zhí)行開關(guān)閥動(dòng)作
??? 用戶將購買一定水量的IC卡插入水表卡座時(shí)，水表系統(tǒng)首先自動(dòng)識(shí)別IC卡的有效性，然后讀取卡上的水量數(shù)據(jù)，并自動(dòng)打開電磁閥，進(jìn)行供水，當(dāng)所購水量消耗完畢以后，自動(dòng)關(guān)閥停水．
(2)欠壓報(bào)警?
??? 水表電池電源低于某一閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閥并報(bào)警，提示用戶更換電池．?
(3)提供用戶查看累計(jì)水量，剩余水量，總水量信息?
??? 通過LCD顯示模塊顯示信息，滿足用戶實(shí)際需要．?
(4)加密功能
??? 保證一卡一表，對(duì)IC卡及表內(nèi)信息進(jìn)行加密，避免非法使用．?
(5)防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾?
??? 水表流量傳感器利用干簧管進(jìn)行水量計(jì)數(shù)，為了防止外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾造成水量計(jì)數(shù)失常，設(shè)計(jì)過程中利用雙干簧管防止磁場(chǎng)攻擊．?
(6)防拆功能?
??? 用戶私自拆卸水表，導(dǎo)致水表電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，無法正常用水，同時(shí)記錄用戶的拆卸時(shí)間，以備查驗(yàn)．?
(7)水量消耗計(jì)數(shù)、累計(jì)以及提示功能?
??? 用戶每次充值時(shí)，水表對(duì)總消耗水量自動(dòng)累計(jì)并保存，對(duì)用戶日常生活的水量消耗實(shí)時(shí)記錄．同時(shí)，當(dāng)用戶可用水量低于2?t時(shí)，提示用戶充值，以免給生活帶來不便．?
(8)操作記錄功能?
??? 對(duì)用戶插卡、拆表等操作以及操作時(shí)間進(jìn)行記錄，以備查驗(yàn)．
?
2?智能IC卡冷水表硬件設(shè)計(jì)?
根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)的水表硬件原理圖如圖2，各部分具體介紹如下．
??? IC卡采用西門子SLE4442卡，其接口如圖2?IC卡卡座部分，其中RB2對(duì)應(yīng)IC卡I／O管腳，RBI對(duì)應(yīng)IC卡CLK管腳，RB3對(duì)應(yīng)IC卡RST管腳，L1對(duì)應(yīng)IC卡VCC管腳，RB5為單片機(jī)休眠喚醒信號(hào)，即插卡后喚醒系統(tǒng)讀卡．?
(2)LCD液晶顯示接口?
??? 水表采用專用液晶模塊SMSO7O8PIC16FT3的RAO、RA4、RA2管腳分別與SMS0708的DI、CLK、CS管腳連接，驅(qū)動(dòng)該模塊．?
(3)電磁閥控制?
??? 電磁閥采用可360。旋轉(zhuǎn)的球形低壓電磁閥，它具有開、關(guān)到位自動(dòng)斷電的功能，這樣不僅可以降低系統(tǒng)功耗，而且接口電路設(shè)計(jì)簡單，如圖2電磁閥控制信息部分所示，其中L2為關(guān)閥控制信號(hào)線，L3為開發(fā)控制信號(hào)線．?
(4)脈沖計(jì)數(shù)與防磁功能?
??? 流量檢測(cè)傳感器會(huì)根據(jù)用戶用水情況，觸發(fā)水表干簧管接通或者斷開，形成有效計(jì)數(shù)信號(hào)，引起RB7端口電平變化中斷，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)．
??? 防磁功能通過輔助干簧管實(shí)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾下，輔助干簧管與計(jì)數(shù)干簧管同時(shí)閉合，使得關(guān)閥信號(hào)L2有效，關(guān)閉水表電磁閥，直到磁場(chǎng)消失恢復(fù)正常工作．由于PIC16F73中斷資源有限，計(jì)數(shù)干簧管與輔助干簧管輸出信號(hào)通過或門連接起來，或門輸出直接連接至L2．正常情況下兩個(gè)干簧管先后閉合，不會(huì)導(dǎo)致電磁閥非法關(guān)閉，如有磁場(chǎng)干擾，則它們同時(shí)閉合，電磁閥關(guān)閉．?
(5)欠壓報(bào)警功能?
??? X5043是帶有4K?串行E?zPEOM?的電源監(jiān)視芯片，利用其電源監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)欠壓報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)電源降到設(shè)定電壓(可編程設(shè)定)后，RB4出現(xiàn)電平變化，引起中斷喚醒系統(tǒng)，隨后系統(tǒng)將RC4置為低電平報(bào)警并關(guān)閥，提示用戶更換電池．電路如圖2X5043部分所示，其中RB2為分時(shí)共用管腳．?
(6)時(shí)鐘電路?
??? 操作記錄少不了對(duì)時(shí)間以及日期的記錄，本系統(tǒng)時(shí)間信息的獲取通過低功耗SPI接口的時(shí)鐘日歷芯片DS1302完成，DS1302接口電路部分如圖2，其中RA3、RA5配置為輸出管腳，RA4根據(jù)信息讀寫方式，配置為輸入／輸出管腳．?
(7)防拆功能電路?
??? 系統(tǒng)巧妙的利用了水表被拆前后一些關(guān)鍵部件的位置改變，在其部位放置特制的開關(guān)，利用開關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)外部中斷RB0，從而引起系統(tǒng)報(bào)警及操作記錄，電路如圖2防拆開關(guān)部分所示．一旦檢測(cè)到用戶拆表行為，水表就會(huì)停止工作，這種情況下需要專門功能的IC卡，才能使系統(tǒng)恢復(fù)正常．?
(8)水表信息查看功能電路
?
??? 本功能由用戶按鍵開關(guān)和LCD顯示電路構(gòu)成，用戶按鍵觸發(fā)RB6電平變化中斷，喚醒系統(tǒng)，此后用戶每按一下鍵，系統(tǒng)顯示一種信息，直到用戶停止按鍵一段時(shí)間，系統(tǒng)恢復(fù)休眠狀態(tài)．顯示信息包括剩余水量，累計(jì)水量，總水量等．按鍵電路如圖2用戶按鍵部分．?
3?智能IC冷水表軟件設(shè)計(jì)?
??? 應(yīng)用軟件采用前后臺(tái)工作方式，后臺(tái)主程序負(fù)責(zé)對(duì)水表外設(shè)操作請(qǐng)求進(jìn)行處理，在沒有請(qǐng)求操作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，前臺(tái)中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)在有相應(yīng)操作請(qǐng)求時(shí)喚醒主程序，并置位相應(yīng)的操作類型標(biāo)志，以便主程序處理．?
??? IC卡操作包括IC卡驗(yàn)證、水量充值、低水量信息提示解除功能．所謂低水量信息提示，即當(dāng)可用水量低于某一預(yù)設(shè)值時(shí)，水表自動(dòng)關(guān)閥提示用戶充值，以免給生活帶來不變．由于水量未到零，所以允許用戶繼續(xù)使用，此時(shí)只需插卡一次解除提示．IC卡操作會(huì)引起電磁閥狀態(tài)改變．
??? 按鍵顯示功能，根據(jù)按鍵的次數(shù)循環(huán)顯示當(dāng)前剩余水量、累計(jì)消耗水量、總水量信息。用戶每消耗10L水，計(jì)數(shù)操作將水量信息減1，消耗水量加1，并將改變后的信息寫入?．值得注意的是計(jì)數(shù)操會(huì)引起電磁閥狀態(tài)改變．
4?水表的低功耗設(shè)計(jì)
??? IC卡水表使用器件均為低壓、低功耗器件·此外，為了降低系統(tǒng)功耗，主程序進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)只有計(jì)數(shù)操作請(qǐng)求時(shí)，且計(jì)數(shù)后電磁閥狀態(tài)不需要改變，則主程序直接進(jìn)入休眠狀態(tài)．同時(shí)，為了降低用戶長時(shí)間停用水時(shí)，干簧管處于常閉狀態(tài)造成的系統(tǒng)能耗，RB7端口接有1?M上拉電阻．由于水表大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，并且對(duì)操作頻率較高的計(jì)數(shù)操作進(jìn)行了優(yōu)化，整個(gè)系統(tǒng)功耗很低，2節(jié)3?V，2．8?Ah的電池供電，水表工作時(shí)間在10年以上．經(jīng)測(cè)試，水表進(jìn)入休眠狀態(tài)后，在干簧管沒有閉合的情況下消耗電流為1．2?A，在干簧管閉合的情況下消耗電流為13?A；插卡時(shí)消耗電流為1．5?mA；水壓1?MPa時(shí)電磁閥動(dòng)作消耗的電流為50?mA，動(dòng)作時(shí)間約為4?S．
5?結(jié)論?
??? 介紹了一種基于PIC16F73單片機(jī)的低功耗智能IC卡冷水表的實(shí)現(xiàn)方法，該方法實(shí)現(xiàn)的智能冷水表具有水量顯示、水量累計(jì)，電磁閥控制，操作記錄，防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，防拆，欠壓報(bào)警等功能，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試性能指標(biāo)能夠滿足應(yīng)用要求．目前，該方法實(shí)現(xiàn)的水表已投入實(shí)際應(yīng)用，得到用戶的肯定．
