摘要 探讨预付费智能冷水水表设计中的关键技术,通过与IC卡进行比较,确定应用Dallas公司的iButton信息纽扣TM卡作为预付费充值存储卡。对TM卡读写方法与信息保密机制、控制器软硬件设计、最小功耗设计与电池长寿供电方法等多方面技术进行整合,设计机电一体化系统。在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性等方面都取得良好性能。

关键词 预付费 冷水水表 最小功耗设计 iButton信息纽扣

引言

　　智能水表是一种涉及到多方面技术整合的机电一体化系统,在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性等方面都有严格的性能要求。目前,国内企业与研究机构主要致力于远传表有线水表网络和IC卡预付费智能卡无线水表网络方面的研究开发。远传表有线网络系统需要配套的远传通信网络支持,其初期投资大,因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网;而后者的网络服务可由银行的金融网络提供,应用储值卡作为网络传输介质,可容易地组建城域网,不但适用于新建住宅小区,还可在旧水网系统改造中发挥极大作用,特别适合我国现阶段的国情。目前,预付费智能水表主要采用IC卡,在信息保密性与防盗用性能方面存在明显不足。本文研究应用Dallas公司的TM卡半导体信息纽扣作为充值存储介质,构建预付费智能卡式冷水水表,在基表上附加计量控制器和管道开闭控制阀门,实现预付费智能卡式水表的设计。

1  TM卡信息纽扣应用研究

1.1  TM卡信息纽扣简介

　　作为一种便携式信息载体,Dallas公司的iButton信息纽扣[1]可靠安全,特别适宜作为预付费充值载体。它采用直径17 mm、厚3~6 mm的纽扣状不锈钢外壳封装,内部由I/O处理器和存储器两个基本部分组成,其内部结构如图1所示。作为一种新颖的智能化信息载体,iButton信息纽扣采用接触式存取方式的存储器（Touch Memory,简称TM卡）,以1-Wire规范作为通信协议,其外壳为信号地,用1根数据线按照特定的时序要求由数据线逐位与外界交换数据。与微处理器的典型接口电路如图2所示,当外部上拉引线接触到其信号线时,可自动发出下拉报到脉冲,存取操作极为方便。

　　笔者在TM卡智能预付费冷水水表项目研究中,通过对IC卡、TM卡的存储数据格式、保密性能以及耐用性等多方面性能进行比对研究,最终选定TM卡作为水表智能信息存储介质。TM卡采用不锈钢外壳封装,无易损部件或易腐部件,具有携带方便、抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠等显著特点,适用于恶劣的环境。1-Wire通信协议使得TM卡存取数据极为方便,与触头轻轻一碰,瞬间即可完成数据信息的读写操作;其完善的保密存取方式,确保数据信息具有相当高的安全可靠性。TM卡与普通IC卡的性能比较如表1所列。

图1  内部结构

图2  典型接口

表1  TM卡与IC卡的性能比较

1.2  1-Wire通信协议与读写控制程序设计

　　TM卡内部包含有3个独立的64字节数据存储区和1个64字节读写缓冲区,每个数据存储区均由8字节ID身份码、8字节PASSWORD和48字节NV RAM数据区构成。TM卡的1-Wire通信协议以 15 μs低电平脉冲表示数据"1",以60μs低电平脉冲表示数据"0"。内部工作过程可描述为：首先,由微机主动向TM卡发测试脉冲,以识别TM卡是否已与其触头接触,若已正确连接,可接收到TM卡发来的应答脉冲,表示可以进入数据通信过程。这时,微机先发操作TM卡的ROM区的指令,如读ROM区数据指令、匹配操作指令、搜寻操作指令等,这些指令被TM卡接受并执行。然后,发操作TM卡的NV RAM区数据的指令,如读写NV RAM区数据指令、读写或复制读写缓冲区数据的指令等。TM卡的读写时序可分为测试连接与应答、从TM卡读取数据和向TM卡写入数据3种类型。

　　笔者在项目研发中重点研究了TM卡的信息存储机理,并研究获得了一个性能优良的密码保护模式,确保了一表一卡对应。我们根据研究获得的信息存储模式编制了存取可靠安全的TM卡读写控制程序模块。水表控制器1-Wire读写模块采用MCS-51汇编语言,按TM卡通信协议编制。管理PC机的读写控制程序采用Visual C++6.0编写。应用软件开发过程中,对TM卡进行数据读写的过程需要遵循其工作机理和时序要求,具体包括：

　　①  测试连接及应答。微机发测试负脉冲给TM卡,查询TM卡是否已与触头正确连接。若与触头连接良好,TM卡则将数据线拉低,产生应答负脉冲。如果微机检测到这个应答脉冲,就可以进行数据读写操作了。

　　②  从TM卡读取数据。微机先向TM卡发1个读负脉冲,TM卡接收该脉冲后立即将被读取位的内容送至数据线上,微机从数据线上获得数据。若数据线在TM卡的采样时区内维持高电平,则读取值为"１";否则,为"０"。最后,TM卡释放数据线,数据线恢复为高电平,为微机继续从TM卡读取数据位作好准备。

　　③  将数据写入TM卡。与读取数据类似,微机向TM卡发1个写负脉冲,然后开始写数据。微机维持数据线低电平特定时间,再恢复为高电平,则表明写入"０";微机发出写负脉冲后立即将数据线拉高并维持特定时间,则表明写入"１"。完成数据写入后,数据线恢复为高电平,为微机继续向TM卡写入数据位作好准备。

2  TM卡预付费智能冷水水表设计

　　TM卡预付费智能冷水水表由基表、SCP微处理器系统、LCD显示驱动电路、电动陶瓷阀门及其控制电路、刷卡电路等部分组成。采用符合ISO4064B标准的CDTAR系列单流旋翼式冷水水表作为基表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动,可将用水量转换成电信号输出;表内设有磁保护装置,具有较强的抗外磁干扰能力。设计过程中重点对水表整机功耗、成本、体积、重量、外观等方面进行优化研究;水表控制器设计中采用了I2C总线、最小功耗设计、表面贴装技术专门定制LCD液晶驱动器模块以及产品造型设计等多项先进技术,完成嵌入式机电系统优化设计。

2.1  微控制器系统设计

　　使用的微控制器P87LPC76X属于MCS-51兼容型[2],与标准51单片机相比,尽管只有20引脚,却提供了I2C通信总线、灌电流达到20 mA的18条 I/O口线、1个WDT看门狗定时器。它具有许多独特的功能,特别适用于设计高集成度、低成本、低功耗的智能设备。本项目充分利用这些资源,扩展了I2C接口EEPROM、时钟芯片电路、LCD显示驱动电路,完成高集成化系统扩展设计。控制器硬件框图如图3所示。

图3  控制器硬件框图

2.2  水表控制器程序设计

　　P87LPC76X单片机检测到用户按键后,通过TM卡读写电路读入用户购买的水量,并保存到数据保存器EEPROM中,同时液晶显示模块显示用户购买的水量及表中剩余的水量。阀门驱动检测电路检测阀门开关状态,打开阀门,用户可以正常用水。水表每10升发1个计量脉冲,MCU通过计量检测电路检测到水表发来的脉冲后,从数据保存器EEPROM中保存的剩余水量中减去10升。当剩余水量为提示性关阀水量时,MCU通过阀门驱动检测电路关闭阀门。用户按键后控制电路打开阀门, 恢复供水,当剩余水量为预设值（通常为零吨）时彻底关阀。整表工作状态检测电路主要实现整个控制电路的电池供电电压的检测、磁干扰检测、TM卡读写电路异常检测、阀门开闭异常检测等,并将整表工作状态信息保存到数据保存电路中,同时还写到TM卡中,以便于收费管理软件在读写用户TM卡时能及时了解用户水表的工作状态。用户在任何时候都可以按键,通过液晶显示用水情况及水表工作状态。程序流程如图4所示。

图4  控制器程序流程图

2.3  电池长寿供电与最小功耗设计

　　智能水表作为一种新型换代产品,必须具备良好的免维护性能,其设计目标应为在规定整机寿命内,需要用户进行的相关操作越少越好。本设计采用以下技术措施,彻底解决了目前各类IC卡预付费水表均未能突破的电池供电最小功耗设计这一难题,整机待机电流只有18～40μA。

　　①  应用P87LPC76X单片机的节电模式,降低控制器功耗。CDTAR基表每10升发1个计量脉冲,若设用户每月充值1次,若再设计LCD显示器只在用户按键后显示一段时间后自动关闭,这意味着控制器只在极小的时间片内进行流量检测、读写TM卡和显示操作,控制器在绝大部分时间片内可以处于待机状态。P87LPC76X单片机支持掉电模式,掉电工作电流仅1μA。控制程序设计中,P87LPC76X单片机自检后即将PCON 寄存器内PD位置"1",进入掉电模式,以TM卡插卡中断、按键中断、流量脉冲中断、WDT定时中断（对应程序跑飞出错等故障）作为唤醒P87LPC76X的动作,P87LPC76X处理完相应中断服务后再次进入掉电模式。经测试发现,采用这一方式可使P87LPC76X以极低的平均电流实现对系统的控制操作。

　　②  合理完善的接口电路低功耗优化措施,降低整机功耗。P87LPC76X进入掉电模式后,外围接口电路的功率消耗不可忽视。本设计中的外围接口电路主要有：EEPROM、LCD显示驱动、日历时钟、流量脉冲检测电路、阀门开闭控制电路等。为减小电流消耗,需对电路进行反复精简优化,采用的措施包括：应用I2C总线设计外围接口,降低功耗;尽量由P87LPC76X的I/O口线提供外围芯片供电或片选端控制;门电路使用CMOS电路;上拉电路采用小电流结构。

　　③  灵巧合理的电动陶瓷阀门,降低控制执行机构耗能。自行开发了DC2.7～3.6 V电池供电陶瓷电动阀门,其机械结构灵巧合理,动作电流仅120 mA。设计独特的阀门开闭状态位置检测机构既保证了动作可靠性,也可避免无谓的电池能量损失。

　　④  严密完善的电池寿命测算,保证长寿供电。设计中,我们选取武汉力兴14505M DC3.6V/3Ah功率型锂电池。该电池具有自放电电流小、瞬时电流大等优点,符合系统长寿供电要求。

结束语

　　三表（电表、水表、煤气表）智能网络工程是我国重点支持的新兴高技术产业,《中国住宅产品发展纲要》等国家建设部和科委的若干文件中都明确对三表提出了智能化、网络化要求。开发可靠价廉、易于推广应用的预付费智能卡式水表及其网络系统是今后智能水表行业的主要产业发展方向。本文介绍的基于TM卡的预付费智能冷水水表已通过江苏省质量技术监督局的样机试验检测。该表计量范围为0~99 999.99 M3,单电池工作寿命6～10年,工作稳定可靠,数据保密性强,具有良好的抗外力敲击、外磁干扰等恶性盗用能力。各项技术指标符合GB/T778.1.2.3-96《冷水水表》国家标准和CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》行业标准的要求。

参考文献

1  Dallas Semiconductor Corporation. Book of DS19xx iButton Standards. http://www.ibutton.com
2  周立功, 陈智红. P87LPC76X OTP单片机使用指南. 广州周立功单片机发展有限公司, 1999