基于MSP430單片機的智能IC卡水表控制器

摘要：介紹了一種以MSP430單片機為控制核心的IC卡水表控制器的設(shè)計方案。將微控制器和4442卡技術(shù)、I2C總線技術(shù)、流量計量技術(shù)及低壓檢測技術(shù)等相結(jié)合，實現(xiàn)了水表管理的高效率和智能化。詳細(xì)介紹了該控制器的基本結(jié)構(gòu)及各模塊的軟硬件設(shè)計原理。樣機試驗表明該智能水表控制器具有功能完善、計量準(zhǔn)確及通信可靠等特點。
關(guān)鍵詞：IC卡水表；4442卡；I2C總線；MSP430

0 引言
隨著IC卡應(yīng)用的普及，利用IC卡實現(xiàn)“預(yù)付費方式”的水費管理成為可能。目前的電子水表按照抄表的方式主要可以分為網(wǎng)絡(luò)式和分立式。由于在某些場合需要對舊的水表系統(tǒng)改造，如果采用網(wǎng)絡(luò)式抄表方式需要進行抄表線路的鋪設(shè)，這給施工帶來很大的問題。而分立式的IC卡水表收費系統(tǒng)則無需考慮這一問題，這為管理部門和用戶提供了極大的便利。

1 硬件電路設(shè)計
本控制器以MSP430單片機為控制核心。MSP430系列單片機是美國TI公司從1996年開始推向市場的一種16位RISC架構(gòu)、超低功耗的混合信號處理器。電源采用1．8～3．6 V低電壓、RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0．1μA，活動模式下耗電250μA／MIPS，IO口漏電流僅為50 nA(一般單片機為1～10μA)。非常適合水、燃?xì)狻?、電表等電池供電設(shè)備的設(shè)計。單片機系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)整體電路方案如圖2所示。

1．1 IC卡接口部分電路設(shè)計
利用德國西門子SLE 4442卡與單片機進行通信，來完成對水表的控制、用戶充值和查看水量等功能。IC卡接口電路便是IC卡與單片機連接的樞紐。本設(shè)計可兼容4442卡和T5557卡兩種卡片。電路預(yù)留了單片機與IC卡的接口?？筛鶕?jù)設(shè)計需要靈活選擇卡片種類。SLE4442卡遵循I2C協(xié)議，讀寫時序與I2C相類似。
一般說來，IC卡只要直接和單片機相連即可以應(yīng)用，但是為了使設(shè)計更加穩(wěn)定，在IC卡與單片機之間增加一些電阻以達到保護的目的。另外IO口和卡到位檢測需要上拉電阻，以保證其可以正常操作。在水表的標(biāo)準(zhǔn)中要求水表要有防靜電的功能，所以在IC卡座的設(shè)計上，加上TVS管保證在遭受靜電后，此IC卡座仍能正常工作。
1．2 E2PROM電路的設(shè)計
采用CAT24WC02芯片，它為2 Kb串行E2PROM，與400kHz I2C總線兼容，1．8～6．0 V工作電壓范圍，低功耗CMOS技術(shù)，具有寫保護功能，當(dāng)WP為高電平時進入寫保護狀態(tài)。頁寫緩沖器、自定時擦寫周期為1 000 000編程／擦除周期，可保存數(shù)據(jù)100年。8腳DIPSOIC或TSSOP封裝，溫度范圍分為商業(yè)級、工業(yè)級和汽車級。本系統(tǒng)利用存儲芯片對水表中的數(shù)據(jù)進行存儲。E2PROM中存儲的數(shù)據(jù)掉電之后不丟失，這樣就避免了由于掉電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，可靠性較高。
1．3 電源檢測電路設(shè)計
電源檢測電路主要是用來檢測低壓，當(dāng)電源電壓過低的時候，通過低壓檢測電路檢測到，進行相應(yīng)的操作，避免出現(xiàn)不必要的錯誤。具體工作原理如圖3所示，當(dāng)PWR_CHECK_EN為高電平時，此電路工作，此時，Q9導(dǎo)通，Q8的基極為低電平，VBAT端一直為高電平，Q8導(dǎo)通，WR_ CHECK腳的電壓為R17和R20分壓得到。之后，PWR_CHECK端的電壓作為MSP430內(nèi)部ADC的輸入端，和1．5 V的電源相比較得到比較結(jié)果，確定是否為低壓。電容的作用是防止電壓突變引起的AD采樣錯誤。PWR_CHECK_EN端口設(shè)置主要是為了低功耗設(shè)計，低壓檢測需要一定的時間間隔，當(dāng)不需要檢測的時候此端口置高，以節(jié)省功耗。

1．4 脈沖檢測電路的設(shè)計
MSP430F149單片機最多可以提供1路數(shù)字I／O接口，即P1～P7。MSP430單片機的I／O端口有8個管腳。每個I／O管腳都可以獨立地設(shè)置為輸入或者輸出方向，并且每個I／O接線都可以被獨立地讀取或者寫入。所有接口的寄存器都可以被獨立地置位或者清零。MSP430系列單片機具有豐富的I／O口資源和中斷資源，其中P1，P2端口是有中斷能力的。本設(shè)計中可以利用P1，P2端口的中斷能力來實現(xiàn)對脈沖的計量。利用中斷來完成計量有利于節(jié)省單片機資源。

脈沖檢測電路如圖4所示。利用4個呈環(huán)形均勻分布的干簧管進行脈沖計數(shù)，當(dāng)有磁鐵靠近干簧管時，簧片吸合。此時只要將干簧管的一端接地，一端接入單片機的I／O口，將單片機的I／O口設(shè)置為中斷允許，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，基表中的磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過一圈之后，四個干簧管分別吸合，I／O口通過中斷來完成4個計數(shù)，這樣即可完成脈沖的計數(shù)。

2 軟件設(shè)計
軟件主要涉及系統(tǒng)時鐘配置、IC卡與單片機通信、低壓檢測程序、E2PROM相關(guān)程序、報警程序、閥門控制程序、液晶顯示程序等，這里主要介紹脈沖檢測和通信模塊的程序設(shè)計。
2．1 脈沖檢測程序
脈沖檢測部分是水表的重要組成部分，主要用作流量的計量，水表的整個換算體系都是以此為基礎(chǔ)的，流量汁量是衡量水表性能的重要標(biāo)志。脈沖檢測的原理是：當(dāng)有磁鐵靠近干簧管的時候，干簧管的簧片吸合。根據(jù)當(dāng)四個干簧管分別吸合一次，即表示水流過一圈(在本程序中設(shè)定當(dāng)流過五圈表示1 m3水量)，由此可以得到用水量。此時將累計用水量加1，并存入到E2PROM中。具體流程圖如圖5所示。

2．2 通信模塊程序設(shè)計
SLE 4442卡主要包括三個存儲器：256×8位E2PROM型主存儲器(地址0～31為保護數(shù)據(jù)區(qū)、32～255后24字節(jié)為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，該區(qū)數(shù)據(jù)讀寫不受限制，擦除和寫入受加密存儲器數(shù)據(jù)校驗結(jié)果影響)、32×1位PROM型保護存儲器(一次性編程以保護主存儲器保護數(shù)據(jù)區(qū)，防止一些固定的標(biāo)識參數(shù)被改動，保護存儲器同樣受加密存儲器數(shù)據(jù)校驗結(jié)果的影響)、4×8位E2PROM型加密存儲器。讀卡和寫卡流程如圖6和圖7所示。

3 結(jié)論
本文討論了以MSP430單片機為控制核心的IC卡智能水表控制器的設(shè)計方案，該控制器具有水量計量、換算充值、各種異常的檢查等功能，并帶有RF和M-Bus抄表的擴展接口。該系統(tǒng)實現(xiàn)了用水收費的電子化和智能化，改變了先用水后收費的不合理狀況，促進了用水計量、收費的科學(xué)化管理。該裝置具有操作簡單、低功耗、方便、可靠等特點，具有良好的推廣使用前景。