新型智能IC卡燃氣表的設計與開發(fā)*

闞小妹 張光強

(1.無錫市計量測試中心，無錫 214101；2.無錫市宏湖微電子有限公司，無錫 214163)

0 引言

長期以來，民用燃氣普遍采用容積式燃氣表，需入戶抄表，然后進行計費和收費。這種收費方式不僅增加了人力成本，收費不便管理，而且對欠費者難以限制。目前研制的IC卡燃氣表存在以下問題：成本偏高、電路功耗大；電池使用壽命偏短，影響IC卡燃氣表的推廣；關斷閥設置在燃氣表的外部，從而導致有些技術(shù)性能很難達到國家標準的要求。

本文以低功耗單片機為測控核心，設計了一種機電一體化的新型智能IC卡燃氣表，該燃氣表可實時采集燃氣流量，控制用戶用氣情況，具有檢測準確、低功耗、安全性高、防盜氣等特點，市場前景廣闊。

1 總體設計方案

以AT89C2051為主控芯片，設計智能IC卡燃氣表系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示，包括燃氣流量采集電路、電磁閥控制電路、IC卡接口電路、LCD顯示與聲光報警、電源保護及欠壓檢測電路、非易失性存儲及看門狗電路。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 系統(tǒng)工作原理

IC卡燃氣表首先通過流量計中的磁敏元件將氣體流量轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，脈沖信號經(jīng)整形、光電隔離后輸入到單片機進行計量。用戶到燃氣公司各收費管理站交費購氣，回來后把存儲燃氣量的IC卡插入用戶IC卡燃氣表中，同時將IC卡清零。隨著用戶用氣，非易失存儲器中的氣量減少，在氣量被用完之前，系統(tǒng)將提示用戶續(xù)卡。

1.2 IC卡燃氣表的主要功能包括[1]

1)加密功能：所設計系統(tǒng)采用邏輯加密IC卡，保證一表一卡，非本表IC卡和其它無效卡插入無效。

2)控制功能：依據(jù)交費和用氣情況，自動控制氣路的開關。在正常情況下控制閥處于開啟狀態(tài)；當表內(nèi)氣量用完、電池欠壓、電池盒打開事件發(fā)生時，控制閥才從開啟態(tài)變?yōu)殛P閉態(tài)。

3)顯示/提示功能：采用LCD實時顯示剩余可用氣量，聲光報警提示電池欠壓、IC卡無效等功能。

4)欠壓與防竊氣功能：當系統(tǒng)電源電壓不足時提示用戶需更換電池，當用戶私開表蓋時系統(tǒng)將關閉電磁閥，防止用戶非法竊氣。

2 硬件設計

本設計的硬件主要包括單片機最小系統(tǒng)、外部中斷擴展電路、燃氣流量檢測電路、IC卡接口電路、非易失性存儲及看門狗電路、電磁閥控制電路、欠壓檢測及電源保護電路、液晶顯示電路和報警電路。其中，單片機選用Atmel公司的AT89C2051單片機，液晶顯示電路采用商品化的IC卡燃氣表專用液晶顯示模塊ZY886C，報警電路采用壓電式蜂鳴器，通過74ALS06進行低電平驅(qū)動。

2.1 外部中斷擴展電路

為實現(xiàn)低功耗和提高系統(tǒng)的實時性，本設計將插卡、電池欠壓、非法開蓋、燃氣流量信號計數(shù)都作為外部中斷，而AT89C2051只有兩個外部中斷，因此必須進行外部中斷的擴展[2]。其中，燃氣流量信號計數(shù)使用外部中斷/INT0，插卡、電池欠壓、非法開蓋事件檢測使用外部中斷/INT1。采用邏輯門實現(xiàn)外部中斷擴展，電路原理圖如圖2所示，外部中斷EI1(電池欠壓)、EI2(私開表蓋)、EI3(插卡)信號均為低電平有效，經(jīng)邏輯與后與單片機/INT1引腳相連，同時各外部中斷信號分別連接P1.0、P1.1、P1.2引腳，當EI1、EI2、EI3其中一個事件發(fā)生時，觸發(fā)/INT1中斷，在/INT1中斷服務函數(shù)中通過查詢P1.0、P1.1、P1.2引腳可以獲取所發(fā)生的中斷時間。

圖2 外部中斷擴展電路

2.2 燃氣流量檢測電路

為保持原有機械式燃氣表的計量精度，本設計的燃氣流量檢測是通過檢測其字輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)實現(xiàn)的，將流量變換成脈沖數(shù)，送入單片機的/INT0引腳進行計量?；贠KI公司的ORD9216干簧管設計了脈沖式流量計，將一矩形永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)翼片做成的氣輪上，干簧管固定在燃氣表中。當燃氣流動時氣輪轉(zhuǎn)動，帶動磁體運動。氣輪旋轉(zhuǎn)一周，干簧管接合、釋放一次，產(chǎn)生一個脈沖。單片機記錄干簧管接合的次數(shù)就可計量出燃氣的流量。

2.3 IC卡接口電路

本設計采用的IC卡為邏輯加密卡AT88SC102，對其應用區(qū)的訪問受到密碼、熔絲、該區(qū)讀寫屬性控制位和該區(qū)擦除密鑰的保護，因此具有較高的安全性[3]。選用較廉價的插拔式卡座，其與單片機的接口原理圖如圖3所示。當IC卡插入后，卡座的常開微動開關K1閉合，經(jīng)邏輯電路處理后在單片機的/INT1引腳產(chǎn)生中斷，中斷服務程序中查詢到P1.2腳為低時則進入IC卡密碼校驗及讀寫程序。

圖3 IC卡座與單片機的接口原理圖

2.4 非易失性存儲及看門狗電路

非易失性存儲器主要用來存儲一些系統(tǒng)運行參數(shù)，當用戶IC卡插入時，卡內(nèi)密碼、卡號、購買氣量等信息以及燃氣表進入掉電狀態(tài)時的結(jié)余氣量等信息都將保存在該存儲器中。本設計采用Xicro公司的X25045芯片，它將看門狗定時器、上電復位、串行E2PROM集成在一塊8引腳的芯片內(nèi)，具有可編程塊鎖功能，使用SPI接口與單片機進行通信，其接口電路如圖4所示。

圖4 X25045與單片機的接口原理圖

2.5 電磁閥控制電路

由于燃氣表采用電池供電，整個裝置必須在低功耗下運行，因此，表中的氣路控制閥無論在開啟或關閉狀態(tài)下，都必須低功耗或無功耗[4]。本設計選用ZCM-20電磁閥進行氣路控制，它是一種雙穩(wěn)態(tài)高效節(jié)能型電磁閥，具有“點開”和“點關”的脈沖工作方式，一旦開啟或閉合，能處于自保持狀態(tài)，無需電源供電，工作電壓在DC(3.0～6.0)V。其與單片機的接口電路如圖5所示。當P3.7腳輸出低電平時，三極管T1截止，電磁閥關閉；當P3.7腳輸出高電平時，T1導通，電磁閥開啟。

圖5 電磁閥控制電路

圖6 電壓欠壓檢測電路

2.6 欠壓檢測及電源保護電路

為及時提示用戶更換電池，需要設計電源欠壓檢測電路。本系統(tǒng)中電源欠壓檢測電路如圖6所示。當系統(tǒng)正常工作時，若電源(Vcc)正常，則Q2將導通，從而使Q3基極為低電平，Q3截止，則發(fā)光二極管D5截止，不亮表示電源正常。若電源降低至一定限值(本設計為3V)后，Q2的基極電平降低使Q2截止，從而Q3導通，使D5導通發(fā)光，提示用戶系統(tǒng)欠壓，同時Q3的集電極接至/INT1引起中斷。通過中斷處理程序，關閉電磁閥，聲光報警提示用戶更換電池，延時一段時間后，關閉所有中斷，使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，直到更換電池。

為有效保護電源和防止用戶私開表蓋，本設計對電池盒位置進行高靈敏度監(jiān)測。用戶私開表蓋時，保護電路輸出低電平，單片機檢測到該電平后執(zhí)行相應聲光報警，同時私開表蓋記錄被記錄到表內(nèi)的X25045中，返回主程序后立即關閉閥門。此后要開氣必須先將私開記錄清除，而只有燃氣公司才能清除該記錄，從而有效防止用戶竊氣行為發(fā)生。

3 軟件設計

應用程序采用模塊化的編程方法，軟件由主程序、中斷服務程序、子程序等組成。核心的程序模塊包括IC卡的密碼校驗與讀寫、串行E2PROM的讀寫、LCD顯示以及燃氣流量計數(shù)中斷程序等。

3.1 主程序設計[5]

當系統(tǒng)上電后，主程序開始執(zhí)行。首先完成系統(tǒng)的初始化工作，如開中斷、使外部中斷/INT0和/INT1均為低電平觸發(fā)方式、設置T0和T1為定時器并賦初值等；初始化后再從X25045中讀入本機可用燃氣數(shù)，并進行判斷處理；然后開電磁閥，在液晶顯示器上顯示剩余可用氣量；最后進入空閑模式(Idle Mode)，等待計數(shù)、插卡等中斷到來。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 中斷服務程序設計

中斷服務程序包括外部中斷/INT0、/INT1和定時器T1中斷。外部/INT0中斷服務程序用于對干簧管產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)脈沖達到一個當量值時，從可用燃氣數(shù)中減去0.1m3，并對液晶顯示器進行刷新。外部/INT1中斷服務程序?qū)﹄姵厍穳?、非法開蓋、有卡插入等事件進行實時響應。利用T1及其中斷計時程序構(gòu)成一個10min定時器，耗氣量計數(shù)中斷程序中，清軟件計時值的操作，使T1的中斷服務程序始終計不滿10min而正常返回中斷。當不再出現(xiàn)耗氣量計數(shù)中斷時，T1的中斷服務程序才能順利計滿10min，當檢測到10min不用氣時，系統(tǒng)進入掉電狀態(tài)。

4 測試與結(jié)果

對所設計的系統(tǒng)進行了整機測試，能夠完成所要求的各項功能且工作穩(wěn)定。通過采取硬件和軟件方面的低功耗措施，燃氣表運行時MCU大部分時間處于空閑和掉電狀態(tài)，整機電流很低，未插卡時，實測電流為50μA，插卡時為4.0mA，開關電磁閥時電流為280mA，由于插卡、開關電磁閥的次數(shù)很少，時間很短，整機功耗很小，設計采用一節(jié)6Ah鋰電池，工作時間理論上在3年以上。

5 結(jié)論

本文在原有機械式燃氣表的基礎上，采用機電一體化的設計思想設計了一種新型智能IC卡燃氣表。該燃氣表以邏輯加密卡為數(shù)據(jù)載體，選擇了集成度高、功耗低的主控MCU和外圍器件，并從軟件方面進行優(yōu)化。較現(xiàn)有的IC卡燃氣表，所設計的智能燃氣表具有功耗小、成本低以及可靠性高等特點，容易被推廣使用。本設計可為其它智能儀表的研制，實現(xiàn)城市水、電、燃氣等公用事業(yè)“一卡通”提供技術(shù)參考。

[1] 李剛健，劉鵬，程憲平.微功耗智能IC卡燃氣表的研制.微型機與應用，2002(4)：16-18

[2] 張振榮，晉明武.MCS-51單片機原理及實用技術(shù).北京：人民郵電出版社,2000

[3] 陸永寧.IC卡應用系統(tǒng).南京：東南大學出版社，2000

[4] 陶曄，姜建華.新型流量控制閥的研究與設計.儀表技術(shù)，2000,(4):44-45

[5] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計.北京：北京航空航天大學出版社，1995