2.1發(fā)訊基表

發(fā)訊基表就是在普通的機械式水表中安裝發(fā)訊裝置以提供計量信號給水表電子主控電路以實(shí)現用水自動(dòng)計量。水表的發(fā)訊裝置由一小磁鋼與一磁敏元件以一定的位置關(guān)系構成,當一個(gè)計量單位(一般是0.01m3或0.1m3)的水流經(jīng)過(guò)后,磁敏元件就發(fā)出一脈沖信號給主控電路用以計數。普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍爾元件兩種。干簧管因其靜態(tài)時(shí)的零功耗性能在電池供電的微功耗智能水表中占有明顯的優(yōu)勢,而優(yōu)質(zhì)干簧管100萬(wàn)次以上的工作壽命也完全能滿(mǎn)足水表的使用周期。霍爾元件的功耗普遍在mA級,雖然也出現了微功耗的新品,(如Allegro公司的開(kāi)關(guān)型霍爾元件A3210,它的靜態(tài)功耗只有1μA。)但是其價(jià)格相對比較昂貴。

2.2控制閥門(mén)

智能水表通過(guò)主控電路對水表進(jìn)水閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制,從而達到控制用戶(hù)用水的目的。因而,可靠性應是閥門(mén)的設計要點(diǎn)。在智能水表設計的前期,應該說(shuō)電磁閥是一種普遍的選擇,因為它結構簡(jiǎn)單,并且功耗較低。但是經(jīng)反復試驗后,其缺點(diǎn)也不可避免地暴露出來(lái)。 簡(jiǎn)要地說(shuō),首先,電磁閥的抗震性較差,這也是致命的一個(gè)弱點(diǎn);其次,電磁閥內的塑料部件在長(cháng)期的水浸泡環(huán)境中容易變形,受腐蝕,從而影響閥的開(kāi)關(guān)性能。于是,電動(dòng)閥的設計趨勢應運而生,雖然,與電磁閥相比,它的結構較為復雜,功耗也較大,但是,在可靠性這個(gè)大前提下,電動(dòng)閥應該比較具有應用前景,當然,在結構上需作進(jìn)一步的調整。雙穩態(tài)電動(dòng)閥是一種設計思路,此類(lèi)閥門(mén)旨在利用電磁傳導驅動(dòng)電動(dòng)閥,達到降低能耗的目的。

2.3主控電路

2.3.1結構框圖

結構框圖

圖 1

2.3.2 CPU選型

智能水表是一個(gè)小型的電池供電系統,因此,CPU的選型應著(zhù)重從低電壓,低功耗,高帶載能力考慮。Microchip公司的PIC系列單片機在這方面的整體優(yōu)勢比較明顯。并且它特有的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結構和總線(xiàn)的哈佛結構與同類(lèi)單片機相比程序代碼可節省一半,指令速度可提高五倍左右,所以不失為一個(gè)理想的選擇。再從性?xún)r(jià)比考慮,PIC16C57和PIC16C62為兩款不錯的選擇,它們片內都自帶Watchdog定時(shí)器,前者為2K*12位EPROM,80*8位RAM,20個(gè)I/O口;后者有2K*14位EPROM,128 RAM,20個(gè)I/O口,以及7級中斷。當然,PIC16C57更為低價(jià),但因其無(wú)中斷功能,在軟件設計時(shí)只能采用查詢(xún)方式,相比于中斷方式,在節省功耗方面稍遜一籌,但影響不大。

2.3.3數據存儲器

數據存儲器用于存儲來(lái)自于經(jīng)CPU計算,處理后的有關(guān)水表的各種信息,如購水量,用水量,用戶(hù)編碼等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存儲器AT24LC01簡(jiǎn)單易用,而且價(jià)格十分低廉,完全能滿(mǎn)足使用要求。雖然有許多性能上更勝一籌的可編程監控類(lèi),加密類(lèi)存儲器,但在象智能水表這樣的產(chǎn)品中卻無(wú)必要,因為電路板是密封在水表中的,而CPU與存儲器之間的數據交換無(wú)外部接口,所以無(wú)所謂數鋸失竊。

2.3.4 IC卡的讀寫(xiě)

IC卡讀寫(xiě)模塊為主控電路與IC卡的邏輯接口電路,它首先應能實(shí)現對IC卡的供電,并滿(mǎn)足不帶電插拔的要求(若帶電插拔,有可能會(huì )給IC卡帶來(lái)?yè)p傷,甚至損壞IC卡),這可以通過(guò)硬件和軟件兩方面來(lái)實(shí)現。如圖2所示,當CPU通過(guò)IC卡座的IC卡檢測開(kāi)關(guān)檢測到IC卡插入時(shí),IC-PWR端口經(jīng)過(guò)適當延時(shí)(10ms左右)發(fā)出一低電平,通過(guò)小功率三較管9012控制系統的 5V電源切入,相同地,在軟件設計時(shí),當對IC卡的讀寫(xiě)完成后,及時(shí)讓IC-PWR端口發(fā)出高電平,切斷IC卡的供電電源,以便IC卡拔出。

此外,所有的IC卡接口部分都應加入箝位保護二較管,這些二較管可以使各引腳上的電壓嚴格控制在-VD~VCC VD之間,(VD是二較管的正向壓降,通常為0.6V左右)。這樣,可以舒緩由于線(xiàn)路干擾和邏輯電平變化的邊沿產(chǎn)生抖動(dòng)所帶來(lái)的瞬間過(guò)壓,為IC卡提供了進(jìn)一步的保護措施。

圖2

圖2

2.3.5 開(kāi)關(guān)閥控制

水表閥門(mén)的開(kāi)關(guān)是CPU依據一定的開(kāi)關(guān)條件定時(shí)導通開(kāi)關(guān)電器回路來(lái)實(shí)現的,對開(kāi)關(guān)閥控制的設計要掌握兩個(gè)要點(diǎn):一是在軟件上控制好對開(kāi)關(guān)閥電路的電流輸出時(shí)間,也即回路導通時(shí)間,時(shí)間過(guò)長(cháng),電池耗能太多;時(shí)間過(guò)短,不能可靠開(kāi)關(guān)閥門(mén)。二是在硬件電路上要有一個(gè)針對關(guān)閥的儲能電路,當電源失電時(shí),該電路能及時(shí)釋放電能,關(guān)閉閥門(mén)。

2.3.6 低電壓檢測

低電壓檢測對單片機系統來(lái)講是個(gè)十分重要的問(wèn)題,它在某種程度上起到了保障系統可靠運行,避免數據出錯的作用,智能水表的設計中同樣如此。具體地講,應該在系統掉電到一個(gè)門(mén)限電壓(該門(mén)限電壓應高于CPU的低運行電壓)時(shí),通過(guò)相應的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU,CPU及時(shí)對系統進(jìn)行軟件復位。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70系列產(chǎn)品,此產(chǎn)品價(jià)位較低,而且規格十分齊全。

2.3.7 顯示

智能水表的信息(水存量,開(kāi)關(guān)閥狀態(tài),電池狀態(tài)等)顯示可通過(guò)串行液晶模塊來(lái)完成,串行液晶模塊與CPU的接口簡(jiǎn)單,只占用DATA,WR,CS三條接口線(xiàn),與并行液晶模塊相比大大節省CPU的I/O口資源。另外,為了盡量滿(mǎn)足低功耗的要求,可讓液晶平時(shí)處于休眠狀態(tài),用插卡喚醒的方式使其顯示。

2.3.8 脈沖信號處理

對來(lái)自于發(fā)訊基表的脈沖信號,在軟件設計時(shí)應作"防抖動(dòng)"處理。因為在實(shí)際生活中 我們經(jīng)常會(huì )遇見(jiàn)這樣的情況:當自來(lái)水管中進(jìn)入一定量的空氣后,打開(kāi)籠頭用水,水管會(huì )瞬間不停震動(dòng),如果此時(shí)磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態(tài),就會(huì )不停地將脈沖信號發(fā)給 CPU,使CPU無(wú)法正確計數。相應的措施是當CPU接收到一脈沖信號后經(jīng)適當延時(shí)(該延 時(shí)只要小于水表過(guò)載流量時(shí)磁鋼與干簧管的大吸合時(shí)間即可)。再來(lái)檢測該信號是否依然存在,如果沒(méi)有,則認為是假信號。

2.3.9 抗攻擊模塊

抗攻擊模塊是針對采用高壓,靜電等手段對卡口進(jìn)行惡意攻擊從而引起系統癱瘓而設置的保護電路。象北京握奇公司,富根公司等國內廠(chǎng)家有成型產(chǎn)品可以提供,性能上都比較可靠。

2.4 卡的選擇

IC卡究其功能劃分可分為普通存儲卡,邏輯加密卡,CPU卡三大類(lèi)。卡片作為用戶(hù)和供水部門(mén)之間傳遞信息的載體,更作為一種電子貨幣,可靠性之外,安全性當是首要考慮的問(wèn)題。

普通存儲卡芯片無(wú)安全邏輯,設計人員一般通過(guò)對數據進(jìn)行一定的加密算法和滾動(dòng)存儲相結合的方法對數據安全性加以考慮,但由于普通存儲卡內容可通過(guò)讀卡設備直接讀出,數據能被隨意篡改,并且真實(shí)數據較有可能經(jīng)過(guò)多次反復比較得出,因而安全性較差,不提倡使用。

邏輯加密卡提供電路的邏輯硬件密碼較對功能,一般情況下,只有通過(guò)用戶(hù)密碼和應用區密碼才能對卡內應用區數據進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),卡內設置密碼計數器,一旦輸入錯誤密碼次數超過(guò)密碼計數器設置次數,卡將自鎖。但是數據在卡的I/O口上是以明碼方式傳輸的,如果通過(guò)儀器"竊聽(tīng)"獲得數據,就能達到制作偽卡的目的。通常的做法是對卡上重要數據進(jìn)行DES,RSA等全部通行的密碼算法進(jìn)行加密,以作為反"竊聽(tīng)"的有效手段。邏輯加密卡價(jià)格比較低廉,如果智能水表的收費不納入"城市一卡通"系統,那么,它將是一種不錯的選擇。像西門(mén)子公司的SLE4442內含256*8位E2PROM數據存儲器,32*1位保護存儲器,和一個(gè)可編程安全碼(PSC)邏輯,比較符合水表用卡的要求。

CPU卡芯片內本身集成有微處理器,并且有自己的片內操作系統(COS)。與邏輯加密卡相比,CPU卡主要的優(yōu)點(diǎn)體現在兩個(gè)方面:一是安全機制上更為嚴密,它的片內操作系統(COS)能對密鑰進(jìn)行有效管理,并使數據在卡內進(jìn)行加密運算,比較,從而對卡,持卡人,讀卡設備的合法性進(jìn)行相互鑒別;二是在"一卡多用"上有較強的靈活性,可以同時(shí)兼容幾種不同的應用,卡與系統的互相操作受存放在卡中與系統中的軟件控制。尤其是第二點(diǎn),對"一卡通"的意義不容置疑。但具體到水表用卡,還應視情況而定,因為畢竟CPU卡的價(jià)格仍然較高。