毕业设计（论文）-智能水量表检测系统设计与研究.doc

摘 要 为适应国家用水制度的改革，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少因抄表、收费所带来的麻烦纠纷，用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制落后的现状势在必行。基于智能卡的智能水表不仅解决了这些问题，又为节约用水、合理用水创造了条件，所以其得到了越来越广泛的应用。 本论文以基于智能卡的智能水表为研究对象，重点探讨了基于低功耗单片机在智能水表上的应用和开发，针对现有IC卡预付费水表在实际应用中存在的问题，研究了一个基于智能卡的预付费智能水表的设计方案，该方案采用微功耗的ATmega16单片机，完成了基于智能卡的水表的设计，具有稳定性、安全性和低功耗的特点。关键词：智能卡 IC卡 ATmega16单片机 低功耗 智能水表ABSTRACT In order to adapt the reform of the national water supply system,lightening the funds pressure of supply before charge”of the department, save resources and money,using the modern science technique change the current administration structure of water supply industry is imperative under the situation. The application of intelligent water meter not only solve those problem，but also creates a condition for using water frugally and rationally. So ,it obtained more and more widespread application. This paper takes intelligent water-meter system based on IC card as the research object, application and the development of the low power microcontroller in the intelligence instrument is discussed in detail,in view of the existing problem of Intelligent water meter, a design that based on intelligent water meter was research to solve it. This design uses the low power ATmega16 microcontroller, It has characteristic of stable,secure and low power. KEY WORDS：Intelligent Card SLE4428 Card Atmega16 Microcontroller low power intelligent water-meter目 录第一章 绪论- 1 -1.1课题背景及意义- 1 -1.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势- 2 -1.3课题的研究容和内预期目标- 2 -第二章 IC卡的结构及特点- 4 -2.1存储卡- 4 -2.2逻辑加密卡- 4 -2.3 CPU卡- 5 -2.4传输介质的比较- 6 -2.5 SLE4428卡技术说明- 6 -第三章 智能水表的硬件设计- 8 -3.1需求分析- 8 -3.2基于ATmega16单片机的低功耗系统设计- 8 -3.3智能水表工作原理- 9 -3.4智能水表硬件结构设计- 9 -第四章 智能水表的软件设计- 23 -4.1软件设计原则- 23 -4.2智能水表功能模块设计- 24 -4.3 密钥存储和安全性分析- 27 -第五章 智能水表预付费管理系统- 28 -5.1系统管理功能- 28 -5.2信息管理功能- 28 -5.3交费充值管理- 29 -5.4查询统计管理- 29 -5.5监测管理- 29 -结 论- 30 -参考文献- 31 -致谢- 33 -I第一章 绪论1.1课题背景及意义随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但是，我国是世界上人均水资源拥有量十分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。节约水资源包括两个方面的措施，一是大力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来说，加强用水科学管理是当前的首要任务。因此，研制一种低功耗、计量精确、方便的智能水表显得极为重要1。长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械水表，这种水表价格低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化己成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮用水质量，同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条了件2。 微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机(单片机)为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高3。 我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBM PC兼容机接口，可以进行电话通信。国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生产。从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展口标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和趋势的情况下提出的4 5。1.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势 目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，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，所以目前尚未大量投入市场；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐6。 1、智能网络远传水表系统7 就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。 (1)分线制集中抄表方式 各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。 (2)总线制智能抄表方式 总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。2、智能卡式水表系统8 智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。用户须在供水部门指定售卡点顶购水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀(电动阀)控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因此正日益受到供水管理部门的青睐。1.3课题的研究容和内预期目标1.3.1课题的研究内容 本文主要研究的内容包括智能水表的发展历程、IC卡的分类、基于智能卡的智能水表的设计及应用分析。 本文针对智能水表的特点和技术要求，指出了现有IC卡水表系统在实际应用中存在的问题，提出了基于智能卡的水表应用系统的设计。本系统主要由智能卡，控制器及销售管理系统组成。由于采用了基于智能卡的设计方案，极大提高了系统的稳定性和安全性，具有显著的技术优势和较好的发展前景。 本设计方案还采用了微功耗单片机设计技术。在单片机的选型上，采用了ATmega16单片机。ATmega16系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点，具有处理能力强、运行速度快、功率低等优点，除具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。采用这样的设计方案可以使本系统具有较低的集成度，极大地提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时，对于其他领域中采用IC卡技术的应用更具有一定的借鉴意义。在这样的框架结构和设计思想的指导下，本文主要的研究内容如下：ATmega16系列单片机特点。控制器的工作原理。智能水表硬件电路设计。智能水表软件设计思想。智能卡密钥存储和安全性分析。1.3.2课题的预期目标本次设计的智能水表预期实现的功能有如下几点:水量计量和累积功能。水量统计功能。用水控制功能。数据保持和恢复功能。水表状态检测功能。水表状态、事件、功能卡操作记录功能。水量数据和表状态的查询功能。阀门维护及管理功能。数据检错及纠错功能。电池欠压保护功能。传感器干扰保护。- 34 -第二章 IC卡的结构及特点IC卡又称集成电路卡，是随着半导体技术和存储容量的要求日益提高应运而生的。它将具有加密、存储、处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，并封装成卡的形式910。根据所镶嵌集成电路的不同，可以将IC卡分成存储卡、逻辑加密卡、CPU卡等，它们各自具有不同的数据保护安全级别。2.1存储卡存储卡是直接将EEPROM芯片封装在卡片上，外部设备可以直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-1所示：图2-1 存储卡结构由于存储卡中只有EEPROM一个芯片，因此IC卡的对外接口实际上就是EEPROM的对外接口，这样外部读写设备就可以十分方便地对EEPROM进行数据读写操作，所以，无法对合法或非法的读写设备进行判断和识别，非常容易进行攻击，因此存储卡数据安全级别很低11。2.2逻辑加密卡逻辑加密卡主要由EEPROM和逻辑电路构成，逻辑加密卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将一组硬件逻辑电路也封装在卡片上，外部读写设备必须通过硬件逻辑电路的判断后才能访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-2所示：图2-2逻辑加密卡结构由于在IC卡中存在一组硬件逻辑加密电路，EEPROM芯片的接口并不直接对外，在初始状态，IC卡芯片中的数据开关处于断开状态。外部读写设备在访问IC卡芯片中的EEPROM单元之前，必须首先发一组数据给硬件逻辑电路，硬件逻辑电路在判断数据的合法性后，才决定是否将IC卡内的开关闭合。通过这种方式，逻辑加密卡对内部EEPROM中的数据进行了安全性保护，但逻辑加密卡的安全性级别并不是很高，具备一定的手段仍然是可以攻破的12 13。2.3 CPU卡CPU卡内的集成电路包括CPU、EEPROM、RAM、ROM及逻辑电路。CPU卡中的CPU有计算功能，能进行加密/解密运算，一切操作由芯片内的操作系统控制，用户数据存放在被加密逻辑保护的EEPROM中，COS（片内操作系统）掩膜在ROM中，RAM用于存放COS运行时的中间变量，从芯片结构上保证了CPU卡的高安全性。外部读写设备只能通过CPU与IC卡内的EEPROM进行数据交换，在任何情况下都不能直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-3所示：图2-3智能卡结构由于在CPU卡中封装了微处理器芯片(CPU)，这样EEPROM的数据接口在任何情况下都不会与IC卡的对外数据线相连接。外部读写设备在与CPU卡进行数据交换时，首先必须发指令给CPU，由CPU根据其内部ROM中存储的芯片操作系统(COS)对指令进行解释，并进行分析判断，之后的数据操作仍然要由外部读写设备发出相应的指令，并且CPU对指令进行正确解释后，允许外部读写设备和CPU卡中的数据存储区(RAM)进行数据交换，数据交换成功后，在CPU的控制下，利用CPU卡中的内部数据总线，再将内部RAM中的数据与EEPROM中的数据进行交换，因此CPU卡也具备数据安全性保护措施1415。2.4传输介质的比较存储卡、逻辑加密卡、CPU卡三种介质特性比较如表2-l所示：表2-1 介质特性比较名称硬件可实现性成本安全性可扩展性适应范围存储卡容易价格较低较低差小范围逻辑加密卡普遍使用5元较强较好住宅小区CPU卡比较复杂40元非常好良好大范围、城市IC卡水表中采用IC卡存储用户所购买的用水量，要求具有安全性，所以没有加密功能的一般存储器卡是不适用于该系统的16。 作为预付费使用的IC卡是一种储值卡，而且一次储值较小，因而有必要选择能防伪造、防复制且价格较低并能重复使用的IC卡。 逻辑加密卡具有很好的安全性和方便携带性，得到了认可，成为当今市场的主流。目前，具有更加安全可靠，可扩展性能的CPU卡，开始在表计行业兴起。但使用CPU卡的项目中，均遇到了开发周期长、管理难度大、推广实施受到了阻碍等困难17。 作为小区级综合预付费系统，首先应该从使用的方便性上着重考虑、必须保证系统的绝对可靠，易用。宜采用安全性较高的逻辑加密卡作为预付费的介质，CPU卡虽然是一种趋势，近几年内其成本也难以大副度降低。所以我们选用性价比高的逻辑加密卡SLE4428卡。2.5 SLE4428卡技术说明 SLE4428卡以其优良的性能价格比，近年来在中国被广泛应用于商业预收费等领域中。SLE4428是由SIMENSE公司设计的逻辑加密芯片，它支持ISO/IEC7816同步协议，在制造中使用的是NMOS技术，它含有260字节，其中提供给用户256字节的用户区，能满足水表的要求，此外，它还具有内部的自升压电路，使芯片只须+5V的电压支持，不需外部提供进行EEPROM单元擦除所需高电压18。SLE4428卡的主要技术特点有19。 具有1024 X 8位的EEPROM存储器； 以字节为编址单位； 具有1024 X 1位保护存储器，保护存储器设置后不可撤消； 三线串行总线； 可进行10万次擦写操作； 数据保存10年； 卡内具有2个字节的PSC程序加密位，数据仅在密码检验正确后，方可进行写操作。SLE4428 IC卡通过三线串行总线与芯片接口进行信息交换。数据在程序控制器的统一协议下，进行数据序列转换与安全逻辑校验。引脚配置如图2-4所示：图2-4 IC卡引脚 IC卡在上电时，芯片进入到上电复位状态，此状态由一个复位操作(Reset)终止。复位时，将终止所有当前的操作命令。SLE4428共有5条控制命令和3条密码操作命令，如表2-3所列：表2-3 SLE4428卡IC卡操作命令字节1字节2字节3操作内容S0 S1S2 S3 S4 S5A8 A9A0 A7D0D71 00 0 1 1地址高位地址低位输入数据带保护位写与删除1 10 0 1 1输入数据不带保护位写与删除0 00 0 1 1比较数据带信号位写（校验）0 01 1 1 1忽略带保护位数（读9位）0 11 1 0 0忽略不带保护位读（读8位）0 10 0 1 11 1253位掩码写错误计数器1 01 1 0 01 1254PSC字节1校验第一个PSC字节1 01 1 0 01 1255PSC字节2校验地二个PSC字节第三章 智能水表的硬件设计本章主要介绍基于智能卡的预付费水表应用系统的硬件设计指导思想、硬件的主要构成部分和设计过程中遇到的问题及解决方案。由于本课题的应用需求和研究目的十分明确，所以整个硬件方案设计和研制过程中始终贯穿了研究课题的应用主线，并最终使研究成果基于智能卡的预付费水表应用系统实现了预期的设计目标。3.1需求分析根据项目背景和应用需求，本研究课题硬件的设计目标是：研发一套技术先进、结构合理、安全可靠、成本较低，能大量生产并投入实际应用的基于智能卡的预付费水表应用系统。 本课题在单片机选型设计上选用了美国ATMEL公司的ATmega16系列单片机。采用的智能卡是SLE4428逻辑加密卡。本项目研究的基于智能卡的预付费水表应用系统应具有较大的灵活性，以满足日益增加的应用需求。本项目硬件设计时还需要考虑的两大因素是现场环境和操作人员技术水平。在实际应用时，现场环境与实验室环境条件相比差异很大，而且不同地区的现场情况又有所不同，所以在硬件设计时要充分考虑系统的可靠性。基于智能卡的预付费水表应用系统在使用时面向的用户是千差万别的，大多数的用户也不是专业技术人员，在设计时操作步骤应简捷方便、提示信息直观明确。在接口电路的设计上应有保护装置，在一定程度上允许有误操作，并给出误操作提示。在系统设计上应充分考虑可靠性和易用性兼顾的原则20。3.2基于ATmega16单片机的低功耗系统设计美国ATMEL公司的ATmega16系列单片机，高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，因此性能价格比高，在欧洲己得到了非常厂一泛的应用21。它的特性如下：ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装) 的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。智能水表充分发挥了Atmega16的低功耗特性，令CPU工作在突发状态，通常情况下使用软件将CPU设定到低功耗模式 (LPM)，只有在需要时，如计数、插卡、报警、低电压等情况时才使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成中断处理后又进入休眠状态。在具体程序编制过程中，考虑到低功耗要求，采取了以下几种措施：在保证系统工作正常情况下，正确设定系统的掉电模式，程序结构保证系统大部分时间处于掉电状态，如总体上采用休眠唤醒方式22。3.3智能水表工作原理传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入单片机；由单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；同时单片机把运算结果与存储于片内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发等)23。智能水表与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过IC卡传输给PC机，由PC机进行全局管理。智能水表工作的原理图如图3-l所示：图3-1智能水表工作原理图3.4智能水表硬件结构设计智能水表硬件部分主要包括电源电路、电源检测和电路、水量检测电路、IC卡读写电路、阀门驱动电路、阀门检测电路和MCU最小系统电路。智能水表控制系统结构图如图3-2所示：图3-2 智能水表控制系统结构图说明：图中采用双卡机制，一个称为用户卡，一个称为ESAM模块。利用ATmega16的P3.3给智能卡提供时钟，用P3.0，P2.1分别控制用户卡及ESAM模块的上电。模块描述如下：基表：水表经过改造并加装流量检测传感器，为预付费控制器提供水表计量信号。阀门：智能卡预付费水表控制阀门要求采用微功耗设计，阀门开启及关闭应保证动作可靠，阀门可以根据需要设计成内置式或外置式两种形式，设计中采用的是电动球阀。传感器：主要完成机电转换，将机械信号转换成电信号，并传送给预付费控制器，本次设计采用干簧管作为发信传感器。IC卡卡座：通过IC卡卡座接口，在ESAM模块的安全认证保护下对智能卡进行安全读写。数据保存单元：保存表内工作数据及运行状态。窃用输入：检测用户是否存在开启预付费控制器上盖，破坏阀门等行为，如检测到此种行为发生，预付费控制器将首先记录这种行为，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门。计量干扰识别：由于某些传感器会对某些材料敏感，比如干簧管会对磁性材料敏感，为此要有一套计量干扰识别电路，当检测到干扰信号时将记录下干扰行为，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门。电源及检测电路：为预付费控制器提供电源，由于采用电池供电，要实时检测电池电压，当检测到电池电压不足时，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门，同时在液晶上显示欠压提示符号，提示用户及时加入电池。水泄漏报警：通过外加水泄漏报警器，当检测到水泄漏时，预付费控制器能给出报警信号，同时关闭阀门。这样，可以有效地减少由于水泄漏所带来的损失。 智能卡预付费水表还具有自检功能。当插入检表功能卡时，智能卡预付费水表将按照已设定的程序自动检测各部分功能模块工作是否正常并在液晶上给出相应的提示信息。3.4.1电源电路为了使水表的工作时间更长，电源部分采用了自供电设计，即用水流带动发电机进行发电，把输出的电能输入到蓄电池中，这样充分的利用了资源。对发出的交流电进行整流，再对其进行稳压、放大、然后对蓄电池进行充电。所用发电机为3相交流，经过整流后变为直流，这样可以充分利用水能。 升压部分由MC34063芯片完成，34063是一单片双极型线性集成电路专用于直流 直流变换器控制部分片内包含有温度补偿带隙基准源一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关能输出1.5A的开关电流它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器降压式变换器和电源反向器，其特点是能在3.040V的输入电压下工作、短路电流限制低、静态电流输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)、输出电压可调工作振荡频率从100HZ至100KHZ可构成升压降压或反向电源变换器，其输入输出特性如图3-3所示：图3-3 MC34063输入与输出电压关系图系统自供电部分如3-4所示，电压经34063放大后对蓄电池进行充电，经LM7805调整后，为系统进行供电，可以满足系统需求。图3-4自供电电路图电源电路提供系统正常供电，在非正常状态(内部电池亏电、内部电池大电流释放不出)，提供最后的关阀能源，在最坏情况下(电机堵转或短路)，保障MCU供电1至2秒，保证MCU可以及时动作解除危机。提供IC读写电路受控电源，保证受控电源的压降低于0.2V。尽可能的减少能耗，提供必要的防干扰措施，防止从外部电池接口引入干扰。提供蓄电池维护手段，防止蓄电池反向充电。外部电池、内部电池、法拉电容相当于系统同时由3个电源供电，它们的性质各不下相同，又相互影响，在不同的状态可以单独或者共同起作用。内部电池有效时，系统由内部电池供电，阀门可以正常工作，当 VBB降低到设定的检测点PW_LOW时，水表每半小时进行一次蜂鸣报警，提示用户接入外部电池，此时，不允许阀门的开阀动作，当VBB降低到设定的检测点PW_DOWN时，电压没有恢复，立即关阀报警，强制用户加外部电池。电源电路如图3-5所示：图3-5电源电路图说明：LM8930AA：低功耗三断稳压器，输入电压最大12V，输出3.0V。ESAM_VDD：受控的ESAM电路电源，额定电压3.0V。CTRL_VEE：VEE控制信号，低电平有效。BAT2：外部电池接入端，受D4保护，接入外部电池时额定电压4.5V。VDD：电解电容端电压，额定电压3.0V。VCC：法拉电容端电压，由Vin和BAT2求得来，额定电压4.55.0V。3.4.2电源检测电路 本系统采用6.0V铅蓄电池作为供电电源，使用一段时间后，如果自供电电量不能满足蓄电池的消耗，防止系统电量不足，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足要求时，即使报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。HT70XX系列集成电路是一组采用CMOS工艺制造的电源欠压检测器。其包装形式有两种，一是三脚直插式封装，二是贴片式封装。该系列芯片中包含多个型号，每种型号的芯片都用于检测一个固定的电压，整个系列中各芯片的电压枪测值分布在1.57.0V范围内。由于采用了CMOS工艺，确保了芯片具有较低的电源消耗。应用范围：微电脑系统复位控制器。电池电压监视器。RAM存储器，遵免存储数据丢失保护器；电平选择器。电压检测器系列芯片的内部结构虽然有3种不同形式，但其内部组成部分都包括一个高精度恒压源、一个比较器、一个滞后电路和一个驱动电路，只是输出驱动电路存在3种不同的设计方案（NMOS管开漏输出出型. PMOS管开漏输出型和CMOS对管推挽输出型）以适应不同的应用场合的需要。在3-6中只给出了一种NMOS开漏输出型的结构图。在图3-6所示电路中，当电源电压VDD处于正常的范围时，比较器的正相输入瑞电压VB比VREF要高，比较器输出高电平，经过一个反相器后Vc输出低电平，使NMOS场效应管V1截止，VOUT端对外呈现现高阻状态。另外一个NMOS管V2也截止，此时的VB值为VBH,VBH=VDD(RS+RC)/(RA+RB+Rc)当电源电压VDD下降，导致VB下降到比VREF还要低时，比较器的输出电压反转，由高电平跳变到低电平，经反相器的电压Vc为高电平、使NMOS场效应管V1导通，VOUT二端输出低电平，同时，由于Vc为高电平，故NMOS管V2也导通，Rc被旁路。此时，VB的值为VBL,VBL=V PP * RB/(RA+RB)。VBL比VBH要小，进一步确保比较器输出维持低电平，从而防止电路出现振荡现象。如果当VDD电压从低变高，并回升到VDD*RA/(RA+RB)VREF时，电压比较器输出高电平，VOUT端也输出高电平24。 HT70XX系列电压监测器，根据检测电压值的不同分为7种基本型号，型号中4位阿拉伯数字中的后两位用于标明其电压检测值，每一种基本型号又分为3种不同的输出结构，分别用型号后缀A,B和C代表(如表3-1所示)：表3-1 HT70XX输出类型输出状态 输入电压输入类型VDDVDETVDDVDETA(NMOS)高阻VSSB(PMOS)高阻VDDC(CMOS)VDDVSS图3-6 NMOS输出电平检测器HT70XX图3-7电源检测电路说明：PW_LOW：VDD电压检测点，当VDD电压低于3.0V时，输出高电平，此时，单片机检测到信号后，进行低压报警。PW_DOWN：VDD电压检测点，当VDD电压低于2.7V时，输出高电平，单片机检测到信号后，关闭阀门。3.4.3阀门驱动电路阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压是3.0V，工作电流仅50mA。 设计中利用直流电机带动半球阀正转或正反转动，利用HT7020A检测堵转电流来控制电机运行。当电机正常工作时，取样电阻上的电压正常，一旦堵转，电流迅速增大电压增大，HT7020A输出跳变。定时器定时1S检测电机是否到位。 设计中限流保护采取的办法是调整驱动管的基极电阻，通过改变基极电阻的大小来调整驱动管基极电流，做到当驱动管工作于小电流状态时，基极电流足够大，可以让驱动管进入饱和状态，当驱动管工作于大电流状态时，基极电流足够小，可以让驱动管进入放大状态，起到在额定的时间内防止电流过大的作用。 为了防止阀门积累水垢，控制器在阀门有一段时间内没有活动时，将自动翻转阀门一次，使其活动，减少水垢的积累。在阀门由于某种原因关闭后，暂时无法消除关阀因素。可由管理部门强行开阀。如图3-8所示为阀门驱动电路图：图3-8阀门驱动电路图说明：S5：阀门直流电机，低电压工作，电流小于60mA，带动阀门减速齿轮，最终驱动阀门。VCC：电机驱动能源提供。VDD：驱动管提供基极电流。CHK_STUCK：堵转检测，连接MCU。CTRL_MO_CLOSE：电机反转控制信号，连接MCU。CTRL_MO_OPEN：电机正转控制信号，连接MCU。3.4.4 IC卡读写电路ESAM模块的作用ESAM(Embedded Secure Access Modul一嵌入式安全控制模块)是一个8脚芯片，内部结构与CPU卡相同，只是个别指令不同。ESAM与PSAM只是外观封装不同，作用相同。在微机系统中PSAM用于发行密钥等更方便一些，在单片机应用中ESAM方便一些。ESAM特殊的安全属性使它可以嵌入到任何具有安全要求的智能设备中，完成文件和密钥的安全存储、数字签名、数据加密解密、双向身份认证、内部分散密钥、电子钱包、通讯线路保护等多种功能。ESAM安全模块的应用是和各种专用或通用智能设备相关的，对于所有需要身份认证、数据加/解密、安全存储、通讯保密等较高数据安全要求的产品和应用系统，ESAM嵌入式安全控制模块都可以发挥其独到的安全控制作用。这种模块只负责完成安全认证和数据的存储，此模块可以在运行管理方设置完毕后，提供给表厂安装在卡表中，今后的数据存取以及密钥的安全认证过程都在用户卡与卡表中的ESAM模块之间进行，与表中的微控制器无关，微控制器仍然由表厂负责设计，完成卡表的功能，这样既实现了系统的安全性由运行管理方控制，又不妨碍表厂继续发展和完善卡表的功能和性能，是一种较理想的方案。因此，可以得出结论，在较大的管理系统中，为保证系统运行的安全性和稳定性，应该使用ESAM安全模块技术25。读写电路主要提供和卡片和ESAM模块的电气连接，提供卡片的插入到位检测信号，对卡片连接信号线提供电压保护。由于卡座是非封闭的，可以受到环境和人为因素的影响，包括静电或非法高压攻击、进水、断路等。（1）进水进水主要可以导致触点短路等故障，不处理会迅速泄放电池能量。为减少进水导致的泄放能量，电阻的取值进行了最大化处理。（2）静电或高压攻击每根信号线(高阻)加装双钳位二极管，保证高阻信号线的能量可以从低阻端泄放，当保护管击穿短路后，迅速烧断阻尼电阻，保证阀控和计量工作正常。（3）短路除地线以外的所有连接线串接阻尼电阻，限制短路时的最大电流，同时，检测到非法插入时，迅速关断VDD。1C卡读写电路原理图如图3-9所示：图3-9 IC卡读写电路说明：IC_SOCKT： IC卡座，提供卡片的插入到位检测和卡片的电气连接。ESAM：ESAM安全模块。VEE：受控的卡片电源。IC_ SW：卡片的插入信号，连接MCU。IC_ SDA：卡片的数据信号，连接MCU。IC_CLK：卡片的时钟信号，连接MCU。IC_ RST：卡片的复位信号，连接MCU。ESAM IO： ESAM模块的数据信号，连接MCU。ESAM_RST： ESAM模块的复位信号，连接MCU。ESAM_VDD：受控的ESAM模块的电源。3.4.5蜂鸣电路提供蜂鸣器控制，同时可以应客户要求，将蜂鸣器提示更换为LED显示提示(寿命长，耗由少，成本低，但提示效果不如蜂鸣器)。如图3-10所示：图3-10蜂鸣电路说明：BELL：宽电压蜂鸣器，可在低电压下工作。LED1：发光二极管。CTRL_ BUZZER：蜂鸣器和发光管控制信号，连接MCU。3.4.6水量信号检测电路防干扰电路智能IC卡水表的脉冲采集装置是智能水表设计中较为关键的环节。目前在智能化水表中使用的传感器主要有光电传感器、霍尔传感器、干簧管传感器等。本设计因为考虑到成本和对流量检测的精确度，使用了干簧管传感器。干簧管为磁灵敏开关型传感器。干簧管由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成，密封于玻璃管中,当磁性材料如恒磁铁或线圈产生的磁场施加于舌簧上时，使两个舌簧磁化，产生的磁场吸引力克服了舌簧弹性产生的阻力，舌簧被接触接通。一旦磁场消失，舌簧又重新分开，在IC卡水表系统中一般是采用永磁性的磁钢，如图3-11所示：图3-11干簧管结构图最初使用的单干簧管传感器会影响水表用水量的计量精度，这是因为水表是根据基表的转芯与干簧管的吸合次数来计量脉冲的，以下三种情况影响单干簧管传感器数据的采集精度：(1)由于水管发生水锤现象等因素造成的影响。在供水管道系统中因流速突然变化而引起的管道剧烈振动和较大的声响，这种现象称为水锤现象。这种剧烈的抖动造成了干簧管簧片在短时间里，频繁吸合，造成了测量精度的不准确。(2)当基表的转芯停止转动，并且停在干簧管吸合的临近点时，会造成干簧管的颤动，从而增加了用水量的计量。(3)单干簧管易受外接强磁的干扰，主要是人为的对水表进行强磁干扰，也造成了采集精度的误差。针对以上出现的现象，本次设计使用了双干簧管传感器，即当检测到一个干簧管吸合时，先记录下来，再检测另一个干簧管，只有检测到另一个干簧管吸合后才认为信号有效，也就是说单一的一个干簧管即使多次闭合也无效，从而有效地解决了临界点颤动而误发信号的问题。同时还可以有效防止人为附加磁铁而造成的计数不准，因为当微机检测到两管同时闭合时，便认为有外磁干扰，停止计数，同时报警，如图3-12所示：图3-12计量信号及防窃水设计图在本次设计中，双干簧管传感器双计数脉冲输入，水表本身有四根线从水表引出，其中两根数据线，两根地线，通过数据采集接插件和ATmaege16片的管脚相连。两个104的电容用来消除双干簧管闭合时产生的抖动26。图3-13水量信号检测电路说明:S1：干簧管连接件1，用于水量检测。S2：干簧管连接件2，用于水量检测。VCC：电压输入端，在干簧管接通时提电源。MEASURE：水量信号计数端，连接MCU。VERIFY：水量信号验证端，连接MCU。3.4.7开盖检测电路为了保证水表的正常运行和防止非法偷水行为，本系统设计了开盖检测电路，开盖电测电路如图3-14所示。图3-14中Ks是一个簧片，在燃气表出厂且表壳盖上时是闭合的，当燃气表被打开表盖时，Ks断开。图3-14开盖时“开盖检测”端子有电平变化。图中R1,为200K,R2为1 M，由于芯片的输入管脚允许有最大3uA的漏电流，200 K的电阻不能再增大阻值，否则会影响高低电平的判断。一旦发现开盖，将关闭阀门、报警、并记录一次开盖事件到存储器中。图3-14开盖检测电路说明：CHK_OPEN：水表开盖检测电平输出端。3.4.8液晶显示电路的设计显示屏可以显示各种提示信息，是一种良好的人机接口形式。对于水表计费系统考虑到其低功耗的要求，这里采用液晶显示器LCD。LCD体积小、重量轻、功耗低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。要利用LCD显示器，必须有相应的LCD控制器，以及一定空间的ROM和RAM。现在许多厂家已经将LCD控制器、RAM, ROM, LCD显示器用PCB连接到一起，称为液晶显示模块LCM。使用者只需要向LCM输入相应的命令和数据就可以实现所需要的显示，这种模块与单片机很容易实现接口，使用灵活、方便。本系统选用了广州致远电子有限公司的ZY886B型液晶显示模块， ZY886B型显示模块是为IC卡水表配套制作的专用液晶显示组件之一可广泛应用于智能小区居民用水及工业用水等各领域，该模块与单片机的接口简单方便且在不需显示时可将它的功耗降为0，该模块还为您提供了丰富的显示信息。其基本特性有：操作电压2.4V5.2V；内置256KHz RC振荡器，也可使用32.768KHz晶振或256KHz外部时钟源；掉电模式可降低功耗；内置32X4位显示RAM；3线串行接口；读/写地址自动增加。ZY886B型显示模块图如图3-15所示：图3-15 水表LCD模块显示图LED1、LED2、LED3、LED4 分别指示当前工作状态正常显示状态全显示状态掉电状态关电源状态KEY 按键用于工作状态切换，每按一次键改变一次工作状态。图3-16 ZY886B引脚图说明：/CS：片选端。/WR：读写控制端。DATA：数据端。ZY_LED1-4：LED控制端。ZY_KEY：液晶显示切换按键控制端。3.4.9 MCU图3-17晶体振荡器电路图3-18MCU电路图说明：ATmega16：水表控制器核心。第四章 智能水表的软件设计根据本项目的应用背景，通过对应用需求的分析，基于智能卡的预付费水表应用系统的软件设计应遵循便于扩展和便于维护的原则，采用“模块化”的设计方法，所设计的软件应具有功能齐备、扩展灵活、操作简便的特点27。4.1软件设计原则在系统的开发过程中要特别注意对代码进行优化，以尽可能地提高代码的执行效率，减少代码的大小28。系统开发中除了硬件低功耗措施外，也可以从软件方面来设计。系统软件低功耗措施一般涉及到处理器工作状态间的切换、应用模块软件算法的选择和系统整体的数据调度三个方面。处理器一般都为应用开发提供了三种工作状态：运行、空闲和休眠。通常大部分时间里系统是处于休眠状态的，一旦获得工作信号，会迅速切换到工作状态。当系统在工作状态下一定时间内没有获得下一次需要处理的信息时，则应该自动切换到空闲或者休眠状态。因为在不同的工作状态，处理器内部工作电路有所变化，功耗大小差别较大。在不影响系统正常运行的过程中，尽最大可能使系统处在空闲或者休眠状态来降低功耗29。在设计和开发单片机应用系统时，一般难以周全地预计到单片机系统在实际的运行中可能遇到的各种干扰和自身的随机性故障，除了采取防止和抑制干扰的各项措施外，还应该使系统具备被干扰后的迅速自行恢复能力。除了温度、湿度的影响外，强烈的电场磁场以及电源或机械的干扰都有可能使计算机系统发生异常，计算机程序指针PC失控就是常见的故障之一，一旦发生PC失控乱“飞”，计算机系统就会出现工作混乱，造成数据丢失等故障。因此设计上应充分考虑系统的可靠性，在单片机软件设计上可以采用设置“软件陷阱”等解决方法，在管理软件的设计上可以采用“事务处理”等解决方法30。智能卡预付费水表的使用流程:（1）发卡，计算机销售管理系统建立好用户卡文件结构，对卡片进行初始化，并完成密钥的下装。（2）将智能卡表的生产密钥替换成运行密钥。（3）投入实际运行。4.2智能水表功能模块设计 MCU程序采取前后台处理方式。后台做事件处理标志并接收数据，前台根据标志处理相应的数据。后台程序为中断程序。被以下事件触发后执行，并接收相关数据，做事件处理标志。MCU程序在上电复位后，完成对MCU的初始化程序后，进入前台主程序流程。在完成主程序流程后，即进入休眠状态飞等待后台程序将MCU唤醒。程序分为以下几个模块，初始化模块、水量计量模块、卡处理模块、定时事件检测和处理模块、阀门处理模块。每个模块任务单一，独占当前资源，中断程序尽可能少的占用资源和时间，做到最小的堆栈、最大的RAM利用率。同时每个模块单独处理事务，可以方便的进行独立的编程、调试、测试。ATmega16单片机对智能卡的操作按下几个步骤进行，如图4-1所示：图4-1程序流程图依次调用水量事件处理程序、卡处理程序、定时事件处理程序、显示事件处理程序、阀门事件处理程序、FLASH事件处理程序完成水表工作流程，然后进入低功耗模式，等待秒中断的唤醒。整个流程每秒钟执行一次。4.2.1初始化模块初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器设置初值、液晶显示设置等。接着进入主循环，判断故障、判断电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池；当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。初始化模块