0?引?言?
??? 隨著信息技術的不斷發展，人類的生產、生活方式都發生著日新月異的變化，在許多與日常生活緊密相關的領域，都采用了基于IC卡的管理方式．如今，IC智能卡自動電表抄表系統，煤氣、自來水表系統，公交、地鐵自動售票檢票系統，移動通信手機中IC智能SIM?卡等，已成為生活的一部分．?
??? 給出一種低功耗智能IC卡冷水表的設計方案與實現方法，實現的水表具有水量顯示、水量累計，電磁閥控制，操作記錄，防強磁場干擾，防拆，欠壓報警等功能，是一種取代舊式機械水表且具有推廣應用價值的產品．?
1?智能IC卡冷水表的結構設計與功能設計
1．1?智能IC卡冷水表結構設計?
??? 低功耗智能IC卡冷水表，主要由控制單元，輸入單元，輸出單元，?監視／存儲單元，執行部件組成，其中控制單元采用PIC16F73?E?單片機實現，輸入單元由流量傳感器、SLE4442IC卡、按鍵組成，輸出單元由專用液晶模塊構成，監視／存儲單元由X5O43和ADS1302實現，執行部件為低功耗電磁閥，整個水表結構框圖如圖?1?。
(1)根據用戶購水量以及消耗情況，執行開關閥動作
??? 用戶將購買一定水量的IC卡插入水表卡座時，水表系統首先自動識別IC卡的有效性，然后讀取卡上的水量數據，并自動打開電磁閥，進行供水，當所購水量消耗完畢以后，自動關閥停水．
(2)欠壓報警?
??? 水表電池電源低于某一閾值時，自動關閥并報警，提示用戶更換電池．?
(3)提供用戶查看累計水量，剩余水量，總水量信息?
??? 通過LCD顯示模塊顯示信息，滿足用戶實際需要．?
(4)加密功能
??? 保證一卡一表，對IC卡及表內信息進行加密，避免非法使用．?
(5)防強磁場干擾?
??? 水表流量傳感器利用干簧管進行水量計數，為了防止外界強磁場的干擾造成水量計數失常，設計過程中利用雙干簧管防止磁場攻擊．?
(6)防拆功能?
??? 用戶私自拆卸水表，導致水表電磁閥自動關閉，無法正常用水，同時記錄用戶的拆卸時間，以備查驗．?
(7)水量消耗計數、累計以及提示功能?
??? 用戶每次充值時，水表對總消耗水量自動累計并保存，對用戶日常生活的水量消耗實時記錄．同時，當用戶可用水量低于2?t時，提示用戶充值，以免給生活帶來不便．?
(8)操作記錄功能?
??? 對用戶插卡、拆表等操作以及操作時間進行記錄，以備查驗．
?
2?智能IC卡冷水表硬件設計?
根據功能需求設計的水表硬件原理圖如圖2，各部分具體介紹如下．
??? IC卡采用西門子SLE4442卡，其接口如圖2?IC卡卡座部分，其中RB2對應IC卡I／O管腳，RBI對應IC卡CLK管腳，RB3對應IC卡RST管腳，L1對應IC卡VCC管腳，RB5為單片機休眠喚醒信號，即插卡后喚醒系統讀卡．?
(2)LCD液晶顯示接口?
??? 水表采用專用液晶模塊SMSO7O8PIC16FT3的RAO、RA4、RA2管腳分別與SMS0708的DI、CLK、CS管腳連接，驅動該模塊．?
(3)電磁閥控制?
??? 電磁閥采用可360。旋轉的球形低壓電磁閥，它具有開、關到位自動斷電的功能，這樣不僅可以降低系統功耗，而且接口電路設計簡單，如圖2電磁閥控制信息部分所示，其中L2為關閥控制信號線，L3為開發控制信號線．?
(4)脈沖計數與防磁功能?
??? 流量檢測傳感器會根據用戶用水情況，觸發水表干簧管接通或者斷開，形成有效計數信號，引起RB7端口電平變化中斷，從而實現計數．
??? 防磁功能通過輔助干簧管實現，在強磁場干擾下，輔助干簧管與計數干簧管同時閉合，使得關閥信號L2有效，關閉水表電磁閥，直到磁場消失恢復正常工作．由于PIC16F73中斷資源有限，計數干簧管與輔助干簧管輸出信號通過或門連接起來，或門輸出直接連接至L2．正常情況下兩個干簧管先后閉合，不會導致電磁閥非法關閉，如有磁場干擾，則它們同時閉合，電磁閥關閉．?
(5)欠壓報警功能?
??? X5043是帶有4K?串行E?zPEOM?的電源監視芯片，利用其電源監視功能實現欠壓報警，當系統電源降到設定電壓(可編程設定)后，RB4出現電平變化，引起中斷喚醒系統，隨后系統將RC4置為低電平報警并關閥，提示用戶更換電池．電路如圖2X5043部分所示，其中RB2為分時共用管腳．?
(6)時鐘電路?
??? 操作記錄少不了對時間以及日期的記錄，本系統時間信息的獲取通過低功耗SPI接口的時鐘日歷芯片DS1302完成，DS1302接口電路部分如圖2，其中RA3、RA5配置為輸出管腳，RA4根據信息讀寫方式，配置為輸入／輸出管腳．?
(7)防拆功能電路?
??? 系統巧妙的利用了水表被拆前后一些關鍵部件的位置改變，在其部位放置特制的開關，利用開關觸發系統外部中斷RB0，從而引起系統報警及操作記錄，電路如圖2防拆開關部分所示．一旦檢測到用戶拆表行為，水表就會停止工作，這種情況下需要專門功能的IC卡，才能使系統恢復正常．?
(8)水表信息查看功能電路
?
??? 本功能由用戶按鍵開關和LCD顯示電路構成，用戶按鍵觸發RB6電平變化中斷，喚醒系統，此后用戶每按一下鍵，系統顯示一種信息，直到用戶停止按鍵一段時間，系統恢復休眠狀態．顯示信息包括剩余水量，累計水量，總水量等．按鍵電路如圖2用戶按鍵部分．?
3?智能IC冷水表軟件設計?
??? 應用軟件采用前后臺工作方式，后臺主程序負責對水表外設操作請求進行處理，在沒有請求操作時進入休眠狀態，前臺中斷服務程序負責在有相應操作請求時喚醒主程序，并置位相應的操作類型標志，以便主程序處理．?
??? IC卡操作包括IC卡驗證、水量充值、低水量信息提示解除功能．所謂低水量信息提示，即當可用水量低于某一預設值時，水表自動關閥提示用戶充值，以免給生活帶來不變．由于水量未到零，所以允許用戶繼續使用，此時只需插卡一次解除提示．IC卡操作會引起電磁閥狀態改變．
??? 按鍵顯示功能，根據按鍵的次數循環顯示當前剩余水量、累計消耗水量、總水量信息。用戶每消耗10L水，計數操作將水量信息減1，消耗水量加1，并將改變后的信息寫入?．值得注意的是計數操會引起電磁閥狀態改變．
4?水表的低功耗設計
??? IC卡水表使用器件均為低壓、低功耗器件·此外，為了降低系統功耗，主程序進行了優化，當只有計數操作請求時，且計數后電磁閥狀態不需要改變，則主程序直接進入休眠狀態．同時，為了降低用戶長時間停用水時，干簧管處于常閉狀態造成的系統能耗，RB7端口接有1?M上拉電阻．由于水表大部分時間處于休眠狀態，并且對操作頻率較高的計數操作進行了優化，整個系統功耗很低，2節3?V，2．8?Ah的電池供電，水表工作時間在10年以上．經測試，水表進入休眠狀態后，在干簧管沒有閉合的情況下消耗電流為1．2?A，在干簧管閉合的情況下消耗電流為13?A；插卡時消耗電流為1．5?mA；水壓1?MPa時電磁閥動作消耗的電流為50?mA，動作時間約為4?S．
5?結論?
??? 介紹了一種基于PIC16F73單片機的低功耗智能IC卡冷水表的實現方法，該方法實現的智能冷水表具有水量顯示、水量累計，電磁閥控制，操作記錄，防強磁場干擾，防拆，欠壓報警等功能，經過實際測試性能指標能夠滿足應用要求．目前，該方法實現的水表已投入實際應用，得到用戶的肯定．
??? 隨著信息技術的不斷發展，人類的生產、生活方式都發生著日新月異的變化，在許多與日常生活緊密相關的領域，都采用了基于IC卡的管理方式．如今，IC智能卡自動電表抄表系統，煤氣、自來水表系統，公交、地鐵自動售票檢票系統，移動通信手機中IC智能SIM?卡等，已成為生活的一部分．?
??? 給出一種低功耗智能IC卡冷水表的設計方案與實現方法，實現的水表具有水量顯示、水量累計，電磁閥控制，操作記錄，防強磁場干擾，防拆，欠壓報警等功能，是一種取代舊式機械水表且具有推廣應用價值的產品．?
1?智能IC卡冷水表的結構設計與功能設計
1．1?智能IC卡冷水表結構設計?
??? 低功耗智能IC卡冷水表，主要由控制單元，輸入單元，輸出單元，?監視／存儲單元，執行部件組成，其中控制單元采用PIC16F73?E?單片機實現，輸入單元由流量傳感器、SLE4442IC卡、按鍵組成，輸出單元由專用液晶模塊構成，監視／存儲單元由X5O43和ADS1302實現，執行部件為低功耗電磁閥，整個水表結構框圖如圖?1?。
(1)根據用戶購水量以及消耗情況，執行開關閥動作
??? 用戶將購買一定水量的IC卡插入水表卡座時，水表系統首先自動識別IC卡的有效性，然后讀取卡上的水量數據，并自動打開電磁閥，進行供水，當所購水量消耗完畢以后，自動關閥停水．
(2)欠壓報警?
??? 水表電池電源低于某一閾值時，自動關閥并報警，提示用戶更換電池．?
(3)提供用戶查看累計水量，剩余水量，總水量信息?
??? 通過LCD顯示模塊顯示信息，滿足用戶實際需要．?
(4)加密功能
??? 保證一卡一表，對IC卡及表內信息進行加密，避免非法使用．?
(5)防強磁場干擾?
??? 水表流量傳感器利用干簧管進行水量計數，為了防止外界強磁場的干擾造成水量計數失常，設計過程中利用雙干簧管防止磁場攻擊．?
(6)防拆功能?
??? 用戶私自拆卸水表，導致水表電磁閥自動關閉，無法正常用水，同時記錄用戶的拆卸時間，以備查驗．?
(7)水量消耗計數、累計以及提示功能?
??? 用戶每次充值時，水表對總消耗水量自動累計并保存，對用戶日常生活的水量消耗實時記錄．同時，當用戶可用水量低于2?t時，提示用戶充值，以免給生活帶來不便．?
(8)操作記錄功能?
??? 對用戶插卡、拆表等操作以及操作時間進行記錄，以備查驗．
?
2?智能IC卡冷水表硬件設計?
根據功能需求設計的水表硬件原理圖如圖2，各部分具體介紹如下．
??? IC卡采用西門子SLE4442卡，其接口如圖2?IC卡卡座部分，其中RB2對應IC卡I／O管腳，RBI對應IC卡CLK管腳，RB3對應IC卡RST管腳，L1對應IC卡VCC管腳，RB5為單片機休眠喚醒信號，即插卡后喚醒系統讀卡．?
(2)LCD液晶顯示接口?
??? 水表采用專用液晶模塊SMSO7O8PIC16FT3的RAO、RA4、RA2管腳分別與SMS0708的DI、CLK、CS管腳連接，驅動該模塊．?
(3)電磁閥控制?
??? 電磁閥采用可360。旋轉的球形低壓電磁閥，它具有開、關到位自動斷電的功能，這樣不僅可以降低系統功耗，而且接口電路設計簡單，如圖2電磁閥控制信息部分所示，其中L2為關閥控制信號線，L3為開發控制信號線．?
(4)脈沖計數與防磁功能?
??? 流量檢測傳感器會根據用戶用水情況，觸發水表干簧管接通或者斷開，形成有效計數信號，引起RB7端口電平變化中斷，從而實現計數．
??? 防磁功能通過輔助干簧管實現，在強磁場干擾下，輔助干簧管與計數干簧管同時閉合，使得關閥信號L2有效，關閉水表電磁閥，直到磁場消失恢復正常工作．由于PIC16F73中斷資源有限，計數干簧管與輔助干簧管輸出信號通過或門連接起來，或門輸出直接連接至L2．正常情況下兩個干簧管先后閉合，不會導致電磁閥非法關閉，如有磁場干擾，則它們同時閉合，電磁閥關閉．?
(5)欠壓報警功能?
??? X5043是帶有4K?串行E?zPEOM?的電源監視芯片，利用其電源監視功能實現欠壓報警，當系統電源降到設定電壓(可編程設定)后，RB4出現電平變化，引起中斷喚醒系統，隨后系統將RC4置為低電平報警并關閥，提示用戶更換電池．電路如圖2X5043部分所示，其中RB2為分時共用管腳．?
(6)時鐘電路?
??? 操作記錄少不了對時間以及日期的記錄，本系統時間信息的獲取通過低功耗SPI接口的時鐘日歷芯片DS1302完成，DS1302接口電路部分如圖2，其中RA3、RA5配置為輸出管腳，RA4根據信息讀寫方式，配置為輸入／輸出管腳．?
(7)防拆功能電路?
??? 系統巧妙的利用了水表被拆前后一些關鍵部件的位置改變，在其部位放置特制的開關，利用開關觸發系統外部中斷RB0，從而引起系統報警及操作記錄，電路如圖2防拆開關部分所示．一旦檢測到用戶拆表行為，水表就會停止工作，這種情況下需要專門功能的IC卡，才能使系統恢復正常．?
(8)水表信息查看功能電路
?
??? 本功能由用戶按鍵開關和LCD顯示電路構成，用戶按鍵觸發RB6電平變化中斷，喚醒系統，此后用戶每按一下鍵，系統顯示一種信息，直到用戶停止按鍵一段時間，系統恢復休眠狀態．顯示信息包括剩余水量，累計水量，總水量等．按鍵電路如圖2用戶按鍵部分．?
3?智能IC冷水表軟件設計?
??? 應用軟件采用前后臺工作方式，后臺主程序負責對水表外設操作請求進行處理，在沒有請求操作時進入休眠狀態，前臺中斷服務程序負責在有相應操作請求時喚醒主程序，并置位相應的操作類型標志，以便主程序處理．?
??? IC卡操作包括IC卡驗證、水量充值、低水量信息提示解除功能．所謂低水量信息提示，即當可用水量低于某一預設值時，水表自動關閥提示用戶充值，以免給生活帶來不變．由于水量未到零，所以允許用戶繼續使用，此時只需插卡一次解除提示．IC卡操作會引起電磁閥狀態改變．
??? 按鍵顯示功能，根據按鍵的次數循環顯示當前剩余水量、累計消耗水量、總水量信息。用戶每消耗10L水，計數操作將水量信息減1，消耗水量加1，并將改變后的信息寫入?．值得注意的是計數操會引起電磁閥狀態改變．
4?水表的低功耗設計
??? IC卡水表使用器件均為低壓、低功耗器件·此外，為了降低系統功耗，主程序進行了優化，當只有計數操作請求時，且計數后電磁閥狀態不需要改變，則主程序直接進入休眠狀態．同時，為了降低用戶長時間停用水時，干簧管處于常閉狀態造成的系統能耗，RB7端口接有1?M上拉電阻．由于水表大部分時間處于休眠狀態，并且對操作頻率較高的計數操作進行了優化，整個系統功耗很低，2節3?V，2．8?Ah的電池供電，水表工作時間在10年以上．經測試，水表進入休眠狀態后，在干簧管沒有閉合的情況下消耗電流為1．2?A，在干簧管閉合的情況下消耗電流為13?A；插卡時消耗電流為1．5?mA；水壓1?MPa時電磁閥動作消耗的電流為50?mA，動作時間約為4?S．
5?結論?
??? 介紹了一種基于PIC16F73單片機的低功耗智能IC卡冷水表的實現方法，該方法實現的智能冷水表具有水量顯示、水量累計，電磁閥控制，操作記錄，防強磁場干擾，防拆，欠壓報警等功能，經過實際測試性能指標能夠滿足應用要求．目前，該方法實現的水表已投入實際應用，得到用戶的肯定．
