摘 要：以MSP430F413作為微控制器，提出了一種接觸式IC卡智能水表的設計方案。針對MSP430單片機的低功耗特性和工作原理，設計了一套適應低功耗需求的硬件電路和軟件流程。
0引言
隨著電子技術、傳感器技術的日趨成熟， 實現自來水收費管理的電子化、信息化已成為可能。目前市場上已經出現了各種形式的電子水表。按照抄表的方式主要可以分為網絡式和分立式。由于在某些場合需要對舊的水表系統改造，如果采用網絡式抄表方式需要進行抄表線路的鋪設，這給施工帶來很大的問題。而分立式的IC卡水表收費系統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。基于這一思路我們設計出了基于MSP430的超低功耗接觸式IC卡水表。
1系統原理及功能介紹
1。1工作原理
1．1．1 MSP430F413簡介
主控芯片MSP430F413采用1．8—3．6V供電，有5種低功耗模式，最低耗電在0.7 μA左右，活動模式耗電在205μA，I／O輸入端口的漏電流最大僅50 nA， 從低功耗模式轉向活動模式只需6μs，這些特性使得單節2．4Ah的電池可以保證系統正常工作超過6年，達到了業界要求的工作年限標準。同時MSP430F41 3還集成了96段液晶驅動器， 簡化了水表的人機界面設計。
1．1．2系統簡介
接觸式IC卡水表主要由MCU、電源監測、IC卡讀寫模塊、電動閥門、水流傳感器、液晶，非易失性存儲器、蜂嗚報警8個模塊組成(見圖1)。
圖1系統框圖
電源監測模塊采用HOTEK公司的HT7027A， 當該芯片檢測到電源電壓低于2．7V時，會觸發1個低電平信號，單片機檢測到低電平信號時發出報警，并關閉閥門。
水流傳感部分采用磁敏元件干簧管。水流帶動水表中的磁體旋轉，當磁鐵靠近干簧管時，干簧管導通，此時單片機會在相應的端口檢測到低電平。為了避免重復計數，在水表中安裝了3個干簧管，只有當單片機先后檢測到3個不同的干簧管導通時才算作1次有效的計數。
當讀卡器有IC卡插入時， 卡座上的卡簧常開觸點閉合，在單片機的I／O口檢測到低電平輸入，轉入讀寫卡操作的程序。主要的卡型分為開戶卡、用戶卡、管理卡、數據采集卡以及清零卡。對于不同權限卡，系統分別作以不同的處理。
1。2系統功能
(1)讀卡、寫卡， 并根據卡的內容進行開戶，上傳水表數據、開關閥等操作。
(2)增、減計數以及存儲當前的剩余水量和總用水量。
(3)液晶顯示。
(4)當計數滿足一定條件時進行相應的報警、開關閥動作。
水表使用中剩余水量遞減，總用水量遞增。當剩余水量小于X 噸時，液晶顯示“請購水”，水表自動關閥。此時插入用戶卡可重新開啟閥門，但此時用戶務必盡快購水，當用水量小于y噸時，此時水表會第二次關閉閥門，這時只能憑借充過值的用戶卡才能開啟閥門。其中Y<X，x，Y的值由出廠時廠家設定。
2硬件設計
2．1外圍E PROM以及單片機內部flash
MSP430F413內部集成了256個字節的flash存儲器，但由于flash只能按段擦寫， 同時為了保證水表的數據能夠在單片機出現問題后不會丟失，采用24C02作為外部存儲器以確保數據保存的可靠性。水量等重要數據在單片機和外部存儲器內均留有備份。為了極大可能的降低水表的功耗， 對于外部的EEPROM我們采用了導通式的供電方式，這一過程通過1個三極管來實現當需要對E PROM進行讀寫操作時， 通過1個I／O口來控制三極管的導通，從而實現對EEPROM的供電控制。
2．2閥門控制電路
2-2．1閥門電機驅動
對于電機模塊， 我們通過控制2個I／O口P6．6和P6．7上的電平高低使得流過電機的電流有正反2個方向，實現直流電機的正反轉，如圖2所示。
圖2電機閥門模塊原理圖
2-2-2光電傳感器在閥門檢測上的應用
光電傳感器的基本轉換原理是將被測參數轉換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉換成電信號的輸出。常用的光電傳感器是采用發光二極管作為光源，光源經過透鏡聚焦于空間某一點。如果在該點有障礙物，光就照不到光敏二極管上， 電路處于偏置狀態，PN結截止，反向電流很小。當沒有障礙物遮擋時，光照到光敏二極管上時，PN結附近產生電子— — 空穴對，并在外．電場和內電場的共同作用下，漂移過PN結，產生光電流。此時，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導通狀態。
為了保證單片機可以精確監測閥門的開關狀態，我們在控制閥門開關的齒輪上安裝了2個光電傳感器 齒輪的最大轉動角為90度，0度和90度分別對應著開和關2個狀態，光電傳感器就分別安裝在相互垂直的這兩端。
利用2個I／O口來檢測這兩個光電傳感器的導通狀態。當閥門轉到對應的狀態上時，對應的I／0口觸發1個上升沿的中斷信號，從而及時通知單片機切斷對直流電機的供電，避免因電機堵轉造成對電機的損害，并極大可能的減少系統消耗的能量。
2．3計數電路
2．3．1水流傳感器
水流傳感器的基本原理是在普通轉盤計數的水表中加裝干簧管和磁鐵，干簧管固定安裝在計數轉盤附近，永磁鐵安裝在計數盤(本系統O．O1立方米)位上，當轉盤每轉1圈，永磁鐵經過于簧管1次即在信號端產生1個計量脈沖。
在管道系統中， 如果發生液流瞬變流動，管流的流速、壓力等參數均隨時間變化。流速突然變化會引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現象，管道將發生劇烈振動和較大的聲響， 這種劇烈的抖動可能造成干簧管簧片在很短時間里，頻繁地吸合，發出大量的脈沖。造成計數偏差， 為了避免這種現象的發生，如圖3，將3個干簧管分別通過上拉電阻接人單片機的3個不同的I／O口。水流帶動中間葉片上的磁體旋轉， 當磁體靠近干簧管時，對應的干簧管導通。
圖3水流傳感器示意圖
為了防止因為水的回流引起的多計數，我們在程序中設置了增計數和減計數功能。當水流方向為逆時針時，干簧管的導通次序應該依次為A-B-C-A，反之，當水流方向為順時針時，導通次序為C-B-A-C。這樣我們就可以根據干簧管的導通次序來判斷水流的方向。
通過定時器控制，定時中斷到來時先拉高P6．0口(如圖4所示)， 然后檢測ABC 3個干簧管的導通狀態，例如干簧管A處于導通狀態，A口對地短路， 當我們拉高P6．0時，從P6．1檢測到的電平信號應該為1個低電平，而P6．2，P6．3檢測到的電平信號仍然為高電平。以此來判斷是不是要進行計數操作。查詢結束后將P6．0口置低，等待下一次的定時器中斷到來。
圖4計數單元電路及讀卡器接口
2．4讀卡器接口電路
SLE4428卡是西門子公司下屬的Infineon公司生產的接觸式邏輯加密存儲卡。符合ISO7816標準，具有1 024個字節尋址E PROM，每個字節具有不可恢復的寫保護功能。片內具有2個字節的可編程密碼保護功能，只有在正確校驗PSC后數據才能被改寫。
SLE4428卡有8個管腳， 與操作命令有關的是RST復位引腳，CLK時鐘輸入端，SDA雙向數據端。所有的地址，數據和命令都通過SDA端輸入輸出。為了能夠識別是否有卡插入，在單片機上設置了1個[／O口(P6、4)連到讀卡器的卡簧(見圖4)，當讀卡器有卡插入時，P6．4口對地短路， 從P6、4口檢測到低電平，從而可以判斷卡簧是閉合還是分離， 以此來通知單片機是否需要進行讀寫卡操作。
3軟件流程
系統的主要流程見圖5。
圖5主程序流程圖
程序中我們對各個接口模塊均采用查詢而不是中斷的方式進行操作。整個系統中處于等待模式時只有1個定時器中斷，定時器的中斷時間為0．25S。這使得程序可以在預先設定的范圍內跳轉，有效避免了中斷的嵌套以及可能引起的中斷沖突。同時0．25s的中斷問隔完全可以滿足計數要求，用戶插卡后最長需要等待0．25s單片機就可以轉入讀寫卡模塊處理。圖6為讀寫卡模塊的流程圖。
圖6讀寫卡模塊程序
為防止單片機在長時間無人堅守的情況下運行異常，我們使用了單片機內部的看門狗模塊來監測程序的運行。在每次的定時器中斷處理程序中清除看門狗定時器的計數。這樣當程序跑飛或陷入死循環時，可以通過看門狗對系統進行復位。
4性能分析及測試
如圖6所示， 當系統處于0、25s的睡眠狀態時，HT7207A(voltage detector)和單片機消耗電流總和約為3μA。當系統從睡眠中喚醒時，進入100μs的中斷處理程序，這期間除MCU進入活動狀態外， 還要對部分端IZl進行上拉操作，系統消耗的總電流大約為300μA。
圖7 系統功耗圖
液晶顯示平均耗電20μA， 電機模塊運轉時消耗電流大約為21 mA。但液晶顯示和電機模塊只有在讀寫卡和報警關閥時耗電，且每次讀寫卡和閥門操作的時間不會超過10s，1個月內一般不會超過1次讀寫卡操作，其余時間這兩個模塊均為關閉狀態。由于系統中還存在微弱的漏電流影響，實際測得的平均電流大約為3-4 μA。1節2．4Ah的電池至少可以供系統使用6年。
5結束語
本文的設計思路圍繞低功耗和高可靠性2個方面，以MSP430F413作為主控芯片， 通過對外圍電路的優化，極大程度上降低了水表的功耗，延長了電池的使用壽命。
在軟件方面采用查詢方式檢測外圍接口的狀態代替以往常用的中斷方式，使得程序的流程更加清晰的同時保證了系統的可靠性。
作者簡介：作者簡介：李采超(1983一)，男，碩士研究生，主要從事智能化控制技術的研究；
殳國華(1969一)，男，副教授，主要從事電力電子、智能控制方向的研究。
參考文獻
沈建華，楊艷琴，瞿驍曙．MSP430系列16位超低功耗單片機原理及應用．北京：電子工業出版社，2004
魏小龍．MSP430系列單片機接口計數及系統設計實例．北京：北京航空航天大學出版社，200
