關鍵詞：射頻卡水控  水控終端  水控  射頻卡 
摘  要：隨著計算機、微電子以及工業數據通信技術的發展，這些問題已有較好的解決方法,本文介紹一種基于CAN總線和射頻卡技術的水控終端的設計方案。 　　隨著水資源的日益短缺，節水已成為各個用水單位、整個國家以及世界各國的重要課題。在我國，用水存在著巨大浪費,這既有政策方面的問題也有技術層面的原因。要實現用水的現代化管理，水控終端的研制和改進是一個重要課題。一個具備較高自動化程度的水控終端所要解決的技術問題很多，包括：閥門控制、身份認證、水費支付、數據采集、數據管理等。隨著計算機、微電子以及工業數據通信技術的發展，這些問題已有較好的解決方法,本文介紹一種基于CAN總線和射頻卡技術的水控終端的設計方案。

　　一、射頻卡技術簡介

　　目前常用的IC卡有兩種：接觸式和非接觸式IC卡。接觸式IC卡通過機械觸點從讀寫器中獲取能量和交換數據，應用比較廣泛，但有時機械觸點接通不可靠，且觸點容易被腐蝕和污染，在有些領域應用受到限制；非接觸式IC卡通過線圈射頻感應從讀寫器獲取能量和交換數據（又稱射頻卡），它存儲量大，成本低，適用于某些有特殊要求的場所。非接觸識別已經逐步發展成為一個獨立的跨學科的專業領域，涉及高頻技術、半導體技術、數據保護、密碼學、電信等，它將大量來自不同專業領域的技術綜合在一起,應用已經趨于成熟。

　　射頻卡卡片的電氣部分由一個天線和ASIC組成。卡片的天線是有幾組繞線的線圈，適于封裝到卡片中。卡片的ASIC由一個高速（106KB波特率）RF接口，一個控制單元和一個8K位EEPROM組成。卡分為16個扇區，每個扇區由4塊（塊0、塊1、塊2、塊3）組成，將16個扇區的64個塊按絕對地址編號為0～63。卡片的存儲內容由用戶根據需要自己定義，下面是一種身份識別系統的存儲方案，如圖1所示：

 

二、水控終端硬件設計

　　水控終端主要實現數據顯示、用戶身份識別、消費數據存儲、參數存儲、黑/白名單檢索、CAN數據通信、流量脈沖采集、電磁閥驅動等功能。其硬件系統結構框圖如圖2所示：

 

 

1. 射頻卡驅動電路：

　　選用復旦微電子公司的FM1702或飛利浦的RC500，這兩種芯片都是基于ISO14443 標準的非接觸卡讀卡機的專用芯片，支持ISO14443 typeA 非接觸通信協議，支持MIFARE 標準的加密算法。芯片內部高度集成了模擬調制解調電路，只需少量的外圍電路就可以構成讀寫卡電路。

　　天線諧振頻率的調整難度較大，有條件最好使用阻抗分析儀，可精確獲得天線阻容元件的匹配參數，但阻抗分析儀價格昂貴，沒有這種設備條件的設計者一般可使用雙蹤示波器采用李沙育圖形法或根據經驗公式數據反復試湊也可獲得較好的讀卡效果。

　　2. CAN通信電路：

　　由CAN通信控制器SJA1000(數據鏈路層芯片) 和電平轉換器82C250（物理層芯片）組成。SJA1000的外圍電路和通信程序都有很成熟的方案和資料可以借鑒，這里不再介紹。為充分發揮CAN總線技術的優勢，應盡量采用CAN2.0B方式，以提高通信效率。波特率的選取要根據通信距離而定，不要盲目追求高波特率，過高的波特率會造成通訊錯誤增多，反而會降低通信效率。

　　CAN總線不提供應用層協議規范，一個強壯的應用層協議對應用系統是至關重要的，如果應用層協議較復雜，可參考CANOPEN或DEVICENET等標準協議。

 

3. 數據存儲電路：

　　由鐵電存儲器FM24C256和FLASH存儲器AT24C256組成。使用鐵電存儲器FM24C256存儲消費數據，雖然成本較高，但寫入次數可達10億次，保證了數據存儲的可靠性。選擇FLASH存儲器AT24C256存儲黑名單信息，是考慮到這部分數據寫入并不是很頻繁和AT24C256成本較低。

　　4. 顯示電路：

　　使用七段數碼管或液晶顯示模塊均可。這要視用戶現場的使用環境而定。如果使用環境溫度保持在10-30攝氏度范圍內 ，且不存在特殊的機械強度、防水密封等要求，建議使用液晶顯示模塊，因為液晶顯示模塊具有顯示內容豐富、直觀、外形美觀、低功耗等的諸多優點。但如果使用現場是環境溫度變化范圍較大、并存在防水密封要求的場合（例如浴池等場所），則顯示器件盡量選用數碼管。

　　5. 采樣電路：流量計量方式的水控終端通常配接脈沖發訊式水表，采樣電路主要由限流電阻和光電耦合器組成。

　　6. 閥門驅動電路：

　　閥門驅動電路負責開關控水閥門，如控水閥采用電磁閥，驅動電路較簡單；如控水閥采用球閥，則要考慮換向的問題，驅動電路稍復雜一些，可采用單刀雙置型繼電器實現對球閥的驅動，由于繼電器接點使用壽命有限，常常采用四只三極管實現換向供電的球閥驅動電路。

　　7. 時鐘電路：

　　水控終端具有一個實時時鐘是有必要的，特別是在一卡通計費系統當中，消費流水數據必須具有時標，才能標識出消費數據發生的先后順序，以滿足各種結賬方式的要求。 本設計采用串行時鐘芯片DS1302，DS1302具有體 積小、價格低、接口簡單、提供涓流充電等優點，從而成為最常用的時鐘芯片，DS1302外接鈕扣充電電池構成時鐘電路：

　　三、水控終端參數配置

　　下面簡單介紹水控終端的參數配置，以使讀者對水控終端的功能有一個較全面的認識。由于用戶需求可能較復雜，且用戶要求終端參數能夠由管理中心在線靈活配置，這就要求終端參數能夠通過CAN網絡進行設置并存儲在自己的非易失性存儲器內。各參數具體意義如下：

　　1. 部門代碼：在上位機管理軟件中，已建立了各級用水部門的樹形結構，并給每個部門分配了部門代碼。各個水控終端隸屬于某個部門，“部門代碼”屬性就表明了該終端位于何處。并且“部門代碼”也出現在該終端上傳的消費數據中，以支持管理軟件實現按部門進行用水量統計和結算。
　　2. 工作扇區：該屬性標識終端要識別MF1射頻卡的哪個扇區。
　　3. 黑/白名單：該屬性標識終端工作在黑名單模式還是白名單模式。
　　4. 開放狀態：該屬性決定終端是否響應用戶的刷卡操作，這個屬性可用于遠程關閉終端。
　　5. 濾波時間：由于終端接收的流量信號是寬度變化的脈沖序列（即韋根信號），可能受到雜波的干擾，該參數決定了終端的濾波常數，也就是終端能夠接收到的最窄脈寬。
　　6. 脈沖當量：該屬性標識了每升水對應的脈沖數量。
　　7. 球閥行程：該屬性決定了終端輸出開閥信號的時間長度，也就決定了球閥的開度。
　　8. 設備狀態：該屬性標識了終端自身當前的報警或工作狀態。
　　9. 無卡有脈沖報警：當閥門或終端控制器閥門驅動電路故障時，可能出現即使用戶不刷卡也流水的情況，出現這種情況時，終端應及時向上位機報警。該參數給出了產生“無卡有脈沖報警”的閥值。
　　10. 有卡無脈沖報警：當流量發訊器或終端控制器采樣電路故障時，可能出現即使用戶刷卡不計費的情況，出現這種情況時，終端也應及時向上位機報警。該參數給出了產生“有卡無脈沖報警”的閥值。
　　11.終端地址：該屬性決定了終端設備在CAN網絡中的地址，并且是唯一的。
　　12. 終端設備類型：該參數有三個備選項： 刷卡終端、遠傳計量終端、門禁終端
　　13.終端計量類型：該參數有四個備選項：自來水、生活熱水、開水、恒溫洗浴水
　　14.終端賬戶類型：該參數有兩個備選項：公共賬戶終端、個人消費終端
用戶可能需要的所有種類的水控終端設備均可用上述三種類型組合描述。
　　15.用戶代碼和種子密鑰：這兩個屬性是和卡片加密有關的參數。

　　四、結束語

　　作為民用產品，價格因素顯得尤為重要。在方案設計和器件選型過程中，應在功能夠用的前提下，盡量降低成本，但也必須考慮產品的可靠性和穩定性指標，這就要求設計者仔細斟酌技術方案，以求得最佳的產品性價比。

　　本文作者創新點：

　　1．目前水控終端的通訊方式幾乎都是RS485方式,存在速度慢、可靠性差、通訊距離短等諸多問題。CAN總線技術能夠很好的解決上述問題，CAN總線技術雖然已在工業自動化控制領域已有廣泛應用，但在水控系統中應用CAN總線技術，是一種較新的應用方案。
      2．本文給出了一套完整的水控終端參數設置方案，可適應各種不同功能要求的水控系統。這種方案經實踐證明設計合理，功能全面，對于類似的系統，具有較高的借鑒價值。

　　參考文獻：

　　1. CANopen 協議_流行歐洲的CAN-bus高層協議
　　http://www.zlgmcu.com/philips/can/CANopen.asp
　　2. 陽憲惠 ，工業數據通信與控制網絡/新編信息控制與系統系列教材，清華大學出版社
　　3. 嚴光文 張其善 射頻卡讀寫模塊的設計 北京航空航天大學電子工程系
　　4.劉天華等 智能射頻卡在校園一卡通系統中的應用 微計算機信息 2006 35期