吳葉蘭， 鄭淑芳， 陳紅軍， 趙 瑾

（1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.北京淳堂科技有限公司，北京 100081）

非接觸IC卡遠(yuǎn)傳燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳葉蘭1，2， 鄭淑芳1， 陳紅軍3， 趙 瑾1

（1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.北京淳堂科技有限公司，北京 100081）

針對(duì)接觸式IC卡智能燃?xì)獗泶嬖诘膯栴}，根據(jù)燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)的要求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以低功耗單片機(jī)為控制核心，以非接觸式IC卡為信息載體的IC卡預(yù)付費(fèi)智能燃?xì)獗?系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗碇痪哂袉我籌C卡數(shù)據(jù)傳輸功能，增加了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信方式；在計(jì)量方式上給出了氣量計(jì)量和金額計(jì)量?jī)煞N方式，有效克服了燃?xì)庥?jì)量管理中存在的弊端.分析了系統(tǒng)工作原理，利用低功耗設(shè)計(jì)原則給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)通信協(xié)議.本設(shè)計(jì)已在實(shí)際產(chǎn)品中得到成功應(yīng)用.

燃?xì)獗恚环墙佑|式智能卡；預(yù)付費(fèi)；低功耗

1 系統(tǒng)工作原理

預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硎召M(fèi)系統(tǒng)主要由燃?xì)獗?、?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中心組成.燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)對(duì)用戶用氣量的計(jì)量、存儲(chǔ)和傳輸.數(shù)據(jù)中心對(duì)接收的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理功能.為實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗韺?shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：第一種是燃?xì)獗硗ㄟ^IC卡把用戶數(shù)據(jù)傳遞給工作站數(shù)據(jù)庫，工作站通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；第二種是燃?xì)獗砜梢圆捎肦S-485總線與數(shù)據(jù)集中器相連，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，該方式實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夤緦?duì)燃?xì)獗淼膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸.本文主要討論IC卡遠(yuǎn)傳燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)及通信協(xié)議的設(shè)計(jì).

IC卡遠(yuǎn)傳燃?xì)獗砉ぷ髟砣鐖D1所示.它以機(jī)械式燃?xì)獗頌榛?，由光電或霍爾元件采樣將基表的氣體流量信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將該信號(hào)與表內(nèi)燃?xì)饬炕蚪痤~進(jìn)行計(jì)算，并與設(shè)定報(bào)警值進(jìn)行比較，當(dāng)減至設(shè)定報(bào)警值后，將發(fā)出提示信號(hào)并關(guān)閥一次以提醒用戶提前購(gòu)氣；當(dāng)用戶再次插入空卡時(shí)氣表會(huì)重新恢復(fù)供氣，直到剩余氣量（或金額）為零關(guān)閉閥門.如果燃?xì)夤驹O(shè)置該系統(tǒng)具有透支功能，則即使剩余氣量（或金額）減為負(fù)數(shù)后，只要未達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的透支值，用戶可繼續(xù)用氣，當(dāng)用戶重新購(gòu)買燃?xì)夂?，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減去已透支部分.由于在設(shè)計(jì)中加入了對(duì)金額的扣除功能，隨著燃?xì)夤┬桕P(guān)系的變化，可以在表內(nèi)對(duì)用戶的用氣量進(jìn)行費(fèi)用階梯計(jì)價(jià)，以及實(shí)時(shí)更新價(jià)格，有利于燃?xì)赓Y源的合理、有效使用.

圖1 IC卡遠(yuǎn)傳燃?xì)獗砉ぷ髟韴DFig.1 IC card remote gas meter work principle diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括低功耗單片機(jī)、計(jì)量傳感器電路、閥門控制電路、卡座控制電路、電壓測(cè)試電路、液晶顯示屏、聲音報(bào)警電路及通訊接口模塊等.如圖2所示.本系統(tǒng)低功耗單片機(jī)采用的是NEC公司的u78F0451［7］，它是一款常用于家用電器、儀器儀表的高性價(jià)比單片機(jī)；電源模塊采用3節(jié)堿性電池串聯(lián)方式提供4.5 V的電壓，通過穩(wěn)壓芯片將4.5 V的電壓穩(wěn)壓到3.3 V；計(jì)量模塊采用雙干簧管作為脈沖采集器件；低功耗單片機(jī)通過外圍的計(jì)量模塊、RF接口電路、閥門控制模塊以及RS-485通訊接口模塊等了解燃?xì)獗淼倪\(yùn)行狀態(tài)，判斷事件的發(fā)生并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能.

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of hardware

2.1 卡座控制電路設(shè)計(jì)

由于接觸式IC卡電路留有IC卡卡槽，不可能做到完全密封，很容易受到破壞；并且IC卡卡槽也容易受到廚房環(huán)境的污染，從而影響燃?xì)獗淼恼９ぷ?因此，本設(shè)計(jì)采用非接觸IC卡作為數(shù)據(jù)載體，具有控制器全密封、實(shí)現(xiàn)耐環(huán)境、抗惡意攻擊等優(yōu)勢(shì).

卡座控制電路采用MFRC522芯片［8］來實(shí)現(xiàn). MFRC522是高度集成的非接觸式（13.56 MHz）讀寫卡芯片，支持ISO 14443A／MIFARE卡，可實(shí)現(xiàn)與各種不同主機(jī)的接口功能，如SPI，UART及I2C等.卡座電路如圖3所示.

MFRC522芯片與單片機(jī)采用SPI接口，單片機(jī)作為主機(jī)，MFRC522作為從機(jī).單片機(jī)引腳P1.1（SCK），P1.2（MISO），P1.3（MOSI），P4.4（NSS）與MFPC522芯片的SPI引腳相連.為了降低系統(tǒng)功耗，電路采用了分時(shí)供電的方法：只有當(dāng)檢測(cè)到有IC卡靠近時(shí)，控制單片機(jī)引腳P2.1輸出低電平，導(dǎo)通U7，為MFRC522芯片提供電源，其它情況下不為其提供電源.另外，該電路部分中的RF接口也通過控制單片機(jī)引腳P4.3的電平采用分時(shí)供電的方法，只有當(dāng)需要檢測(cè)是否有IC卡靠近時(shí)才為其提供電源，P1.4用來采樣IC卡到位信號(hào).

2014年農(nóng)村水電工作的重點(diǎn)：一是全年新增裝機(jī)200萬kW，全面完成電氣化、代燃料和增效擴(kuò)容改造年度建設(shè)任務(wù)，力爭(zhēng)啟動(dòng)農(nóng)村水電直供電片區(qū)電網(wǎng)改造，積極引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民以被占用的土地、山林補(bǔ)償入股參與農(nóng)村水電建設(shè)，分享發(fā)展成果。二是建立綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，積極爭(zhēng)取激勵(lì)政策，落實(shí)配套措施，在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行全過程推進(jìn)綠色小水電建設(shè)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。三是選擇有一定規(guī)模和一定基礎(chǔ)的1 000座電站開展安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)試點(diǎn)，發(fā)揮示范帶動(dòng)作用，加強(qiáng)安全監(jiān)督，全面提升農(nóng)村水電行業(yè)安全生產(chǎn)水平。四是探索建立農(nóng)村水能資源產(chǎn)權(quán)制度，積極推行資源開發(fā)權(quán)有償出讓和市場(chǎng)化配置，提高資源配置效率和效果。

圖3 非接觸IC卡接口電路Fig.3 Non-contact IC card interface circuit

2.2 閥門控制電路設(shè)計(jì)

由于燃?xì)獗聿捎秒姵毓╇?，?duì)閥門的控制要求做到低功耗.閥門控制電路如圖4所示，它由閥門驅(qū)動(dòng)與反測(cè)閥門到位信號(hào)兩部分構(gòu)成.其中，Driv1和Driv2分別作為驅(qū)動(dòng)閥門開和關(guān)的信號(hào)腳；單片機(jī)引腳P4.0和P4.1則用來控制電機(jī)接口中Driv1和Driv2的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)；P2.4和P2.5分別作為閥門開和關(guān)到位信號(hào)輸入引腳；P3.4為閥門控制模塊供電，該模塊同樣采用了分時(shí)供電的方式，以降低功耗.

對(duì)閥門控制電路的測(cè)試包括：測(cè)試當(dāng)控制閥門打開或關(guān)閉的引腳有信號(hào)輸出時(shí)，電機(jī)接口是否有電壓；測(cè)試當(dāng)閥門打開或關(guān)閉后是否有到位信號(hào).

圖4 閥門控制電路Fig.4 Valve control circuit

3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸可以通過非接觸式IC卡和RS-485總線兩種方式來實(shí)現(xiàn)，要分別對(duì)這兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì).

3.1 IC卡通信協(xié)議設(shè)計(jì)

IC卡片采用MIFARE 1卡，該卡有8 kbit存儲(chǔ)容量，16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)數(shù)據(jù)塊.每一塊燃?xì)獗碚加?個(gè)扇區(qū)，其中，第1、第2個(gè)扇區(qū)為指令區(qū)，第3、第4個(gè)扇區(qū)為返寫區(qū)，如表1所示（見下頁）.卡片數(shù)據(jù)的讀寫都需要進(jìn)行密碼認(rèn)證，使用KEY A進(jìn)行密碼校驗(yàn)，為6字節(jié)密碼.

一套預(yù)付費(fèi)燃?xì)庀到y(tǒng)中卡的種類有很多種，主要有兩大類：用戶卡和管理卡.用戶卡是消費(fèi)者使用的卡片；管理卡是燃?xì)夤竟芾頃r(shí)使用的卡片，一般包括參數(shù)設(shè)置卡、檢查卡、退氣卡、轉(zhuǎn)移卡、校時(shí)卡、密鑰修改卡等.每種卡片都有其用途，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)定義，現(xiàn)以用戶卡為例進(jìn)行描述.

用戶卡由用戶持有，用來完成繳費(fèi)購(gòu)氣，首次購(gòu)氣的稱為開戶卡，購(gòu)氣卡中包含的數(shù)據(jù)有：分區(qū)號(hào)、用戶號(hào)、報(bào)警值、充值限額、透支限額、最低消費(fèi)額、購(gòu)買值，如表2所示（見下頁）.通過購(gòu)氣卡返回的數(shù)據(jù)有：燃?xì)獗肀硖?hào)、剩余值、累計(jì)用氣量、氣表工作狀態(tài)字及月用氣量等.

表1 卡片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明Tab.1 Data structure specifications of card

表2 用戶卡指令區(qū)數(shù)據(jù)項(xiàng)定義Tab.2 Data specifications in instruction area of user card

3.2 RS-485通信數(shù)據(jù)幀定義

RS-485通信協(xié)議按照DLT645-1997通信協(xié)議執(zhí)行，其傳輸幀格式為：幀起始符+控制碼+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域+數(shù)據(jù)域+校驗(yàn)碼+結(jié)束符.

在系統(tǒng)中，485通信幀包括抄收數(shù)據(jù)幀、參數(shù)設(shè)置幀、凍結(jié)指令幀、凍結(jié)數(shù)據(jù)抄收幀及閥門控制幀等.集中器在向燃?xì)獗戆l(fā)送命令幀前，首先發(fā)送三字節(jié)的EFH，用來喚醒燃?xì)獗碇械膯纹瑱C(jī)，之后接著發(fā)送命令幀.如果在20 s之內(nèi)沒有收到燃?xì)獗淼膽?yīng)答幀或接收到的應(yīng)答幀錯(cuò)誤，則集中器將再次發(fā)送命令幀.如果連發(fā)3次沒有得到應(yīng)答或應(yīng)答錯(cuò)誤，說明通信錯(cuò)誤，集中器停止和此燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)通信.表3為抄表命令幀的數(shù)據(jù)項(xiàng)定義.

表3 命令幀數(shù)據(jù)項(xiàng)定義Tab.3 Data specifications of command frame

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

目前單片機(jī)的主流編程語言有匯編語言和C語言.這兩種語言在嵌入式開發(fā)中可以單獨(dú)使用，也可以混合使用.由于本系統(tǒng)的主控芯片u78F0451的RAM和FLASH容量相對(duì)較少，為節(jié)省代碼空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理利用，本系統(tǒng)軟件采用匯編語言，在PM+開發(fā)環(huán)境下，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì).系統(tǒng)軟件功能分為主程序模塊、電源管理模塊、IC卡通信模塊、RS-485通信模塊和燃?xì)獗砉δ苣K5大部分，如圖5所示.系統(tǒng)的軟件程序固化在u78F0451單片機(jī)的內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器中.

4.2 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序由初始化和主循環(huán)兩大部分組成.其中，主循環(huán)是程序的主體，具體功能則通過調(diào)用相應(yīng)的子程序來實(shí)現(xiàn).當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后將FLASH中的本機(jī)數(shù)據(jù)讀出，判斷是否滿足打開閥門的條件，滿足條件后打開閥門，在液晶屏（LCD）上顯示本機(jī)參數(shù)，最后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待氣流脈沖、插卡等中斷喚醒.主程序流程圖如圖6所示.

主體循環(huán)程序主要實(shí)現(xiàn)485通信、磁干擾、IC插卡、電池電壓檢測(cè)、開關(guān)閥以及更新FLASH的檢測(cè)和處理.

圖5 軟件功能模塊圖Fig.5 Block diagram of software

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 Flow chart of sytem′s main program

由于系統(tǒng)采用電池為電源，故具有低功耗的特點(diǎn).低功耗有兩種模式：HALT模式和STOP模式.在HALT模式中，CPU操作時(shí)鐘停止，但高速系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器、內(nèi)部高速振蕩器、內(nèi)部低速振蕩器或副系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器可以繼續(xù)使用，所以，其工作電流不如STOP模式下降得多；而在STOP模式中，高速系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器和內(nèi)部高速振蕩器停止操作，整個(gè)系統(tǒng)的操作停止，這樣CPU的工作電流將會(huì)大幅下降（比HALT模式小得多）.在本系統(tǒng)中，采用STOP模式，主循環(huán)程序結(jié)束后，進(jìn)入STOP模式，等待中斷喚醒.

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)總體測(cè)試包括功能測(cè)試、低功耗測(cè)試和強(qiáng)度測(cè)試三大部分.其中，低功耗測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)中各模塊能耗進(jìn)行測(cè)量，如表4所示.從表4中可以看出，電源電壓檢測(cè)模塊能耗由兩部分組成：一是實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，以檢測(cè)電池是否被取出；二是每12天對(duì)電池進(jìn)行放電檢測(cè)，能耗約為60 mA，但該模塊大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)；卡座和閥門模塊能耗約為47～48 mA，它們只在需要時(shí)才處于工作狀態(tài)，其余大部分處于休眠態(tài)；蜂鳴、LCD顯示模塊等也僅在需要的情況下才使用.因此，在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)大部分時(shí)間的電流消耗約為

本系統(tǒng)采用3節(jié)堿性電池串聯(lián)方式來提供電源，通過分析系統(tǒng)的整體功耗，假定單節(jié)電池放電到1.2 V左右時(shí)系統(tǒng)就不能正常工作了，計(jì)算出燃?xì)獗砉ぷ鲿r(shí)間可達(dá)到3～6年.

表4 系統(tǒng)中各模塊的能耗測(cè)試Tab.4 Energy consumption test of system modules

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)以預(yù)收費(fèi)為目的的非接觸IC卡智能燃?xì)獗恚撌隽酥悄躀C卡燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)方案、工作原理、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)通信協(xié)議等內(nèi)容.通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體測(cè)試，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)定要求，具有功能全面、運(yùn)行穩(wěn)定及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)燃?xì)獗硎袌?chǎng)的需求.本設(shè)計(jì)的特色及創(chuàng)新之處在于：改進(jìn)了傳統(tǒng)IC卡燃?xì)獗頂?shù)據(jù)通信方式，增加了RS-485數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信方式；在軟硬件設(shè)計(jì)中采取了分區(qū)供電、分時(shí)供電的方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗，延長(zhǎng)了電池使用壽命；在計(jì)量方式上進(jìn)行了創(chuàng)新，克服了傳統(tǒng)表只能對(duì)用氣量進(jìn)行計(jì)量的局限性，設(shè)計(jì)了對(duì)金額的計(jì)量，能有效避免囤氣現(xiàn)象，以更有效地利用資源.本設(shè)計(jì)已在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用，其方法對(duì)其它流量計(jì)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的借鑒性.

［1］ 張濤.IC卡燃?xì)獗砑叭細(xì)忸A(yù)收費(fèi)方式的發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)計(jì)量，2010（1）：58-60.

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［7］ NEC corporation.NEC 78K0R／IB3 datasheet［DB／OL］.［2009-09-01］.http：∥www.mcudata.com／Webmaster／NECdanpianji／2009／0901／3724.html.

［8］ Philips corporation.MFRC522.pdf datasheet［DB／OL］.［2011-12-14］.http：∥www.nxp.com／documents／data_sheet／MFRC522.pdf.

（編輯：石 瑛）

Design and Implement of Non-contact IC Card and Remote Gas Meter

WUYe-lan1，2， ZHENGShu-fang1， CHENHong-jun3， ZHAOJin1
（1.College of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；2.School of Mechanical and Vehicle Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Beijing Chuntang Technology Co Ltd，Beijing 100081，China）

Considering the present situation and exisiting problems in IC card gas meter，based on the requirement and characteristics of gas charging，a non-contact IC card prepayment intelligent gas meter was designed，taking low-power MCU as a control core.The system offers the remote data communication function to solve the problem that the traditional prepayment gas meter has only the single function of IC card data transmission.To overcome the shortcoming of the present gas charging management，two forms of measurement were designed，including money measure and magnitude measure.The system principle was intriduced，the hardware and software were designed in accordance with the low-power design principle and the data communication protocols were provided.The system has been applied in the practical products successfully.

gas meter；non-contact IC card；prepayment；low-power consumption

TP 29

A

1007-6735（2013）04-0367-06

2012-10-30

北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目（PHR201108088）

吳葉蘭（1970-），女，副教授.研究方向：儀器儀表、嵌入式技術(shù)應(yīng)用.E-mail：wyl315＠sina.com.cn