發布日期：2022-05-12 點擊率：62
摘 要：本文以Freescale MC9S08GB32 和MC68HC908JL8 單片機為實現載體，提出了一種非接觸式IC 卡工業水表及其售水系統的設計方案。系統包含了非接觸式IC 卡讀寫卡器、售水系統軟件、非接觸式IC 卡工業水表三個部分。文章主要闡述工業水表部分的功能、硬件設計和軟件設計，對其中的關鍵實現技術進行了深入分析。同時，文章也對讀寫卡器及售水系統軟件的設計思想進行簡要介紹。
關鍵詞：非接觸式IC 卡，MC9S08GB32，MC68HC908JL8，刷卡機，基表
1 引言
近幾年，智能IC 卡的應用在我國已經十分普遍。在水表行業中，機械式工業水表已逐漸被嵌入式IC 卡智能水表所取代。后者的出現，促進了水資源管理部門對水資源的科學管理，同時提高了工業用戶對水資源的利用率。非接觸式IC 卡工業水表，改革傳統抄表與收費問題，改用非接觸式IC 卡實現預付費，完成“先付費再用水”和持卡消費的先進模式，減少勞動強度，節約勞動力；水量記錄、計費由計算機完成，準確、可靠、及時；鼓勵用戶節約用水。此外該款工業水表更具有自己的特點和優勢，彌補當前因工業水表少而帶來的功能不健全，系統不穩定等弱點。隨著社會發展的需求，工業水表的智能化程度還將會有更大的提高。
2 設計概述
非接觸式IC 卡工業水表包含兩塊設備。一塊連接水管并埋入地下，另一塊放置于操作臺上，兩者通過串行線相連。系統中定義地下部分為“基表”，而與其相連的操作設備為“刷卡機”?；碡撠熡涗?、計算用水水量，刷卡機負責信息查看，兩者共同完成用戶的購水操作。
2.1 基表
基表記錄用戶剩余水量、報警水量、透支水量，這些水量信息會隨著用戶用水情況實時更新；同時，再結合系統工作情況共同控制送水閥門的開、關操作；基表定時更新記錄在FLASH 中的水量信息。圖1 給出了基表的功能框圖。
圖1 工業水表――基表功能框圖
2.2 刷卡機
刷卡機，與售水系統、讀寫卡器一起提供刷卡使能；它的LCD 顯示用戶的剩余水量和系統當前的工作情況；刷卡機的電源模塊同時給基表與自身供電。圖2 給出了刷卡機的功能框圖。
圖2 工業水表――刷卡機功能框圖
2.3 讀寫卡器與售水系統軟件
讀寫卡器與售水系統軟件提供給水資源管理部門使用。用戶開戶、購水、注銷帳號等操作由售水系統完成，同時售水系統軟件提供了日、月、年報表以及一些特殊功能，比如用戶過戶；軟件系統的維護可以在本地計算機完成。系統內有多個數據庫，記錄用戶相關信息。
系統工作原理是：用戶先到水資源管理部門購買非接觸式IC 卡并開戶或者持原有卡購水；售水系統將相應信息寫入IC 卡；用戶在刷卡機上刷卡，并與基表一起完成用戶身份的核對，成功后將購買水量累加到水表的剩余水量，作為新的用戶可用水量。
用戶用水過程中，卡內剩余水量會相應減少；當降到報警水量時（由用戶與水資源管理部門商定），系統會報警，提示水量不足；繼續使用到透支水量（同樣由用戶與水資源管理部門商定），系統會自動關閉閥門，停止供水。系統在遇到因客戶操作不當而導致的錯誤的時候，會給出錯誤操作提示，必要時候會關閉閥門。如此可以同時保證客戶與水資源管理部門的利益不受到侵犯。
3 刷卡機與基表
針對圖1 和圖2 的系統功能框圖，以下從軟、硬件上講述刷卡機與基表的各個模塊或部分的細節。
3.1 硬件設計
3.1.1 刷卡機（見圖3）。
圖3 刷卡機電路描述圖
(1) 穩壓電源電路：該模塊直接與220V 交流連接。作為水表的電源供給模塊，不僅直接給刷卡機供電，還為基本部分的電池充電。針對220V 的市電掉電，刷卡機部分提供了報警與故障提示。電壓轉換器和電池的輸出電壓均為12V，電路中標準電壓為3.3V 和5V，為得到系統工作的穩定電源，模塊中使用了兩套精確的穩壓電源計算電路；此外，考慮到刷卡、錯誤指示燈、顯示、報警等大功耗元件重疊工作帶來的大電流，電路在這方面作了充分的考慮，或者分時操作，或者限制連續的無意義操作，并最終有效地避免了個別元件滿負載工作。
(2) 漢字點陣LCD：122×32 點陣液晶顯示屏，分為上下兩行。
(3) IC 卡讀寫卡模塊：見4.2。
(4) MCU：微處理器選用Freescale 剛剛推出的8 位MCU MC9S08GB32，該芯片性能與16 位MCU 相當。正常工作電壓時，CPU 速率和總線速率最高分別可達40MHz 與20MHz；RAM 和FLASH 分別為2K和32K；最多可大56個通用I/O口；采用"零元件"設計實現MCU 從"stop"模式的自動激活，從而降低了成本，也使電流降低到0.7mA；具有溫度和電壓補償(典型漂移< 2%)的可編程內部時鐘發生器，能提高通信的可靠性、加快啟動時間和減少系統成本；通過第三代0.25 微米的閃存技術，提供應用程序的重復編寫和數據存儲能力；高度集成了4 個串行通信端口(SCI x 2、SPI、I2C/IIC)、最多8個定時器/PWM、1個8通道的10位A/D轉換器(工作電壓最低為1.8V)。
(5) 蜂鳴器：水表出現故障時報警用。
3.1.2 基表（見圖4）。
圖4 基表電路描述圖
(1) 水量記錄：水表中有機械轉輪，通過干簧管與磁鐵配合完成采樣；內部提供了強磁場干擾的判別處理，再加之基表埋入地下，基本可以忽略外部環境的影響。
(2) 穩壓電源及反饋電路：正常情況下，基表部分的電池通過刷卡機的12V 電源充電。它為基表部分的MCU 和閥門電機供電?？紤]到電路中同時出現三種電壓：3.3V、5V、12V，若干電容被使用，用來去除高頻、低頻毛刺，保證各電源不受污染以及信號的有效性。穩壓電源電路的設計與刷卡機部分類似?；聿糠质褂昧?2V - 7.0Ah/20HR 的可充點蓄電池，電池特性說明，實際電壓隨電量的有效值同步變化。反饋電路采樣電池電壓，并把實時采樣結果返回給MCU，MCU 根據采樣結果判斷電池電量是否足夠維持當前系統的正常工作，并作出相應處理。
(3) 閥門驅動及反饋電路：兩條電源線分別接閥門電機的兩端，電機工作的條件是兩端有電壓差；繼電器配合采樣電路，準確、及時地為電機提供接通、切斷電源的信號。實驗證明閥門驅動及反饋信號電路均能支持正常工作。
(4) MCU：微處理器選用Freescale 公司的8 位MCU MC68HC908JL8。
3.2 軟件設計
3.2.1 刷卡機部分。
刷卡機由以下5 部分組成。
(1) 穩壓電源及反饋：程序中主要以中斷的方式判斷220V 電源的供電情況是否正常，但MCU 在工作時，會有其他中斷和需要關閉中斷進行長時間操作的程序塊，因此存在丟失220V 中斷的情況；程序實現時，結合查詢方式，很好的避免了上述意外情況。在確認市電斷電后，系統報警，錯誤指示燈閃爍。
(2) 漢字點陣LCD：該LCD 提供了漢字與ASCII 字符的顯示。
(3) IC 卡讀寫卡模塊：為了保證一戶一卡、一表一卡，IC 卡中添加了密碼與特定用戶信息，刷卡過程中，所有信息都吻合時才可以對其讀寫；從另一個角度來講，僅有系統設計人員才能更改其中的內容。
(4) MCU：系統采用消息驅動的編程方式，上述任何一部分在發生或需要的時候，相應功能模塊才會被執行；同時考慮到各模塊及其他程序執行時間的先后順序，系統給出了有效合理的安排。
(5) 串行通信：刷卡機與閥門每隔約2.3 秒進行一次通信握手，如有通信線故障，系統會立刻報警并給出提示。
3.2.2 基表部分。
基表由以下六部分組成。
(1) 時鐘模塊：該模塊有兩個用途：
①為防止閥門銹蝕，系統會定期轉動閥門，該時間間隔是15 天；
②當刷卡機部分的電源轉換器不能為基表電池充電，并且電池本身電量降到某一低限時，MCU 也要記時，并在一小時后關閉閥門。
(2) 水量記錄：水量記錄以中斷的方式觸發，并及時給予處理。記錄信號的接收，需要考慮到了以下幾點：①接收的方法：以低電平觸發，一個下降沿代表一個記錄脈沖，軟件上為正確判斷，使用兩個引腳并以互補的方式接收下降沿，保證不丟失和添加任何一個記錄信號；②屏蔽外接干擾：基表埋入地下，可以避免絕大多數干擾，另外自身提供了磁干擾的硬件判斷的電路，軟件上以中斷方式觸發，一旦發現異常，閥門關閉。工業水表的口徑較大，單個記錄信號所需要的時間非常段，因此在單位時間內會有若干記錄中斷信號；在其他處理時間比較長的過程中，肯定會出現記錄信號與此過程沖突的現象；基于上述兩種考慮，為了保證在刷卡時不丟失記錄信號，程序除了在中斷中及時處理記錄信號外，必須還要支持該信號的累加，而后再處理的記錄方法。
(3) 水量計算：所有關于水量的計算、存儲都是以BCD 碼為基礎。程序上，提供了多位BCD 碼的加、減和比較的子程序，具有很好的通用性。
(4) 電源模塊：中斷與查詢相結合的方式判斷電池的供電情況，功能與刷卡機部分電源模塊相同。
(5) 閥門驅動及反饋模塊：閥門設置了三種狀態：堵塞、打滑、正常，程序根據開、關閥過程對閥門狀態做出判斷，在閥門動作失敗后，程序會再一次嘗試其他方法完成上述動作，并記錄最終的狀態。
(6) MCU：系統同樣采用消息驅動的編程模式；基表部分MCU 的RAM 內存放著當前用戶的水量信息，記錄信號累加到RAM，并定期寫入FLASH；水表的水量和用戶信息存在于FLASH 內，掉電后數據不會丟失，可以保存十年以上的時間。基表部分MCU 內程序的特殊考慮，使其具有很強的獨立性，并表現在這樣兩個方面：①任何一個刷卡機都可以與用戶特定的基表匹配；②基表可以脫離刷卡機單獨工作?？紤]到用戶刷卡過程中交互的數據量大，操作時間相對比較長的問題，MCU 在刷卡機與基表的通信和基表數據的更新上做了許多保護性措施，可在刷卡結束后判斷是否刷卡成功，支持失敗后的可以重新刷卡。基表部分的MUP 在初次上電并進入正常工作后，MCU 內RAM 和FLASH 內記錄了用戶水量等重要信息，絕不允許其掉電，原則上不會出現掉電現象，但為了避免不可能中的萬一，系統還是設置了冷熱復位的判斷和處理，該操作既可以保證RAM 區水量正確，更保證了水量的一致性，也即累計用水、剩余水量、本次購水之間的數值關系。
3.2.3 監控程序
Freescale 公司的MC9S08GB32 是剛剛推出的一款具有16 位單片機性能的8 位單片機。它的封裝形式從傳統MCU 的DIP 轉為LQFP，焊接時帶來了許多困難，不適合取下重新寫入程序。因此，在開發前編寫了GB32 的監控程序及其在線編程系統，通過串口便可方便對開發板上的GB32 編程。
4 售水系統設計
售水系統包括售水系統軟件和讀寫卡器。軟、硬件結合
4.1 售水系統軟件
售水系統實現發行IC 卡(開戶)、售水、用戶信息查詢、售水信息查詢、圖表打印、系統維護等功能。同時含有發行清零卡、反讀卡、工作卡、清卡、讀取反讀卡等卡操作，和用戶過戶、數據備份等功能。系統分管理員、操作員兩種模式進入。管理員主要實現查詢、特殊功能和系統維護等操作；操作員主要實現查詢、特殊功能、開戶和售水等操作。
系統提供了多種查詢方式：
①用戶信息查詢：可根據用戶號、姓名、開戶日期、公司地址四種方式查詢用戶信息；
②售水信息查詢：管理員可以查詢統計售水情況，該功能模塊有四個字功能模塊，即組合查詢模塊、收盤統計模塊、按用戶名稱查詢模塊和黑名單統計模塊。
特殊功能有用戶過戶、數據備份、數據導入、清卡、讀反讀卡，管理員模式下多一個修改操作員密碼的功能。系統維護包括參數設置（具體參數有：每表附加費、每噸附加費、水價類型、卡類型、口徑、報警水量、透支水量、管理員、操作員、單位名稱）、發行清零卡、發行反讀卡、發行工作卡。開戶和售水是用水的前提，也是售水系統最基本的功能；開戶或每次售水后，相應的數據均寫入數據庫；如果用戶卡丟失，系統可以根據之前記錄補卡。
售水系統基于客戶服務器模式（C/S）設計的，后臺數據庫用的是Microsoft SQLServer2000，適用于基于分布式網絡售水的應用。同時，根據公司要求，考慮到本售水系統也能適用于規模比較小的單點售水，在數據庫設計時，使其兼容ACCESS 2000。這樣，售水系統管理軟件在實際應用時，可以根據應用規模的大小，選擇不同的后臺數據庫管理軟件，增強了軟件的適應性，可擴充性，使之具有更大的靈活性。
圖5 描述了售水系統中操作員可執行的系統功能。
圖5 售水系統軟件功能模塊圖（操作員）
4.2 讀寫卡器
以PHILIPS 公司的MF-RC500 作為讀寫卡模塊，FREESCALE 公司的M68HC08JL8 作為主控芯片，設計了一款非接觸式IC 卡讀寫卡器。讀寫卡器還包括非接觸式IC 卡和射頻發射天線。讀寫卡器與PC 機通過串行口相連，提供售水系統操作卡的硬件平臺；刷卡機中的讀寫卡模塊，讀取經售水系統售水后的IC 卡，并將其中相應信息記錄到MCU 中。數據讀寫的過程中，時刻需要驗證密碼，只有獲得正確的密碼才可以操作卡的內容，因此卡中的數據具有非常好的保密性。刷卡機中的讀寫卡模塊同樣有讀寫卡的功能，但更主要是讀卡中內容，并傳送給基表，基表返回固定信息再寫入卡中相應區域，所以不會對超出其范圍的區域有寫數據的操作。售水系統則可以提供讀寫卡器，實現對卡的完全操作，包括清卡。
5 關鍵技術
閥門驅動及反饋模塊雖然能完成驅動和反饋的功能，但是存在如下問題：閥門操作完成時刷卡機串行通信指示燈偶爾持續閃爍的現象。指示燈閃爍說明基本有數據發送到刷卡機，而閥門操作時不會有雙方的數據傳輸，因此初步分析為基本MCU 復位（啟動代碼現象）。
雖不是每次出現，但此現象的嚴重性不可忽略，MCU 復位前一次水量記錄到復位時刻所用水量會丟失。根據反饋信號采樣電路可知，閥門操作完成時的電路功耗比較大，于是軟件上把采樣的時間間隔縮短，硬件上在添加了大容量電容穩定電壓，并經過示波器顯示波形平穩，說明MCU 的供電正常。再一次做閥門試驗，發覺仍然存在上述問題，而且沒有任何改善。
用PC 機接收串行線上的數據，分析得出為MCU 上電復位的通信握手信號，至此可以確定上述現象是由基本MCU 復位造成。MCU 的復位情況有看門狗復位， RESET 鍵復位，程序死鎖復位，低電壓復位。進一步的試驗排除了前三者的可能性，問題的確出自低電壓，這說明閥門關閉的最后時刻功耗非常大，導致MCU 供電不足。硬件上要解決此問題，有兩種方法：① MCU 電源直接從串行線的12V 轉換得來；② MCU 電源由另外的電池提供，脫離現有的電池和串行線。兩種方法雖然能暫時解決問題，但考慮到其他各種以外情況，上述方法均不能徹底解決該問題。軟件上解決的辦法是禁止低電壓。系統復位狀態寄存器上LVD位控制著MCU 低電壓時復位是否允許，置1 則允許低電壓情況下的復位，置0 則不復位。現置LVD 位為0。問題解決后，用示波器顯示原電路MCU 管腳上電壓，結果與原先一樣，仍然看不出明顯變化。可以分析閥門操作完成的瞬間，有毛刺影響了MCU 的工作。
前文提到的刷卡正常，是指刷卡過程中不隨便挪開卡，直到最好刷卡結束，這樣的刷卡過程能夠完成一次正確的卡操作；但如果在刷卡過程中把卡拿開，即使是一會兒，也可能導致刷卡失敗。刷卡過程是卡、刷卡機、基本三方通信的過程，除了三者之間交互的信息量大之外，還有寫卡、寫FLASH 操作，它們之間在時間上有先后順序，并且是分步進行，一旦前面操作完成而后面操作不能正常完成，那刷卡肯定就不會成功，而且先前的寫卡或寫FLASH 操作必然導致下次刷卡不成功。要解決此問題，必須把寫卡和寫FLASH 操作推遲到刷卡結束前一刻?；鞰CU 程序首先開辟一塊FLASH 空間，專門用作存儲FLASH 中即將被修改的信息；不改變刷卡過程，而只是在刷卡結束前判斷是否刷卡成功，如果成功則結束，如果不成功則把原先備份的數據還原，系統又回復到刷卡前的狀態。對于寫卡，把表示是否刷卡的標志位和購水次數的寫入放到刷卡機與卡通信的最后第二步（最后一步發送成功與否的標志）。試驗證明上述方法非常有效，無數次測試過程中沒有出現一次錯誤。
6 結束語
非接觸式IC 卡工業水表已經完成開發。售水系統界面友善、操作簡便，操作員只需要輸入購水金額或者水量，系統便可完成數據庫更新、寫卡、打印發票等工作；正常的刷卡，補卡后的刷卡，多次水量累積的刷卡，都不會丟失任何一次所購水量或者添加額外水量，刷卡后系統會顯示“本次購水”、“剩余水量”，如果此刻剩余水量較少，“水量報警”、“水量透支”或“透支關閥”也會相應顯示，如果購水后水量較多，上述內容會相應不顯示；用水、購水等水量的計算完全正確；用水過程中，當水量超過之前設定的透支限額，閥門會自行關閉，直到剩余水量恢復到該限額內；電池電量降到設定值時，閥門也會自行關閉，直到電池電量恢復；拔斷刷卡機與基表之間的串行線，系統會立刻識別到“通信故障”，重新接好，系統也能立刻消除該錯誤標志；當出現用戶持續刷卡的不正當操作，系統會給予識別并提示“請正確刷卡”，同時根據情況考慮是否終止接收用戶刷卡；上述任何一種錯誤或非正常情況的發生，都會伴隨刷卡機上紅色LED 的閃爍，告知用戶系統出現故障，一切正常時，該LED 不發光。
非接觸式IC 卡工業水表吸收其他同類產品的優點，進一步完善不足，從功能、可靠性上給予提高。工業水表智能化是發展的必然趨勢，智能化水表的推出，不僅改變了逐月入戶驗表的收費方式，而且其科學性、可靠性，為水資源管理部門實現計算機的全面管理提供了堅實的基礎，能從根本上杜絕遲繳、欠繳、漏繳水費的現象，提供準確的用水信息，因此必將帶來良好的經濟效益和社會效益。
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作者簡介：
周海發，男，1980 年生，碩士研究生，研究方向：單片機、嵌入式系統。
蔣建武，男，1979 年生，碩士研究生，研究方向：單片機、嵌入式系統。
聯系地址:蘇州市十梓街1 號,蘇州大學201 信箱03 研 周海發
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