关键词： IC卡水表   ADuC812   低功耗   安全性   可靠性

1  引言
长期以来，我国水表的收费一直采用人工抄表、收费的方式,工作十分繁琐,而且容易出错。此外,目前人们工作繁忙,很多楼宇又装有防盗门锁,收费工作更加不方便，要解决这些问题，必须依靠现代科学技术对传统水表进行改造，使其智能化。随着IC卡应用的普及，利用IC卡实现“先付费后用水”的水费管理成为可行。本文研讨的IC卡智能水表具有功耗低、安全性高、可靠性好、抗干扰能力强的特点。

2  总体方案设计
2.1  智能水表的组成
智能水表的原理框图如图1所示，主要由单片机系统、电源、IC卡座、微功耗电阀门及流量传感器等部分组成。

图 1     智能水表原理框图

2.2  智能水表的功能
(1) 根据所购水量，自动执行供、停水
当用户将所购水卡(IC卡)插入水表时，表内系统在确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常供水，一旦用水量达到水卡所购水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。
(2) 具有自动报警功能
当用户用水量剩下最后一定量时，水表通过喇叭发出声音报警信号，提醒用户及时购水。
(3) 可随时提供累计用水量、本月用水量、可用水量及相应的水费信息
用户通过水表的液晶显示器，查看累计用水量、本月用水量、可用水量及相应的水费信息。
(4) 可对购水量及水费进行累计
当用户插入购水后的IC卡时，水表自动将本次购水量与表内结余水量进行累计，计算水费，并存入水表内。
(5) 具有自动保护功能
当水表被擅自拆卸时，表内自动保护系统将自动关闭阀门，停止供水，并记录拆卸时间，以备查验。
(6) 断电保护功能
智能水表采用交直流两种方式供电，一旦外界交流电源停止供电或电池失效，表内的水量、水费等重要参数可保存10年以上。
(7) 加密功能
能对IC卡及表内的信息进行加密，防止非法使用。

3  硬件系统设计
3.1  ADuC812单片机系统
ADuC812是美国AD公司推出的高性能单片机，具有集成度高、资源丰富等特点。
(1) 基于8051的内核，指令系统与8051兼容，额定工作频率12MHz。
(2) 8KB片内闪速/电擦除程序存储器;640B片内闪速/电擦除数据存储器;256B片内数据RAM。
(3) 3个16位的定时器/计数器;32根可编程I/O线;9个中断源，2个优先级。
(4) 1个8通道，高精度12位ADC;2个12位电压输出DAC。
(5) 1个片内温度传感器。
(6) 采用3V、5V电压工作;具有正常、待机和掉电三种工作模式。
(7) 1个通用UART串行I/O;1个与I2C兼容的两线串口和SPI串口;1个看门狗定时器(WDT);1个电源监视器(PSM)。

3.2  硬件系统分析
(1) ADuC812的内部资源非常适合设计智能水表。由于它具有8051内核，因此，开发非常方便，既不需要太长的开发周期，又不需要太多的资金投入。为了降低功耗，晶振选用1MHz,并通过编程将不用的ADC、DAC等功能模块关闭，工作电压选择3V，所以，ADuC812正常工作时的消耗电流约为 3.8mA，如处于待机工作模式，则消耗电流更低，完全符合智能水表低功耗的要求。另外，它还具有工业级的工作温度范围和较强的抗电磁干扰能力，以它为核心的智能水表也完全能用于工业现场的水量、水费计量。
(2) 实时时钟、数据存储器
 由于需要掉电保存用户水量、水费及非法拆卸水表的时间记录等信息，本水表选用DALLAS公司生产的DS1243Y作为存储器芯片，该芯片内含8K Bytes NV RAM、内置式(built-in)实时时钟、嵌入式(embe- dded)锂电池和32768Hz晶振，它具有高可靠上电、掉电及强电磁冲击等数据保护功能，还具有读/写速度快、读/写方式简单、读/写次数无限的特点，并可为智能水表的运行提供实时时钟。该芯片引脚排列与一般的静态RAM 6264完全兼容，可直接替代6264，因此，它与ADuC812的接口非常方便。
(3) LCD显示器
由于用户需要随时方便地查看水量及水费信息，本表设置了LCD液晶显示器。为了降低功耗，LCD液晶显示器选用低功耗(约0.3mA)的自带驱动控制器的串行(SPI)液晶显示模块，并且它的供电电源由水表盒盖控制，当用户需要查看信息打开水表盒盖时，LCD点亮，平时处于断电节能状态。

4  水表供电设计
智能水表能否得到推广应用，保障其长期正常供电是一个关键因素，否则，既损害了自来水公司的利益，又使用户的合法权利受到侵犯。目前，有些智能水表采用直流电源供电方式(通过内装高性能锂电池)，但其缺陷是使用时间有限制，特别是难以处理低功耗问题。本水表的电源供电采用交直流两种供电方式，特别是选用高效率DC/DC转换器MAX653组成电源电路后，水表在电池供电情况下，也能以低功耗方式长期正常工作。智能水表电源电路如图2所示:

图2     电源电路

4.1  DC/DCD电源变换器
MAX653是MAXIM公司生产的高效率、低功耗DC/DC转换器件芯片，该芯片具有以下特点:
(1) 转换效率高(90％以上);
(2) 输入电压范围宽(4V～11.5V);
(3) 静态电流低(10μA);
(4) 输出电流最大可达225mA;
(5) 电源电压降低检测及休眠功能;
(6) 固定电压3V输出或编程输出。
根据能量守衡原则可以推出:
Io =(Vi×Ii×η)/Vo，式中，Io:输出电流，Ii:输入电流，Vi:输入电压，Vo:输出电压，η:转换效率。从上述关系可以看出，当Vi远大于 Vo，且η较高时，在Ii一定的情况下可以得到比Ii大得多的输出电流Io，而MAX653也只消耗10μA的电流，从而保证了智能水表在电池供电情况下，也能以低功耗的方式长期正常工作。

4.2  电源电路工作原理
图2中， 220V交流电源经降压、整流、滤波、7806稳压后输出6V直流工作电压Vcc1，Vcc1一方面给电磁阀门供电，另一方面提供给MAX653进行 DC/DC转换形成3V工作电压Vcc2。在220V交流电源停止供电的情况下，由电池E1供电。MAX653的VFB接地，Vout固定输出电压3V， R3、C4、D3提供上电SHUT DOWN功能，以防止上电时电源的冲击对电路造成损坏。Vcc1通过R1，R2分压后输入MAX653的低电压检测引脚LBI，作为电源电压降低检测信号，当LBI低于1.28V时，其LBO引脚输出0.4V的低电平信号，此信号可作为ADuC812的外部中断1的有效中断请求信号(P3.3输入)， ADuC812响应中断后进行相应的处理，以避免智能表出错或被袭击。

5  ADuC812接口设计
5.1  IC卡及卡座
IC卡采用美国 ATMEL公司生产的AT24CXX系列存储式IC卡，它采用2.5V～5V低电压供电，具有双线串行接口，能实现双向数据传送，支持 ISO/IEC7816-3同步协议，写/擦除次数大于一百万次，数据保存期大于100年。该系列IC卡的输出端符合ISO/IEC7816-2标准，它是目前国内使用最多的IC卡之一。
IC卡座的引脚见图3。与IC卡引脚相对应，设置了VCC、GND、SCL、SDA引脚，另外增加了SW1、 SW2两引脚，作为IC卡座微动开关的两触点。此开关在无IC卡插入时，处于断开状态，有IC卡插入时处于闭合状态。有无IC卡插入信号经P3.0送入 ADuC812。

5.2  电磁阀驱动接口
从图3中可以看到，电磁阀用于供水、停水控制，是由ADuC812的P3.4、P3.5实现的。当P3.5为低电平时，继电器J1得电动作，电磁阀打开;当P3.4为低电平时，双稳态电磁阀失电关闭。D5、D6为续流二极管。为了降低功耗，电磁阀选用新型双稳态自吸电磁阀MP15A-5V，它具有电源电压低、启动水压低、防堵性能好、关闭可靠特点，水表工作压力在15～100Mpa内开/关阀门自如。

5.3  防开表及报警装置接口
为了防止用户私自非法拆卸水表，设置了防开表装置。如水表被打开，则开关K闭合，下降沿信号送ADuC812的外部中断0引脚/INT0(P3.2)，作为有效中断请求信号，ADuC812响应中断后，立即关闭电磁阀，并将开表时间记录到DS1243Y中，以备查验。
当用户用水量剩下最后一定量时，水表通过喇叭发出声音报警信号，提醒用户及时购水，报警喇叭由ADuC812的P3.1控制。接口电路如图3所示:

图3     ADuC812的外围接口电路

5.4  流量传感器与接口
流量传感器选择基于模拟水表的旋翼式结构，它具有结构简单、测量范围宽、灵敏度高、外形尺寸小的特点，通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。其耗电小，并保持了原有的结构简单、精确度高的优点。在原水表的读数指示0.01m3位上安装磁敏元件，使0.01m3位转1 圈，磁敏元件上产生1个脉冲信号，即0.01m3水量对应1个脉冲。

6  系统软件流程
图4是智能水表软件流程框图，主要包括IC卡接口模块，阀门控制模块，流量脉冲、用水量处理模块及显示模块等部分。主程序初始化时应注意看门狗、外部中断的处理，特别是待机处理及唤醒部分，因为它关系到水表的低功耗运行问题，限于文章片幅，在此不再介绍。

7  结束语
该水表的能耗主要由单片机系统正常运行的持续性能耗、卡表执行机构(电控阀)动作时的瞬时能耗及IC卡表的一些辅助功能如报警等能耗三部分构成，而前两项占95％以上。由于选用了ADuC812和其它一些低功耗器件，并采取了降低功耗的有力措施，所以，智能水表低功耗的问题得到了很好的解决，另外，由于采取了交直流两种供电方式以及一些保护、加密措施，其可靠性、安全性也得到了保障。