【正文】 基于射頻卡燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)摘要 為適應(yīng)國家用天然氣制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對(duì)天然氣實(shí)行自動(dòng)控制，減輕供氣管理部門因“先供氣后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費(fèi)所帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段改變供氣管理體制的落后現(xiàn)狀，勢(shì)在必行。基于射頻卡的智能氣表不但可以提高供氣部門的工作效率，而且在技術(shù)上為節(jié)約用氣、合理用氣創(chuàng)造了條件，由于這些特點(diǎn)，基于射頻卡的智能氣表得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本論文以基于射頻卡的智能氣表系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了基于MSP430超低功耗單片機(jī)在智能氣表上的應(yīng)用和開發(fā)。根據(jù)智能氣表的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有射頻卡預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗碓趯?shí)際應(yīng)用中存在的問題，研究了一個(gè)基于射頻卡的預(yù)付費(fèi)智能氣表的設(shè)計(jì)方案，該方案采用微功耗單片機(jī)技術(shù)，選用美國德州儀器公司最新推出的16位MSP430系列單片機(jī)，完成了基于射頻卡的氣表的樣機(jī)制作和軟件編程，具有穩(wěn)定性、安全性和低功耗的特點(diǎn)。在控制器的軟硬件設(shè)計(jì)中，介紹了控制器的硬件結(jié)構(gòu)，制定了密鑰存儲(chǔ)和分發(fā)方案，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。關(guān)鍵詞：射頻卡 MSP430單片機(jī) 低功耗 智能氣表目 錄第一章 緒論 1 引言 1 課題研究的背景及意義 1 國內(nèi)外儀表發(fā)展現(xiàn)狀和新技術(shù) 2 國內(nèi)外儀表發(fā)展現(xiàn)狀 2 國內(nèi)外天然氣儀表的新技術(shù) 3 本課題的主要任務(wù) 3第二章 射頻卡識(shí)別系統(tǒng)簡(jiǎn)介 5 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理 5 射頻識(shí)別系統(tǒng)模型 5 射頻識(shí)別系統(tǒng)組成 7 射頻識(shí)別系統(tǒng)分類 9第三章MSP430系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 11 MSP430系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 11 MSP430系列單片機(jī)功能特性 11 MSP430系列單片機(jī)的應(yīng)用 13 MSP430F413型單片機(jī) 14 CPU 14 工作方式 14 FLASH存儲(chǔ)器 16 振蕩器和系統(tǒng)時(shí)鐘 16 數(shù)字I/O 16 LCD驅(qū)動(dòng) 17 17 比較器A 18 18 MSP430芯片的FET開發(fā)方法 18 MSP430芯片的JTAG接口 18 FLASH型仿真工具 18第四章 基于射頻卡然燃?xì)獗淼挠布O(shè)計(jì) 20 設(shè)計(jì)分析 20 總體結(jié)構(gòu) 20 基于MSP430單片機(jī)的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 燃?xì)獗砉ぷ髟?22 預(yù)付費(fèi)控制器的工作原理 22 MCU 24 閥門驅(qū)動(dòng)電路 24 液晶顯示電路的設(shè)計(jì) 25 防開表裝置 27第五章 基于射頻卡燃?xì)獗淼能浖O(shè)計(jì) 28 軟件設(shè)計(jì)原則 28 燃?xì)獗砉δ苣K設(shè)計(jì) 29 初始化模塊 31 氣量計(jì)量模塊 31 射頻卡處理模塊 32 密鑰存儲(chǔ)和安全性分析 33 智能卡常用的加密算法 34 安全性 35 安全性問題的解決方案 35第六章 對(duì)燃?xì)獗淼目偨Y(jié)與展望 37致謝 39參考文獻(xiàn) 40第一章 緒論 引言為適應(yīng)國家使用天然氣制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對(duì)天然氣實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控，減輕供氣管理部門因“先供氣后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費(fèi)所帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段改變供氣管理體制的落后現(xiàn)狀，勢(shì)在必行。智能化天然氣表的推廣，不但可以提高供氣管理部門的工作效率實(shí)現(xiàn)了用氣收費(fèi)的電子化，而且在技術(shù)上為節(jié)約用氣，合理用氣創(chuàng)造條件。射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)[1]。經(jīng)過九十年代的快速發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)現(xiàn)己涉及到人們生活的方方面面，并且有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)的射頻卡制卡技術(shù)及其相應(yīng)的讀寫設(shè)備內(nèi)核技術(shù)，仍處于落后狀態(tài)，這極大地制約了我國射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。因此，對(duì)射頻卡天然氣儀表的研究是一件十分有意義的事情。本論文以射頻卡天然氣表系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機(jī)在低功耗智能儀表上的應(yīng)用與開發(fā)。論文首先提出利用射頻卡技術(shù)智能天然氣表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；然后系統(tǒng)地介紹了以MSP430F413單片機(jī)為核心的智能儀表控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)及各部分功能，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制的硬件電路結(jié)構(gòu)和研究了軟件控制流程的實(shí)現(xiàn)，采用軟硬件結(jié)合的方法，對(duì)系統(tǒng)的低功耗、抗干擾性設(shè)計(jì)及安全性問題作了一定的分析與研究；最后，對(duì)系統(tǒng)尚存在的問題及進(jìn)一步開發(fā)和完善的內(nèi)容和方向進(jìn)行了探討。 課題研究的背景及意義長期以來，我國城鎮(zhèn)居民所使用的天然氣儀表普遍是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式儀表，這種儀表價(jià)格低，性能比較穩(wěn)定。然而隨著社會(huì)的發(fā)展，面對(duì)高層建筑和生活小區(qū)等，傳統(tǒng)儀表的不足之處便充分暴露出來。首先，抄表人員要頻繁往來于每個(gè)用戶家里讀表，工作量大；其次，用戶正常的生活將受到干擾，并可能給犯罪分子有機(jī)可乘；此外，由于部分用氣單位和個(gè)人種種原因所造成的費(fèi)用拖欠的問題等，也一直困擾著各供氣公司。在經(jīng)濟(jì)科技日益發(fā)達(dá)的今天，為促進(jìn)企業(yè)事業(yè)單位等節(jié)約用氣，保證居民生活用氣的需要，節(jié)能型、實(shí)用型智能儀表的研制與開發(fā)成為社會(huì)所需。隨著我國電子信息業(yè)的迅速發(fā)展，無論是用戶還是供氣管理部門都迫切需要現(xiàn)代化管理手段的介入，這給供氣部門在用氣管理規(guī)范化、自動(dòng)化和收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)化方面提出了新課題，從而推動(dòng)了燃?xì)赓M(fèi)用管理的電子化，信息化和網(wǎng)絡(luò)化。目前國內(nèi)的很多儀表生產(chǎn)廠家都在進(jìn)行產(chǎn)品新型化的探索，大部分采用單片機(jī)技術(shù)，智能儀表系統(tǒng)的實(shí)用性研究已成為當(dāng)前儀表行業(yè)的熱點(diǎn)之一[2]。 國內(nèi)外儀表發(fā)展現(xiàn)狀和新技術(shù) 國內(nèi)外儀表發(fā)展現(xiàn)狀面向二十一世紀(jì)中國供水、供氣、供電事業(yè)的發(fā)展目標(biāo)是按照中國建設(shè)部21世紀(jì)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)小康住宅水電、煤氣、純凈水、熱水全部信息出戶，徹底填補(bǔ)國內(nèi)供水供電供氣計(jì)量及管理方面的空白，打破國內(nèi)供氣、氣體計(jì)量管理落后的局面。其中氣表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供氣管理部門的工作效率，節(jié)約費(fèi)用，還能為加強(qiáng)天然氣使用的監(jiān)督管理提供有效措施，從而在技術(shù)上為節(jié)約用氣，合理用氣創(chuàng)造條件。我國目前的天然氣儀表新產(chǎn)品的開發(fā)，基本上借鑒國外的先進(jìn)模式，因?yàn)閲庠谶@方面的研究設(shè)計(jì)起步比較早。國內(nèi)的生產(chǎn)儀表的企業(yè)也對(duì)一些智能化的儀表作了研究，但在低功耗和可靠性能等方面沒有達(dá)到很好的預(yù)期效果，并沒有大量的推廣普及應(yīng)用[34]。從國外儀表行業(yè)的目前情況以及天然氣資源的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)來看，我國傳統(tǒng)天然氣的生產(chǎn)必須進(jìn)行改進(jìn)，才能適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，才可在日后的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。 國內(nèi)外天然氣儀表的新技術(shù)隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的日趨成熟，在新型天然氣儀表的開發(fā)設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)技術(shù)，以單片機(jī)為處理核心單元實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的采樣與累加已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，普遍的設(shè)計(jì)思想為：將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集接口傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)來控制特制氣閥的開閉；同時(shí)單片機(jī)外接顯示電路、功能鍵盤、通訊接口、掉電保護(hù)裝置等，來完成各種輔助的功能。關(guān)于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的方式有多種，較為常用的如采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤，以及利用氣流沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，引發(fā)傳感器上的磁場(chǎng)變換而產(chǎn)生電信號(hào)，因?yàn)楫a(chǎn)生的信號(hào)往往比較微弱，需要用放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。目前新型的天然氣儀表的開發(fā)研制，都遵循計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、低功耗、數(shù)據(jù)安全性的原則。關(guān)于計(jì)量準(zhǔn)確和低功耗，一般涉及到的元器件的選用、軟件的編制、信號(hào)傳輸、掉電保護(hù)以及抗干擾等許多問題；關(guān)于讀數(shù)的直觀問題，考慮到LED顯示功耗較大、電路連接復(fù)雜及使用壽命等因素，一般都采用LCD液晶顯示，具有良好的性價(jià)比，關(guān)于數(shù)據(jù)安全性的問題，一般來講智能卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性主要體現(xiàn)在智能卡的密碼安全性、數(shù)據(jù)加密以及讀寫智能卡的控制系統(tǒng)動(dòng)作可靠性等方面 。 本課題的主要任務(wù)從上述新型智能氣表的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，基于嵌入式智能系統(tǒng)的燃?xì)獗硎悄壳敖鉀Q傳統(tǒng)天然氣儀表缺陷的一種較好的解決方案，比較符合我國目前的國情。本課題的主要任務(wù)是利用德州儀器(TI)公司超低功耗單片機(jī)MSP430F413作為主控芯片，開發(fā)了一種基于射頻卡技術(shù)的低功耗智能天然氣儀表系統(tǒng)。MSP430系列單片機(jī)在超低功耗和功能集成等方面有明顯的特點(diǎn)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功率低等優(yōu)點(diǎn)，除具備適合應(yīng)用在自動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)、電池供電便攜式裝置、超長時(shí)間連續(xù)工作的設(shè)備等領(lǐng)域的特點(diǎn)外，更具有開發(fā)方便、可以現(xiàn)場(chǎng)編程等優(yōu)點(diǎn)。采用這樣的設(shè)計(jì)方案可以使本系統(tǒng)具有較低的功耗和較高的集成度，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)，對(duì)于其他領(lǐng)域中采用IC卡預(yù)付費(fèi)技術(shù)的應(yīng)用更具有一定的借鑒意義。在這樣的框架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，本文主要的研究內(nèi)容如下： ①射頻卡識(shí)別系統(tǒng)簡(jiǎn)介②MSP430系列單片機(jī)③液晶顯示和防拆表電路設(shè)計(jì)④主程序及初始化模塊的軟件設(shè)計(jì)⑤射頻卡讀寫模塊的軟件設(shè)計(jì)⑥液晶顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)第二章 射頻卡識(shí)別系統(tǒng)簡(jiǎn)介 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理從信息傳遞的基本原理來說，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞)，在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型(雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī))。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的《利用反射功率的通信》奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。射頻標(biāo)簽與讀卡器之間的電磁耦合包含兩種情況[5]:一種情況是電感禍合。在電感耦合方式中，讀卡器的天線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，射頻標(biāo)簽的天線相當(dāng)于變壓器的次級(jí)，因而也稱電感耦合方式為變壓器方式。電感耦合方式通過空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)禍合，耦合磁場(chǎng)在卡器線圈(初級(jí))與射頻標(biāo)簽線圈(次級(jí))之間構(gòu)成閉合回路。電感耦合方式是低頻段近距離無接觸射頻識(shí)別系統(tǒng)的耦合方式。另一種情況是電磁耦合方式。在電磁耦合方式中，讀卡器的天線將讀卡器產(chǎn)生的射頻信號(hào)以電磁波的方式定向發(fā)送到空間范圍內(nèi)，形成讀卡器的有效閱讀區(qū)域，位于讀卡器有效閱讀區(qū)域中的射頻標(biāo)簽從讀卡器天線發(fā)出的電磁場(chǎng)中提取工作電源，并通過射頻標(biāo)簽的內(nèi)部電路及標(biāo)簽天線將標(biāo)簽內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息傳送到讀卡器。電磁耦合與電感耦合的差別在于電磁耦合方式中讀卡器將射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)送出去。在電感耦合方式中，讀卡器將射頻信號(hào)束縛在讀卡器電感線圈的周圍，通過交變閉合的線圈磁場(chǎng)，溝通讀卡器天線與射頻標(biāo)簽天線之間的射頻通道，而沒有向空間輻射電磁能量[6]。，所操作的標(biāo)簽屬于無源標(biāo)簽[7]。讀卡器產(chǎn)生的射頻信號(hào)通過天線輻射出電磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)穿過天線橫界面和周圍的空間。當(dāng)標(biāo)簽處于磁場(chǎng)中的時(shí)候，通過電感耦合，標(biāo)簽的天線線圈上產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而使得標(biāo)簽獲得了工作電源。論文中研究的射頻識(shí)別系統(tǒng)屬于“一問一答”系統(tǒng)，即只有在接收到讀卡器發(fā)出的命令以后，標(biāo)簽才給出響應(yīng)。 射頻識(shí)別系統(tǒng)模型射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，空間傳輸通道中發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型:數(shù)據(jù)交換是目的；時(shí)序是數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)方式。能量是時(shí)序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。下面以此三種事件模型的描述來介紹射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型工作方式與工作流程。(1) 能量閱讀器向射頻標(biāo)簽供給射頻能量。對(duì)于無源射頻標(biāo)簽來說，其工作所需的能量即由該射頻能量中取得(一般由整流方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中電容器里)。對(duì)于(半)有源射頻標(biāo)簽來說，該射頻能量的到來起到了喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的作用。完全有源射頻標(biāo)簽一般不利用閱讀器發(fā)出的射頻能量，因而閱讀器可以較小的能量發(fā)射取得較遠(yuǎn)的通信距離。(2) 時(shí)序?qū)τ陔p向系統(tǒng)(閱讀器向射頻標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)、射頻標(biāo)簽向閱讀器返回所存貯的數(shù)據(jù))來說，閱讀器一般處于主動(dòng)狀態(tài)，即閱讀器發(fā)出詢問后，射頻標(biāo)簽予以應(yīng)答，稱這種方式為閱讀器先講方式。另外一種情況是射頻標(biāo)簽先講方式，即射頻標(biāo)簽滿足工作條件后，首先自報(bào)家門，閱讀器根據(jù)射頻標(biāo)簽的自報(bào)家門，進(jìn)行記錄或進(jìn)一步發(fā)出一些詢問信息與射頻標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)完整對(duì)話達(dá)成閱讀器對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別的目的。射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用中根據(jù)閱讀器讀寫區(qū)域中允許出現(xiàn)單個(gè)射頻標(biāo)簽或多個(gè)射頻標(biāo)簽的不同，將射頻識(shí)別系統(tǒng)稱為單標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱為射頻識(shí)別系統(tǒng)，與多標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)。在閱讀器的閱讀范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，對(duì)于具有多標(biāo)簽識(shí)讀功能的射頻識(shí)別系統(tǒng)來說，一般情況下，閱讀器處于主動(dòng)狀態(tài)，即閱讀器先講方式。閱讀器通過發(fā)出一系列的隔離指令，使得讀出范圍內(nèi)的多個(gè)射頻標(biāo)簽逐一或逐批地被隔離(令其睡眠)出去，最后保留一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)簽與閱讀器建立無沖撞的通信。通信結(jié)束后將當(dāng)前活動(dòng)標(biāo)簽置為第三態(tài)(可稱其為休眠狀態(tài)，只有通過重新上電，或特殊命令，才能解除休眠)，進(jìn)一步由閱讀器對(duì)被隔離(睡眠)的標(biāo)簽發(fā)出喚醒命令喚醒一批(或全部)被