【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 管的光電檢測(cè)傳感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到環(huán)境光線變化的影響，可靠性和檢測(cè)精確度較低），因此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設(shè)計(jì)中。3. Wiegand(韋根)傳感器1. Wiegand傳感器組成Wiegand傳感器由三部分組成：(1)Wiegand線；(2)檢測(cè)線圈，將其纏繞在Wiegand線上，或放置在Wiegand線附近；(3)磁鐵。 Wiegand傳感器組成2. Wiegand傳感器工作原理Wiegand線是由一根鐵磁材料制成的永磁體，由外殼和內(nèi)芯組成。在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，內(nèi)芯與外殼有相同的磁極性。將Wiegand線放在與線芯極性相反的外部弱磁場(chǎng)附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，線放在與線芯極性相反的外部弱磁場(chǎng)附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，而外殼的極性不變。隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，外殼的極性也隨之發(fā)生變化，這樣置于Wiegand線附近的線圈就能檢測(cè)出極性的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生電壓脈沖輸出。通常Wiegand線與檢測(cè)線圈是裝配在一起構(gòu)成Wiegand組件。3. Wiegand傳感器工作方式根據(jù)Wiegand線外部磁場(chǎng)引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅(qū)動(dòng)方式：非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式和對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式。非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式開(kāi)始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場(chǎng)的強(qiáng)磁場(chǎng)中，此時(shí)Wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向極化，(a) 所示；再把組件置于一種稱為復(fù)位磁場(chǎng)的弱磁場(chǎng)中，此時(shí)內(nèi)芯的極性反向,而外殼的極性不變，(b) 所示；然后把組件置于滲透磁場(chǎng)中，(a)的情況，由于Wiegand線中磁場(chǎng)的變化，導(dǎo)致在檢測(cè)線圈中一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，(c)所示。 非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式在對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式中，采用兩塊磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等但極性相反的磁鐵，一塊磁鐵首先將Wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向進(jìn)行滲透，(a)所示；再將Wiegand線切換到第二塊磁鐵，在這過(guò)程中，首先線芯的極性改變，(b)所示；然后外殼的極性發(fā)生改變，這一作用在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生一個(gè)方向的電壓脈沖輸出，(c) 所示；接著，再將Wiegand線轉(zhuǎn)回到第一塊磁鐵，首先內(nèi)芯的極性改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，(d) 所示；其次外殼的極性也隨之改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，(e) 所示[6]。 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式4. WG系列韋根傳感器原理及其特點(diǎn)WG系列韋根傳感器是利用韋根效應(yīng)制成的一種新型磁敏傳感器。其工作原理是傳感器中磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在外磁場(chǎng)的激勵(lì)下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。它具有以下特點(diǎn)：(1) 傳感器工作時(shí)無(wú)須使用外加電源，適用于微功耗儀表，如電子水表、電子氣表和其它智能型儀表。(2) 使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。(3) 輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。(4) 無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長(zhǎng)。(5) 利用電話線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)傳。由于WG系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點(diǎn)，特別是其幾乎不需要外界能量的輸入。因此，選擇它作為本低功耗設(shè)計(jì)的傳感器。在這里，我們選擇了南京艾馳電子科技有限公司的WG系列韋根傳感器產(chǎn)品，其型號(hào)為WG101。具體使用方法為：在水表的計(jì)量齒輪上安裝小磁鋼，當(dāng)用戶用水，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鋼將會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)Wiegand絲傳感器，這時(shí)傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大處理后輸入至單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)量。選擇此傳感器作輸入信號(hào)測(cè)量的傳感器，既滿足了準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計(jì)的需要，是本低功耗設(shè)計(jì)的重要組成部分。1. I2C總線簡(jiǎn)介I2C總線，是Inter Integrated Circuit Bus的縮寫，即“內(nèi)部集成電路總線”。I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二線制總線。目前，Philips公司和其他集成電路制造商推出了很多基于I2C總線的外圍器件。I2C總線包括一條數(shù)據(jù)線（SDA）和一條時(shí)鐘線（SCL）。協(xié)議允許總線接入多個(gè)器件，并支持多主工作。總線中的器件既可以作為主控器也可以作為被控器，既可以是發(fā)送器也可以是接收器?？偩€按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在每次數(shù)據(jù)交換開(kāi)始，作為主控器的器件需要通過(guò)總線競(jìng)爭(zhēng)獲得主控權(quán)，并啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)交換。一個(gè)典型的I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，還可將內(nèi)部各單元電路劃分成若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，它只有二根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。CPU可以通過(guò)指令對(duì)各功能模塊進(jìn)行控制，各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器）。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量（數(shù)據(jù)）兩部分。地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 I2C總線接口電路I2C總線的器件分為主器件和從器件。主器件的功能是啟動(dòng)在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。被尋址的器件，稱為從器件。一般來(lái)講，任何器件均可以稱為從器件，只有單片機(jī)才能稱為主器件。主、從器件對(duì)偶出現(xiàn)，工作在接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)方式，由器件的功能和數(shù)據(jù)傳送方向所決定。傳統(tǒng)的單片機(jī)串行接口的發(fā)送和接收一般都分別各用一條線，而I2C總線則根據(jù)器件的功能通過(guò)軟件程序使其工作于發(fā)送或接收方式。當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器，而當(dāng)其從主線上接收信息時(shí)，又成為接收器。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I2C總線的控制完全由掛在總線上的主器件送出地址和數(shù)據(jù)決定，在總線上，既沒(méi)有中心機(jī)也沒(méi)有優(yōu)先級(jí)?？偩€上主和從（即發(fā)送和接收）的關(guān)系取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL都是雙向線路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到電源端。連接總線器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開(kāi)路，以具有線“與”功能，當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kb/s，在快速模式下可達(dá)400kb/s。連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是400pF的限制決定。2. AT24C01簡(jiǎn)介AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含2568位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（～）、擦寫次數(shù)多（大于10 000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。AT24C01中帶有片內(nèi)尋址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的操作。所有字節(jié)都以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多達(dá)8字節(jié)的數(shù)據(jù)。各引腳功能如下： AT24C01的引腳圖SCL:串行時(shí)鐘。在該引腳的上升沿時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件，在下降沿時(shí)輸出。SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開(kāi)漏極驅(qū)動(dòng)，可雙向傳送數(shù)據(jù)。A0～A2:器件/頁(yè)面尋址。為器件地址輸入端。Wp：硬件寫保護(hù)。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)禁止寫入，為低電平時(shí)可正常讀/寫數(shù)據(jù)。Vcc：電源。一般輸入+5V電壓。Vss：接地。經(jīng)過(guò)分析和比較，本設(shè)計(jì)的記憶單元中采用I2C總線接口，存儲(chǔ)單元采用AT24C01以滿足本設(shè)計(jì)的要求。智能水表中，控制閥門也是關(guān)鍵的部分，要求壓力損失小、體積小、功耗低，達(dá)到國(guó)家建設(shè)部頒布的水表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于智能水表只能采用電池供電，而且要求長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。如果閥門功耗大，只能采用大容量電池，不僅增加了成本，而且智能水表體積也必須增大，并且電池瞬間供電能力有限，功耗大到一定程度增加電池容量也不能解決問(wèn)題。智能化水表中的控制閥門有很多種，有電磁閥、普通球閥、先導(dǎo)閥、電動(dòng)閥等。(1)普通球閥：功耗大，難以達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。(2)先導(dǎo)閥：先導(dǎo)閥門是利用閥門進(jìn)出口壓力差通過(guò)導(dǎo)閥放大來(lái)控制主閥開(kāi)關(guān)動(dòng) 作由主閥、導(dǎo)閥、電機(jī)、減速器、閥芯等組成，這種閥門的優(yōu)點(diǎn)是先導(dǎo)閥的閥門開(kāi)啟和關(guān)閉的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于管道內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此閥門開(kāi)、關(guān)所需起動(dòng)力矩及工作力矩很小，類似晶體管放大原理或杠桿原理，它的閥瓣是橡膠的，屬軟密封，留有一定壓量，因此密封性好，先導(dǎo)閥安裝簡(jiǎn)單，功耗低，但是壓力損失大，先導(dǎo)閥小孔 易被雜物堵塞造成閥門失效，而且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時(shí)成本稍高。(3)電動(dòng)閥：主要有電動(dòng)球閥、電動(dòng)陶瓷閥、電動(dòng)先導(dǎo)閥等。(4)電磁閥：目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來(lái)控制閥門的開(kāi)/關(guān)的，即要讓閥門一直關(guān)著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對(duì)現(xiàn)有電平開(kāi)關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開(kāi)/關(guān)控制由電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。使得對(duì)閥門開(kāi)/關(guān)只需瞬時(shí)供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用繼電器HRS2HSDC3V，驅(qū)動(dòng)帶自鎖的脈沖電磁閥MP15A3V，兩者僅需+3V電源供電。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開(kāi)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能，只有當(dāng)購(gòu)買的噸位數(shù)用完時(shí)，才由固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉開(kāi)關(guān)，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購(gòu)水插卡后，再次送電開(kāi)啟。 IC卡的選擇由于水表中采用IC卡存儲(chǔ)用戶所購(gòu)買的用水量等信息，如果IC卡一旦被非法復(fù)制、偽造，必將給供水管理造成巨大的損失。在IC卡水表中所涉及的區(qū)域及完成的功能有：(1)制造代號(hào)和發(fā)行商代號(hào)的識(shí)別：IC卡水表應(yīng)對(duì)該卡是否是本發(fā)行商所發(fā)行的卡進(jìn)行識(shí)別，如不是，應(yīng)發(fā)出警告，并拒絕以后的操作。(2)密碼核對(duì)：核對(duì)密碼錯(cuò)誤時(shí)，將禁止任何對(duì)卡的寫操作。 (3)應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)(計(jì)費(fèi)區(qū))：若傳感器每產(chǎn)生三個(gè)脈沖，都將應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)值減少相應(yīng)的數(shù)量，當(dāng)應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的余額不足時(shí)，微處理器能檢測(cè)到這一信號(hào)，關(guān)閉閥門。但是此方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，即當(dāng)用戶將 IC卡從水表中拔出去交費(fèi)更新時(shí)，必然會(huì)切斷供水，這可能會(huì)給用戶帶來(lái)一些不便。為此，在 IC卡水表中增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 EPROM，當(dāng)將 IC卡插入水表后，水表立即將卡上所存數(shù)量全部移到表內(nèi)的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器中，并將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)全部刷成 0。此時(shí)，就可將 IC卡從表中拔出，用戶可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提前持卡到發(fā)行處付費(fèi)，進(jìn)行儲(chǔ)備，以保證不間斷供水。而且IC卡不需長(zhǎng)期插在水表中，有利于延長(zhǎng)卡的使用壽命。綜合以上敘述，本智能水表系統(tǒng)中選用一種帶有加密功能、能防偽造、防復(fù)制且價(jià)格較低并且能夠重復(fù)使用的IC卡。本設(shè)計(jì)中選用的SLE4442卡是由SIMENSE公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的邏輯加密芯片，具有2K的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程加密代碼存儲(chǔ)器（PSC），內(nèi)部電壓提升電路保證了芯片能夠以單+5V電壓供電，較大的存儲(chǔ)容量能夠滿足通常應(yīng)用領(lǐng)域的各種要求。SLE4442卡，以其優(yōu)良的性能價(jià)格比，近年來(lái)在中國(guó)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、企業(yè)管理以及水、電、氣、商業(yè)預(yù)收費(fèi)等領(lǐng)域中[11]。該芯片特點(diǎn)：（1）用多存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。（2）2線連接協(xié)議，串行接口滿足ISO7816同步傳送協(xié)議。（3）芯片采用NMOS工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/。（4）存儲(chǔ)器具有至少100000次的擦除/寫入周期，數(shù)據(jù)保持時(shí)間至少為10年。（5）按字節(jié)寫保護(hù)最低32個(gè)地址 （字節(jié)031）具有不可逆性。 IC卡讀寫電路1. Mifare 1射頻IC卡Mifare 1射頻IC卡的核心是Philips公司制造的Mifare 1 IC S50系列微晶片，其內(nèi)部包括1KB高速EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個(gè)高效率射頻天線模塊?？ㄆ旧聿粠щ姵毓╇?，工作時(shí)將卡片放在讀寫器的有效工作區(qū)域，卡片讀寫器的天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)耦合到卡片上的天線提供電源能量，其電壓可達(dá)2V以上，足以滿足卡片上的IC電路供電需要。在信道保證和數(shù)據(jù)完整性方面，Mifare 1標(biāo)準(zhǔn)還提供了信道檢測(cè)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)、三次傳遞認(rèn)證以及防沖突機(jī)制等功能，保證了數(shù)據(jù)交換過(guò)程的安全。Mifare 1射頻IC卡的主要性能指標(biāo)如下。（1）1KB的EEPROM，分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分為4塊，每塊16B，以塊為存取單位。（2）每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組（2個(gè)）密碼及存取權(quán)限設(shè)置。（3）每張卡有唯一的32位序列號(hào)。（4）具有防沖突機(jī)制、支持多卡操作。（5）無(wú)電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。（6）數(shù)據(jù)可保存10年，可反復(fù)寫10萬(wàn)次。（7）。（8）106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。（9）讀寫距離最大可達(dá)10cm（取決于天線設(shè)計(jì)）。（10）工作溫度范圍：20 +50。C。Mifare 1射頻卡包含了兩個(gè)部分：RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分。（1）RF射頻接口電路在RF射頻接口電路中，主要包括波形轉(zhuǎn)換模塊和POR模塊。，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。POR模塊主要是對(duì)卡片上的各個(gè)電路進(jìn)行POWERONRESET（上電復(fù)位），使各電路同步啟動(dòng)工作。（2）數(shù)字電路部分模塊ATR模塊：Answer to Request (“請(qǐng)求之應(yīng)答”)當(dāng)一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType）號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行第一步的ATR工作，讀寫器對(duì)卡片的其他操作（Read/Write等）將不會(huì)進(jìn)行。Anticollision模塊：防止（卡片）重疊功能 如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動(dòng)工作，在程序員控制下的卡片讀寫器會(huì)與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號(hào)。由于Mifare 1卡片每一張都具有唯一的系列號(hào)，決不會(huì)相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)識(shí)別、區(qū)分已選的卡片。卡片讀寫器中的MCM中的Anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來(lái)控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)選定