【文章內(nèi)容簡介】 裝在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等基礎(chǔ)工作全由智能水表本身完場，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集僅進(jìn)行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對(duì)計(jì)量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存（僅影響水表數(shù)據(jù)的讀出），無需重新置數(shù)，水表的真實(shí)讀數(shù)仍可繼續(xù)讀 出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但 8 由于單表內(nèi)設(shè)置單片機(jī)和后備電源，成本較高，推廣普及較慢。 由于各表輸出的總線只需掛接，可以減少分線制抄表方式大量煩瑣的布線、系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)以及后期使用過程中線路、系統(tǒng)維護(hù)等繁重勞動(dòng)強(qiáng)度，也方便高層次設(shè)計(jì)如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、與其他系統(tǒng)（如安防、照明、空調(diào)、消防）共享開放式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而為用戶提供完善、綜合的配套服務(wù)。 智能卡式水表系統(tǒng) 智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場迅猛發(fā)展、單個(gè)智能卡及刷卡機(jī)性能價(jià)格比日益提高的特定時(shí)期應(yīng)運(yùn)而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、讀卡器、收費(fèi)管理信息系統(tǒng)等組成。用戶須在供水部門指定售卡點(diǎn)，購水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解決用水收費(fèi)糾紛的功能，這是其他抄表方式及普通水表上門抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無需鋪設(shè)管線及線路維護(hù)，安裝方便、維護(hù)簡單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動(dòng)閥）控制，由智能卡讀入預(yù)購水量等信息，使用簡單，動(dòng)作可靠，并且它的前期投資費(fèi)用低，因此日益受到供水管理部門的青睞。 根據(jù)我國金卡工程的長遠(yuǎn)發(fā)展建設(shè)來看，單純地將普通機(jī)械式水表轉(zhuǎn)化成機(jī)械式 +電子式固然已邁出了重要的一步， 但是還不夠完善，因?yàn)樗淼挠?jì)量預(yù)收費(fèi)及管理自動(dòng)化將是大勢所趨。未來信息技術(shù)的發(fā)展必將朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，作為樓宇自動(dòng)化發(fā)展的方向的一個(gè)重要方面 |—— 智能化水表系統(tǒng)。因此如何設(shè)計(jì)合適的平臺(tái)，將自動(dòng)抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等無“縫隙”地與數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接起來，開發(fā)出能體現(xiàn)優(yōu)良的綜合性、互操作性、方便實(shí)際現(xiàn)場安裝維護(hù)的一體化智能系統(tǒng)將成為今后一段時(shí)期內(nèi)的熱點(diǎn)。 9 第 2 章 智能水表的組成和單片機(jī)的選擇 智能水表系統(tǒng)硬件組成 本水表電路的硬件設(shè)計(jì)原則是在低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)多功能，組成框圖如圖 所示。系統(tǒng)硬件電路由 IC 卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以 AT89C51為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該 CPU芯片內(nèi)置 4K 的程序存儲(chǔ)器，有 32 個(gè)多功能的 I/O 口，具有多個(gè)可編程的中斷 I/O口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取 IC 卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時(shí)還可以將水表的數(shù)據(jù)存入 E2ROM 進(jìn)行永久保存并可通過 串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。本水表采用電池供電。 圖 硬件總體框圖 AT89C51 脈沖提取電路 電磁閥控制電路 安全保護(hù)電路 IC卡讀寫電路 IC卡讀寫電路 液晶顯示電路 通信接口電路 記憶單元電路 IC卡座 通信插座 去脈沖 電磁閥 來自水量 傳感器 10 AT89C51 單片機(jī)簡介 89C51 單片機(jī)的基本組成 在一小塊芯片上，集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，即 89C51 單片機(jī)芯片內(nèi)包括： （ 1）一個(gè) 8 位的微處理器（ CPU） 。 （ 2）片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM/SFR，用以存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 （ 3）片內(nèi) 4KB 程序存儲(chǔ)器 Flash ROM，用以存放程序、 一些原始數(shù)據(jù)和表格。 （ 4） 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口 P0P3,每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 （ 5）兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式。 （ 6）具有 5 個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。 （ 7）一個(gè)全雙工 UART 的串行 I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的串行通信。 （ 8）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。 （ 9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。 以上各個(gè)部分通過片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。 89C51 單片機(jī)引腳 及其功能 如圖 所示為單片機(jī) AT89C51 的引腳圖。 11 圖 單片機(jī) AT89C51 的引腳圖 （ 1） XTAL1（ 19 腳）：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 （ 2） XTAL2（ 18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。 （ 3） RST（ 9腳）：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 （ 4） P0口（ 39～ 32腳）： P0口是一個(gè)漏極開路的 8位準(zhǔn)雙向 I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LS型 TTL負(fù)載。當(dāng) P0口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫入全 1，此時(shí) P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。 （ 5） P3口（ 10～ 17腳）： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O多功能口。 P3口輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯門電路。對(duì) P3口寫入 “1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時(shí)，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流。當(dāng) CPU不對(duì) P3口進(jìn)行 SFR尋址訪問時(shí)，即用作第二功能輸出 /輸入線時(shí)，由內(nèi)部硬 12 件使鎖存器 Q置 1。 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列 全被寫“ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 表 P3 口與第二功能表 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD (串行輸出口 ) INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 1） T0（定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 13 第 3 章 系統(tǒng)各模塊硬件電路設(shè)計(jì) IC 卡讀寫電路 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、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 10萬次。 （ 7）工作頻率為 。 （ 8） 106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。 14 （ 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。波形轉(zhuǎn)換模塊可將卡片讀寫器上的 ，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 15 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)來識(shí)別、區(qū)分已選的卡片?？ㄆx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，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號(hào)來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備與卡片讀寫器進(jìn)行通信。 Anticollision模塊（防重疊功能）啟動(dòng)工作時(shí)，卡片讀寫器將得到卡片的序列號(hào) Serial Number。序列號(hào) Serial Number存儲(chǔ)在卡片的 Block 0中，共有 5個(gè)字節(jié)，實(shí)際有用的為 4個(gè)字節(jié)，另一個(gè)字 節(jié)為序列號(hào) Serial Number的校驗(yàn)字節(jié)。 Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇 當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述的二個(gè)步驟，程序員控制的讀寫器要想對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行“ SELECT”操作。以使卡片真正地被選中。 被選中的卡片將卡片上存儲(chǔ)在 BLOCK 0 中的卡片的容量“ SIZE”字節(jié)傳送給讀寫器。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，可以對(duì)卡片進(jìn)行深一步的操作，例如，可以進(jìn)行密碼驗(yàn)證等等。 認(rèn)證及存取控制模塊 在確認(rèn)了上述的三個(gè)步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，程序員對(duì)卡片進(jìn)行讀 寫操作之前，必須對(duì)卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的 Read/Write操作。 Mifare 1 卡片上有 16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個(gè)扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場合。整個(gè)卡片可以設(shè)計(jì)成“一卡通”形式來應(yīng)用。 16 控制及算術(shù)運(yùn)算單元 這一單元是整個(gè)卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。它主要進(jìn)行對(duì)整個(gè)卡片的各個(gè)單位進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個(gè)步驟。同時(shí)它還對(duì)各種收 /發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算處理，遞增 /遞減處理， CRC運(yùn)算處理，等等。是卡片中內(nèi)建的中央微處理機(jī)（ MCU)單元。 RAM/ROM 單元 RAM主要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)的存儲(chǔ)。如果某些數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到 EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到 EEPROM存儲(chǔ)器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀寫器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過 RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。 RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）將被清除。同時(shí)， ROM中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出去對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片 的讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 數(shù)據(jù)加密單元 該單元完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。 存儲(chǔ)器及其接口電路 該單元主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）仍將被保持，用戶所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。 Mifare 1卡片中的這一單元容量為 8196bit（ 1Kbyte），分為 16個(gè)扇區(qū)， 64個(gè)塊。 17 H6152 讀寫模塊 圖 H6152基本結(jié)構(gòu)示意圖 H6152的基本結(jié)構(gòu)如圖 。圖中，對(duì)外通信的接口為 J3和 J4。 J3 口共 有 7 針，包括 RS232/422 的接口引腳和讀寫器模塊的電源端，接地端，具體的功能定義如下： （ 1）引腳 1：保留引腳 （ 2）引腳 2：＋ 5V 電源腳 （ 3）引腳 3：接地端 （ 4）引腳 4： A 路串行接收 RxD（ RS232/422） （ 5）引腳 5： A 路串行發(fā)送 TxD（ RS