【正文】 4C01系列的IC卡，因此，對IC卡信息的加密和解密是決定IC卡安全可靠的關(guān)鍵，在設(shè)計中占有重要地位，具體辦法是：用戶卡在每次購買水時，均由上位機(jī)根據(jù)剩余水量等信息隨機(jī)生成3B的密碼因子存入IC卡，依次對IC卡進(jìn)行動態(tài)加密；卡表內(nèi)的加密和解密程序讀取IC卡信息后，進(jìn)行逆向處理，達(dá)到解密的目的，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。 系統(tǒng)的抗干擾性設(shè)計抗干擾設(shè)計，其實(shí)是系統(tǒng)可靠性設(shè)計中的一部分，是從系統(tǒng)偶然出錯的角度進(jìn)行分析。下面就本系統(tǒng)中所采取的抗干擾措施作簡要介紹：（1）由于本系統(tǒng)中的基表計數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動，采用干簧管水量計量發(fā)訊。（2）電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電系統(tǒng)的電源上。即使是電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲，干擾系統(tǒng)的運(yùn)行。在此，主要是在電路板的電源和地之間并接去耦電容，即 10μF 的電解電容和一個 的電容，來消除電源干擾。（3）電路板是電路系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高度集合體，電路板設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大，所以印刷電路板設(shè)計決不僅僅是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計原則。1）去耦電容的配置在電路板的各個關(guān)鍵部位配置去耦電容是電路板設(shè)計的常規(guī)做法，在此采用如下幾種方法：a、電源輸入端跨接 10μF 的電解電容器和一個 的陶瓷電容器；b、為每個集成電路芯片都安置一個 的陶瓷電容器。2）電源線和地線布置根據(jù)電流的大小，加粗相關(guān)導(dǎo)線，并使電源線和地線的走向和數(shù)據(jù)的傳遞方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。因此，盡量將地線加粗，使它能通過三倍于電路板上的允許電流。（2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器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。（4）4個8位并行I/O端口P0P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（6）具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。（8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。以上各個部分通過片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。 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)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（3）RST（9腳）：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。（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。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來完成。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。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 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（定時器/計數(shù)器0）T1（定時器/計數(shù)器1）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 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)字控制模塊和一個高效率射頻天線模塊。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。（1）1KB的EEPROM，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為4塊，每塊16B，以塊為存取單位。（3）每張卡有唯一的32位序列號。（5）無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。（7）。（9）讀寫距離最大可達(dá)10cm（取決于天線設(shè)計）。C。（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。POR模塊主要是對卡片上的各個電路進(jìn)行POWERONRESET（上電復(fù)位），使各電路同步啟動工作。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，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，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType）號共2個字節(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)。由于Mifare 1卡片每一張都具有唯一的系列號，決不會相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號來識別、區(qū)分已選的卡片。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)，隨時準(zhǔn)備與卡片讀寫器進(jìn)行通信。序列號Serial Number存儲在卡片的Block 0中，共有5個字節(jié)，實(shí)際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號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步驟，程序員控制的讀寫器要想對卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對卡片進(jìn)行“SELECT”操作。被選中的卡片將卡片上存儲在BLOCK 0 中的卡片的容量“SIZE”字節(jié)傳送給讀寫器。Mifare 1 卡片上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。整個卡片可以設(shè)計成“一卡通”形式來應(yīng)用?？刂萍八阈g(shù)運(yùn)算單元這一單元是整個卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。同時它還對各種收/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。如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到EEPROM存儲器中；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。同時，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)算單元取出去對每個單元進(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 該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。存儲器及其接口電路該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。Mifare 1卡片中的這一單元容量為8196bit（1Kbyte），分為16個扇區(qū)，64個塊。圖中，對外通信的接口為J3和J4。（2）引腳2：讀過程LED指示的負(fù)端。（4）引腳4：供電LED指示的負(fù)端。它集成了PCB板載天線電路和RS232/422接口的集成讀寫模塊，還提供了RS232/422接口與TTL接口的轉(zhuǎn)換電路。主要性能指標(biāo)如下：（1）工作頻率：。（3）接口：RS232/422/485。（5）天線尺寸：45mm70mm。（7）電流供應(yīng)：80mA。 IC卡讀寫電路的原理及說明單片機(jī)AT89C51串口電平轉(zhuǎn)換電路IC卡讀寫器報警電路Mifare1射頻卡，總體原理圖見附錄1。H6152讀寫器對射頻卡進(jìn)行讀寫后通過串口電平轉(zhuǎn)換電路將RS－232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所識別的TTL電平，從而達(dá)到了使用AT89C51單片機(jī)來控制射頻卡的讀寫過程。 單片機(jī)模塊 串口電平轉(zhuǎn)換模塊U1為單片機(jī)芯片AT89C51，它控制H6152的工作狀態(tài)，該引腳為高電平時，H6152停止工作；，為低電平時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。另外單片機(jī)中還帶有復(fù)位端，為了安全方便，單片機(jī)采用了上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種。L1為雙色發(fā)光二極管，它表示當(dāng)前H6152的工作狀態(tài)。MAX3232將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)為RS232，然后與H6152的RS232接口直接相連。RS232C標(biāo)準(zhǔn)的信號線共25根，其中只定義了22根。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信號都要連接，一般情況下只需使用其中的9根信號線，這就是為什么在微機(jī)的機(jī)箱上串行通信接口（如COMCOM2）只有9根的原因。負(fù)載開路時電壓不得超過177。對于接收端，電壓低于－3V表示邏輯“1”，高于＋3V表示邏輯“0”。 液晶顯示電路 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊GXM12864，它內(nèi)含KS0108B/HD61202控制器，是一種采用低功耗CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)陣圖形LCD模塊，有8位的微處理器接口，通過內(nèi)部的12864位映射DDRAM實(shí)現(xiàn)128點(diǎn)64點(diǎn)大小的平板顯示。KS0107B不與CPU發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動信號和各種同步信號，比較簡單。 液晶顯示模塊GXM12864的工作原理圖電位器R15的作用是調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動器的供壓，從而調(diào)節(jié)液晶顯示的對比度。數(shù)據(jù)線DB0～DB7和單片機(jī)的P0口相連，控制線D/I、R/W和片選線/CSA、/CSB分別與單片機(jī)P2口的0腳相連。為避免液晶模塊的損壞，在加液晶驅(qū)動電壓V0/VEE時需要比加邏輯電壓VDD滯后50ms；在關(guān)電時，液晶驅(qū)動電壓V0/VEE需要比邏輯電壓VDD提前50ms關(guān)斷。引腳名稱引腳定義/CSA、/CSB片選2VSS數(shù)字地VDD邏輯電源+5VV0對比度調(diào)節(jié)D/I指令數(shù)據(jù)通道R/W讀/寫選擇E使能信號、高電平有效DB0DB78位數(shù)據(jù)線RST復(fù)位信號VEE液晶驅(qū)動電源A、K背光正電源端、背光接地端 電源模塊在一般情況下，液晶器件的驅(qū)動需要兩種不同的電源電壓，一種是+5V(工作電壓)，另一種是10V(背景光對比度調(diào)節(jié)電壓)。液晶電源電路的作用就是將電壓轉(zhuǎn)換成這兩種電壓信號輸出，為液晶顯示模塊提供工作電壓。MAX1677是雙電壓輸出升壓DCDC變換器，它是一種專門為LCD提供電源的芯片，可以產(chǎn)生兩種可調(diào)電壓輸出。 電源模塊電路電路中的其他器件說明如下。DD2是反相耐壓大于16V的肖特基二極管，也可選用具有相同耐壓參數(shù)的其他型號二極管。如果不是用欠電壓監(jiān)測的話，只需要將第三引腳（LBI）接地即可。 單片機(jī)模塊由于內(nèi)部液晶控制器的存在，單片機(jī)可直接與GXM12864相連，不必使用其他的接口芯片。AT89C51的P0口直接與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7相連；P2口的0、6引腳分別和液晶模塊的/CSB、/CSA、E、R/W、D/I相連，在單片機(jī)程序執(zhí)行過程中，對它們作相應(yīng)的控制。I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二線制總線。I2C總線包括一條數(shù)據(jù)線（SDA）和一條時鐘線（SCL）?？偩€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。在每次數(shù)據(jù)交換開始，作為主控器的器件需要通過總線競爭獲得主控權(quán)，并啟動一次數(shù)據(jù)交換。CPU可以通過指令對各功能模塊進(jìn)行控制，各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，所以每個電路和模塊都有唯一的地址。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量（數(shù)據(jù)）兩部分。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)。主器件的功能是啟動在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一般來講，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。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)器件的功能通過軟件程序使其工作于發(fā)送或接收方式。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。總線上主和從（即發(fā)送和接收）的關(guān)系取決于此時數(shù)據(jù)傳送的方向。連接總線器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能，當(dāng)總線空閑時，兩根線都是高電平。連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是400pF的限制決定。AT24C01中帶有片內(nèi)尋址寄存器。所有字節(jié)都以單一操作方式讀取。各引腳功能如下： AT24C01的引腳圖SCL:串行時鐘。SDA：串行數(shù)據(jù)。A0～A2:器件/頁面尋址。Wp：硬件寫保護(hù)。Vcc：電源。Vss：接地。利用單片機(jī)AT89C51與24C01進(jìn)行I2C通信，實(shí)現(xiàn)對某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀/寫校驗(yàn)操作。這種電磁閥在開啟時只需在其控制線AB兩端加一正向脈沖（幅度DC12V寬度大于20 ms），水閥一旦開啟則會自動保持。因?yàn)檫@種電磁閥開啟后不需給電磁閥持續(xù)供電，所以它的功耗非常低，因而特別適合用在IC卡水表中作為水表開啟送水或欠費(fèi)停水的執(zhí)行單元。A+B脈沖電磁閥Vcc+Vcc 電磁閥控制電路圖 其它模塊電路(1) 脈沖提取電路脈沖提取電路，用于提取IC卡水表的計量脈沖。也可以利用干式磁傳水表已有的開關(guān)信號輸出，作為計量信號。使封裝完好時I/O線相當(dāng)于接地，為低電平，一旦封裝被非法打開，I/O線就不與地連接，其電平變?yōu)楦唠娖?，此時CPU將發(fā)生安全保護(hù)中斷，立即關(guān)斷電磁閥中斷供水。(3) 通信接口電路通信接口電路，利用AT89C51的串行通信口，選用MAX2338芯片形成485接口電路。4 智能水表系統(tǒng)軟件設(shè)計 IC卡讀寫軟件設(shè)計 H6152內(nèi)部寄存器H6152內(nèi)部的EEPROM可以分為兩部分，32*6B的密碼存儲器和20B的功能寄存器。功能寄存器用于設(shè)置通信波特率、： H6152內(nèi)部功能寄存器地址功能說明00H~03H32位設(shè)備序列號用于保存出廠時又廠商設(shè)定的唯一設(shè)備序列號04H當(dāng)前設(shè)備ID用于保存多機(jī)通信時當(dāng)前設(shè)備的ID號05H通信協(xié)議設(shè)定用于設(shè)定H6152的通信協(xié)議和上電復(fù)位后的工作狀態(tài)06H波特率設(shè)定用于設(shè)定H6152的通信速率O7H~0FH保留保留無法使用10H~13H用戶數(shù)據(jù)可以由用戶設(shè)定，用于保存用戶信息(1)04H(當(dāng)前設(shè)備ID)