低功耗IC卡燃气表的研究与开发
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LCD 驱动器。采用保 密性好的 SLE4442 逻 辑加密 卡作为预付费卡片 , 具有强大的电源管理系统, 流量 监测精确 , 防磁、 防破坏、 数据加密防窃 , 可液晶显示 剩余气量、 购气量以及各种状态标志符。其基本功 能包括: 开机检测功能。系统开机后能自动检测 停电关阀及数据保护 当前状态 , 决定是否开阀。
人工上门查燃气表的工作量大, 效率低, 恶意拖 欠气费的用户使燃气公司损失很大。随着科技的发 展 , 出现了 IC 卡预付费型燃气表。燃气用户在燃气 公司开户, 购买一定气 量后, 即得到加 密的 IC 卡。 用户用气时将卡插入燃气表中 , 卡中气量自动输入 燃气表并在 IC 卡中消除气量 , 供气阀门打开。当气 量不足 5 m 时 , 燃气表提示用户购气; 气量用完时 , 燃气表自动切断供气管路。 1 系统功能及硬件设计 系统 以 M SP430F413 单 片 机 为 核 心, 它 内 置
表的硬件设计、 电控系统电路构成、 系统软件设计。 为了有效地降低功耗, 外围电子元器件以低压、 低频、 静态低功耗的器件构成; 对于系统软件, 则在低功耗 、 信息安全 、 抗干扰及可靠性等方面地行 了设计 。系统整体的功耗很低, 且运行稳定可靠, 操作方便, 抗干扰能力强。 关键词 : I C 卡燃气表 ; 低功耗; 硬件 ; 中图分类号 : TU996 文献标识码 : B 软件 文章编号 : 1000- 4416( 2006) 04- 0031- 04
ic卡储存用户识别和用户购买气量的信息本系统采用符合iso7816国际标准的sle4442逻辑加密存储卡ic卡对存储区的读写擦除等操作都有硬件密码控制具有认证系统密码用户读写密码多层保密措施可确保数据的安全ic卡插入卡座后产生ic卡插入信号插入信号产生中断可唤醒cpucpu控制升压电路工作在检测ic卡及认证校验密码通过后读入ic卡中购买的气量和当前剩下的余量相加后存入内存并将ic卡中的数据清零
第 26 卷 第 4 期 2006 年 4 月
煤 气 与 热力
GA S& H EAT
Vo. l 26 N o . 4 A pr . 2006
建筑燃气供应
低功耗 IC 卡燃气表的研究与开发
王 伟ห้องสมุดไป่ตู้ 冯 良
( 同济大学 机械工程学院, 上海 200092)
摘 要: 提出了一种基于 MSP430系列单片机的低功耗 IC 卡燃气表设计, 论述了 IC 卡燃气
2 软件设计 系统软件采用模块化结构, 用 M SP430 的嵌入 式 C 语言编写, 软件设计思想紧密结合 IC 卡燃气 表的控制模式 , 对 IC 卡信息读写、 卡类型的识别、 数
图 3 泄漏检测电路 F ig . 3 C ircu it for leak inspection
据处理、 电压的欠压检测与电源保护以及降低功耗 等方面进行了设计。 为了保证 IC 卡信息的安全性 , 当对插入的卡进 行识别之后, 发出读写命令字 , IC 卡芯片接受后 , 向 单片机发出一个应答指令, 然后跟随 8 字节读密码。 若密码错误, 显示 00 , 重试计数器加 1 , 最多重试 5 次, 否则 IC 卡清零; 若密码正确 , 显示 11 , 进入写周 期。通 过 串 行 数 据 线 把 IC 卡 中 气 量 读 入 M SP430F413 的 RAM 中, 最后发停止位; I C 卡的气 量清零并显示 01, 这时方可取卡。如果在这之前拔 出 IC 卡, 那么此次操作将视为无效。在完成读卡、 清零后, 将单片机剩余的气量与 IC 卡中读出的气量 相加 , 把最后结果回存入单片机 RAM 中 , 检测电磁 阀的启闭情况 , 如果处于关闭状态 , 则开启电磁阀。 为了保证数据安全, 数据保存在 M SP430 的闪 存中 , 即使断电也能长时间保存。数据保存一般在 以下情况下发生: a . 计量一定的气量 ; b. 每次购买新
图 2 干簧管的结构 F ig . 2 Structure o f dry reed p ipe
第 4期
王
伟 , 等 : 低功耗 I C 卡燃气表的研究与开发
第 26 卷
# 显示驱动电路 M SP430单片机具有内部 LCD 控制器 /驱动器。 设计采用 4 MUX, 1 / 3 偏压驱动 方法。 LCD 显示内 存位于单片机内部, 存储所有活动及省电模式中待 显示的信息 , 显示 各位与 LCD 段对 应。集 成化的 CPU 内置控制驱动器极大简化了系统的硬件结构 , 降低了成本 , 同时提高了系统的可靠性。用户可以 查看到的信息包括剩余气量、 总用气量及燃气表的 各种状态信息。 ∃ 泄漏检测电路 泄漏检测采用 QM 2N2 型气敏传感器作为检测 元件, 其电阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改 变。电路图见图 3 。平时 , 可燃性气体或烟雾浓度 在允许范围内 , 气敏传感器 C、 D 间电阻值较大, 从 D 端输出低电平。当可燃性气体或烟雾浓度达到一 定值后 , 气敏传感器 C、 D 间电阻值迅速减小, 从 D 端输出高电平。单片 机检测是否漏 气并做报警处 理。
R esearch and Developm ent of IC Card Gas M eter w ith L ow P ow er Consumption
W ANG W e,i FENG L iang
( Colleg e of M echanical E ng ineering, T ongji University, Shanghai 200092 , Ch in a) Abstract : T he design of IC card gas m eter w ith low pow er consum ption based on M SP430 m icro contro ller un it is put forw ard , and the hardw are desig n o f th e m eter , the circuit com posit io n o f th e electric contro l syste m and the desig n o f system softw are are discussed . In order to effectively reduce the pow er consu m pt ion, th e e lectron parts are com posed o f low vo ltage , low frequency and low static pow er con sum ption com ponents . In the desig n o f syste m softw are, spec ial attentions are pa id to the low pow er con sum ption , in form ation safety, anti in terference and re lia bility. T he total syste m is characterized by low pow er consum ption , stable and reliab le running , conven ient operat io n , and strong ant i interference ca pacity. K ey w ords: IC card gas m eter ; low pow er consum ption ; hardw are ; so ft w are
[ 1、 2]
IC 卡储存用户识别和用户购买气量的信息 , 本系统 采用符合 ISO 7816 国际标准的 SLE4442 逻辑加密 存储卡
[ 3]
。 IC 卡对存储区的读、 写、 擦除等操作都
[ 4]
有硬件密码控制, 具有认证、 系统密码、 用户读写密 码多层保密措施, 可确保数据的安全 。在 IC 卡插 入卡座后, 产生 1 个 IC 卡插入信号, 插入信号产生 中断可唤醒 CPU。 CPU 控制升压电路工作, 在检测 到 IC 卡及认证校验密码通过后, 读入 IC 卡中购买 的气量, 和当前剩下的余量相加后存入内存 , 并将 IC 卡中的数据清零。 电源监控电路 采用 NCP 302 HS N 27T 1 型电压 监测器 , 其 芯片 的工作电压范围为 0 . 8~ 10 V, 静态电流约 0 . 5 A; 电压检测门限精度不大于 2 % 。当电池电压低于保 护值 2. 7 V 时 , 芯片的脚 1 变为高电平 , 向微控制器 发出中断请求 , 蜂鸣器发出鸣叫声提醒用户更换电 池。 ! 流量测量电路 干簧管为磁灵敏开关型传感器, 其结构见图 2 。 干簧管由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成, 密封 于玻璃管中。当恒磁铁或线圈产生的磁场施加于舌 簧上时, 使 2个舌簧磁化 , 产生的磁场吸引力克服了 舌簧弹性产生的阻力, 舌簧被接触导通。一旦磁场 消失 , 舌簧又重新分开。控制器采用 2 个干簧管实 现计数和保护功能。 1 个干簧管安装在单位计数拨 码盘附近 , 在计数 拨码盘上 均匀嵌有 2 个微 型磁 钢。当 0 . 01 m 的燃气从燃气表流过时 , 干簧管开 关 2 次。另一个干簧管安装于靠近外壳处 , 拨码盘 上磁钢的磁场对其没有影响。当外界有强磁场时 , 2 个干簧管都会导通 , 这时单片机软件可将此判断为 干扰或恶意破坏而放弃该次计数 , 并关闭进气阀门。 当检测到 10 s( 可设置 ) 内无强磁 干扰时 , 阀 门打 开, 有效地实现了防外界磁场干扰功能。
图 5 电磁阀控制电路 F ig . 5 Contro l circu it o f electro m agne tic va lve 图 4 芯片开关电路 F ig . 4 On o ff c ircu it of chip
须电源供电。当 P 3 . 7 脚输出低电平时 , 三极管 T1 截止 , 电磁阀关闭 ; 当 P3 . 7 脚为 高电平时 , 三极管 T1 导通, 电磁阀 ZD 开启。通过电磁阀控制电路, 单 片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。
功能。当突然停电时, 系统将重要数据保存并关阀, 当系统复位时能 重新调入数据。 ! 低电压 检测功 能。本系统采用电池供电, 电压检测功能必不可少。 当电压过低时 , 提示用户更换电池 , 若用户没及时更
∀ 31∀
第 4期
煤气与热力
第 26 卷
换则系统可自动关闭阀门。 #强磁场检测功能。当 外界强磁场干扰时 , 系统能识别并自动关阀。 ∃ 报 警显示功能。当电压低、 泄漏、 用气量不足及发生其 他故障时系统能声音报警 和屏幕显示。 %读卡功 能。 & 计量功能。准确计量 , 并能对气压变化引起 的计量误差进行修正。 1 1 单片机的选择 由于主要设计低功耗的 IC 卡燃气表, 因此所选 的单片机必须满足低功耗要求 , 另外对单片机抗干 扰性以及可靠性也有一定要求。我们选用美国一家 仪器公司的 M SP430 系 列超低功耗 16 位混合信号 单片机。在超低功耗方面 , 其处理器功耗远低于同 类其他产品。 选用 M SP430 系列的 MSP430F413 单片 机, 它 集成 96 段 LCD 驱动器直接驱动液晶 , 串行在线编 程 , 5 种省电模式。处于 LM P3 低功耗模式下时电 流为 0 . 7 A, 从低功耗模式下唤醒只要通过片内的 定时器中断即可 , 或利用流量脉冲进行外部唤醒, 因 此完全可以省去外部中断唤醒电路。定时器确保程 序稳定 , P1 和 P 2 口的所有 8 个位全部可以外中断 处理 , 中断 边沿可 选。 M SP430F 413 片内 集成了 8 kb的闪存 , 既可当程序存储器, 其剩余部分又可代 替可扩展内存来保存重要数据 , 只要电压保持在 2 . 7 V 以上即可对其进行写入和读取操作。这样大大节 约了因外扩可扩展内存而增加的功率消耗 , 也简化 了硬件电路 , 降低了成本
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。
1 2 系统组成 控制器组成包括 MSP430 单片机、IC 卡读写电 路、 电源监控电路、 流量测量电路、 显示驱动电路、 电 磁阀控制电路、 蜂鸣器及 按键电路、 泄漏检测电路 等。控制器组成见图 1 。
图 1 控制器组成 F ig. 1 Contro lle r composition
IC 卡读写电路 IC 卡由于具有存储容量大、 数据保密性好、 抗 干扰能力强、 操作速度快等优点, 近年来应用广泛。 ∀ 32∀
LCD 驱动器。采用保 密性好的 SLE4442 逻 辑加密 卡作为预付费卡片 , 具有强大的电源管理系统, 流量 监测精确 , 防磁、 防破坏、 数据加密防窃 , 可液晶显示 剩余气量、 购气量以及各种状态标志符。其基本功 能包括: 开机检测功能。系统开机后能自动检测 停电关阀及数据保护 当前状态 , 决定是否开阀。
人工上门查燃气表的工作量大, 效率低, 恶意拖 欠气费的用户使燃气公司损失很大。随着科技的发 展 , 出现了 IC 卡预付费型燃气表。燃气用户在燃气 公司开户, 购买一定气 量后, 即得到加 密的 IC 卡。 用户用气时将卡插入燃气表中 , 卡中气量自动输入 燃气表并在 IC 卡中消除气量 , 供气阀门打开。当气 量不足 5 m 时 , 燃气表提示用户购气; 气量用完时 , 燃气表自动切断供气管路。 1 系统功能及硬件设计 系统 以 M SP430F413 单 片 机 为 核 心, 它 内 置
表的硬件设计、 电控系统电路构成、 系统软件设计。 为了有效地降低功耗, 外围电子元器件以低压、 低频、 静态低功耗的器件构成; 对于系统软件, 则在低功耗 、 信息安全 、 抗干扰及可靠性等方面地行 了设计 。系统整体的功耗很低, 且运行稳定可靠, 操作方便, 抗干扰能力强。 关键词 : I C 卡燃气表 ; 低功耗; 硬件 ; 中图分类号 : TU996 文献标识码 : B 软件 文章编号 : 1000- 4416( 2006) 04- 0031- 04
ic卡储存用户识别和用户购买气量的信息本系统采用符合iso7816国际标准的sle4442逻辑加密存储卡ic卡对存储区的读写擦除等操作都有硬件密码控制具有认证系统密码用户读写密码多层保密措施可确保数据的安全ic卡插入卡座后产生ic卡插入信号插入信号产生中断可唤醒cpucpu控制升压电路工作在检测ic卡及认证校验密码通过后读入ic卡中购买的气量和当前剩下的余量相加后存入内存并将ic卡中的数据清零
第 26 卷 第 4 期 2006 年 4 月
煤 气 与 热力
GA S& H EAT
Vo. l 26 N o . 4 A pr . 2006
建筑燃气供应
低功耗 IC 卡燃气表的研究与开发
王 伟ห้องสมุดไป่ตู้ 冯 良
( 同济大学 机械工程学院, 上海 200092)
摘 要: 提出了一种基于 MSP430系列单片机的低功耗 IC 卡燃气表设计, 论述了 IC 卡燃气
2 软件设计 系统软件采用模块化结构, 用 M SP430 的嵌入 式 C 语言编写, 软件设计思想紧密结合 IC 卡燃气 表的控制模式 , 对 IC 卡信息读写、 卡类型的识别、 数
图 3 泄漏检测电路 F ig . 3 C ircu it for leak inspection
据处理、 电压的欠压检测与电源保护以及降低功耗 等方面进行了设计。 为了保证 IC 卡信息的安全性 , 当对插入的卡进 行识别之后, 发出读写命令字 , IC 卡芯片接受后 , 向 单片机发出一个应答指令, 然后跟随 8 字节读密码。 若密码错误, 显示 00 , 重试计数器加 1 , 最多重试 5 次, 否则 IC 卡清零; 若密码正确 , 显示 11 , 进入写周 期。通 过 串 行 数 据 线 把 IC 卡 中 气 量 读 入 M SP430F413 的 RAM 中, 最后发停止位; I C 卡的气 量清零并显示 01, 这时方可取卡。如果在这之前拔 出 IC 卡, 那么此次操作将视为无效。在完成读卡、 清零后, 将单片机剩余的气量与 IC 卡中读出的气量 相加 , 把最后结果回存入单片机 RAM 中 , 检测电磁 阀的启闭情况 , 如果处于关闭状态 , 则开启电磁阀。 为了保证数据安全, 数据保存在 M SP430 的闪 存中 , 即使断电也能长时间保存。数据保存一般在 以下情况下发生: a . 计量一定的气量 ; b. 每次购买新
图 2 干簧管的结构 F ig . 2 Structure o f dry reed p ipe
第 4期
王
伟 , 等 : 低功耗 I C 卡燃气表的研究与开发
第 26 卷
# 显示驱动电路 M SP430单片机具有内部 LCD 控制器 /驱动器。 设计采用 4 MUX, 1 / 3 偏压驱动 方法。 LCD 显示内 存位于单片机内部, 存储所有活动及省电模式中待 显示的信息 , 显示 各位与 LCD 段对 应。集 成化的 CPU 内置控制驱动器极大简化了系统的硬件结构 , 降低了成本 , 同时提高了系统的可靠性。用户可以 查看到的信息包括剩余气量、 总用气量及燃气表的 各种状态信息。 ∃ 泄漏检测电路 泄漏检测采用 QM 2N2 型气敏传感器作为检测 元件, 其电阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改 变。电路图见图 3 。平时 , 可燃性气体或烟雾浓度 在允许范围内 , 气敏传感器 C、 D 间电阻值较大, 从 D 端输出低电平。当可燃性气体或烟雾浓度达到一 定值后 , 气敏传感器 C、 D 间电阻值迅速减小, 从 D 端输出高电平。单片 机检测是否漏 气并做报警处 理。
R esearch and Developm ent of IC Card Gas M eter w ith L ow P ow er Consumption
W ANG W e,i FENG L iang
( Colleg e of M echanical E ng ineering, T ongji University, Shanghai 200092 , Ch in a) Abstract : T he design of IC card gas m eter w ith low pow er consum ption based on M SP430 m icro contro ller un it is put forw ard , and the hardw are desig n o f th e m eter , the circuit com posit io n o f th e electric contro l syste m and the desig n o f system softw are are discussed . In order to effectively reduce the pow er consu m pt ion, th e e lectron parts are com posed o f low vo ltage , low frequency and low static pow er con sum ption com ponents . In the desig n o f syste m softw are, spec ial attentions are pa id to the low pow er con sum ption , in form ation safety, anti in terference and re lia bility. T he total syste m is characterized by low pow er consum ption , stable and reliab le running , conven ient operat io n , and strong ant i interference ca pacity. K ey w ords: IC card gas m eter ; low pow er consum ption ; hardw are ; so ft w are
[ 1、 2]
IC 卡储存用户识别和用户购买气量的信息 , 本系统 采用符合 ISO 7816 国际标准的 SLE4442 逻辑加密 存储卡
[ 3]
。 IC 卡对存储区的读、 写、 擦除等操作都
[ 4]
有硬件密码控制, 具有认证、 系统密码、 用户读写密 码多层保密措施, 可确保数据的安全 。在 IC 卡插 入卡座后, 产生 1 个 IC 卡插入信号, 插入信号产生 中断可唤醒 CPU。 CPU 控制升压电路工作, 在检测 到 IC 卡及认证校验密码通过后, 读入 IC 卡中购买 的气量, 和当前剩下的余量相加后存入内存 , 并将 IC 卡中的数据清零。 电源监控电路 采用 NCP 302 HS N 27T 1 型电压 监测器 , 其 芯片 的工作电压范围为 0 . 8~ 10 V, 静态电流约 0 . 5 A; 电压检测门限精度不大于 2 % 。当电池电压低于保 护值 2. 7 V 时 , 芯片的脚 1 变为高电平 , 向微控制器 发出中断请求 , 蜂鸣器发出鸣叫声提醒用户更换电 池。 ! 流量测量电路 干簧管为磁灵敏开关型传感器, 其结构见图 2 。 干簧管由一对磁性材料制造的弹性舌簧组成, 密封 于玻璃管中。当恒磁铁或线圈产生的磁场施加于舌 簧上时, 使 2个舌簧磁化 , 产生的磁场吸引力克服了 舌簧弹性产生的阻力, 舌簧被接触导通。一旦磁场 消失 , 舌簧又重新分开。控制器采用 2 个干簧管实 现计数和保护功能。 1 个干簧管安装在单位计数拨 码盘附近 , 在计数 拨码盘上 均匀嵌有 2 个微 型磁 钢。当 0 . 01 m 的燃气从燃气表流过时 , 干簧管开 关 2 次。另一个干簧管安装于靠近外壳处 , 拨码盘 上磁钢的磁场对其没有影响。当外界有强磁场时 , 2 个干簧管都会导通 , 这时单片机软件可将此判断为 干扰或恶意破坏而放弃该次计数 , 并关闭进气阀门。 当检测到 10 s( 可设置 ) 内无强磁 干扰时 , 阀 门打 开, 有效地实现了防外界磁场干扰功能。
图 5 电磁阀控制电路 F ig . 5 Contro l circu it o f electro m agne tic va lve 图 4 芯片开关电路 F ig . 4 On o ff c ircu it of chip
须电源供电。当 P 3 . 7 脚输出低电平时 , 三极管 T1 截止 , 电磁阀关闭 ; 当 P3 . 7 脚为 高电平时 , 三极管 T1 导通, 电磁阀 ZD 开启。通过电磁阀控制电路, 单 片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。
功能。当突然停电时, 系统将重要数据保存并关阀, 当系统复位时能 重新调入数据。 ! 低电压 检测功 能。本系统采用电池供电, 电压检测功能必不可少。 当电压过低时 , 提示用户更换电池 , 若用户没及时更
∀ 31∀
第 4期
煤气与热力
第 26 卷
换则系统可自动关闭阀门。 #强磁场检测功能。当 外界强磁场干扰时 , 系统能识别并自动关阀。 ∃ 报 警显示功能。当电压低、 泄漏、 用气量不足及发生其 他故障时系统能声音报警 和屏幕显示。 %读卡功 能。 & 计量功能。准确计量 , 并能对气压变化引起 的计量误差进行修正。 1 1 单片机的选择 由于主要设计低功耗的 IC 卡燃气表, 因此所选 的单片机必须满足低功耗要求 , 另外对单片机抗干 扰性以及可靠性也有一定要求。我们选用美国一家 仪器公司的 M SP430 系 列超低功耗 16 位混合信号 单片机。在超低功耗方面 , 其处理器功耗远低于同 类其他产品。 选用 M SP430 系列的 MSP430F413 单片 机, 它 集成 96 段 LCD 驱动器直接驱动液晶 , 串行在线编 程 , 5 种省电模式。处于 LM P3 低功耗模式下时电 流为 0 . 7 A, 从低功耗模式下唤醒只要通过片内的 定时器中断即可 , 或利用流量脉冲进行外部唤醒, 因 此完全可以省去外部中断唤醒电路。定时器确保程 序稳定 , P1 和 P 2 口的所有 8 个位全部可以外中断 处理 , 中断 边沿可 选。 M SP430F 413 片内 集成了 8 kb的闪存 , 既可当程序存储器, 其剩余部分又可代 替可扩展内存来保存重要数据 , 只要电压保持在 2 . 7 V 以上即可对其进行写入和读取操作。这样大大节 约了因外扩可扩展内存而增加的功率消耗 , 也简化 了硬件电路 , 降低了成本
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1 2 系统组成 控制器组成包括 MSP430 单片机、IC 卡读写电 路、 电源监控电路、 流量测量电路、 显示驱动电路、 电 磁阀控制电路、 蜂鸣器及 按键电路、 泄漏检测电路 等。控制器组成见图 1 。
图 1 控制器组成 F ig. 1 Contro lle r composition
IC 卡读写电路 IC 卡由于具有存储容量大、 数据保密性好、 抗 干扰能力强、 操作速度快等优点, 近年来应用广泛。 ∀ 32∀