非接触式IC卡工业水表及其售水系统设计

1 引言

近几年，智能IC 卡的应用在我国已经十分普遍。在水表行业中，机械式工业水表已逐渐被嵌入式IC 卡智能水表所取代。后者的出现，促进了水资源管理部门对水资源的科学管理，同时提高了工业用户对水资源的利用率。非接触式IC 卡工业水表，改革传统抄表与收费问题，改用非接触式IC 卡实现预付费，完成“先付费再用水”和持卡消费的先进模式，减少劳动强度，节约劳动力；水量记录、计费由计算机完成，准确、可靠、及时；鼓励用户节约用水。此外该款工业水表更具有自己的特点和优势，弥补当前因工业水表少而带来的功能不健全，系统不稳定等弱点。随着社会发展的需求，工业水表的智能化程度还将会有更大的提高。

2 设计概述

非接触式IC 卡工业水表包含两块设备。一块连接水管并埋入地下，另一块放置于操作台上，两者通过串行线相连。系统中定义地下部分为“基表”，而与其相连的操作设备为“刷卡机”。基表负责记录、计算用水水量，刷卡机负责信息查看，两者共同完成用户的购水操作。

2.1 基表

基表记录用户剩余水量、报警水量、透支水量，这些水量信息会随着用户用水情况实时更新；同时，再结合系统工作情况共同控制送水阀门的开、关操作；基表定时更新记录在FLASH 中的水量信息。图1 给出了基表的功能框图。

图1 工业水表――基表功能框图

2.2 刷卡机

刷卡机，与售水系统、读写卡器一起提供刷卡使能；它的LCD 显示用户的剩余水量和系统当前的工作情况；刷卡机的电源模块同时给基表与自身供电。图2 给出了刷卡机的功能框图。

图2 工业水表――刷卡机功能框图

2.3 读写卡器与售水系统软件

读写卡器与售水系统软件提供给水资源管理部门使用。用户开户、购水、注销帐号等操作由售水系统完成，同时售水系统软件提供了日、月、年报表以及一些特殊功能，比如用户过户；软件系统的维护可以在本地计算机完成。系统内有多个数据库，记录用户相关信息。

系统工作原理是：用户先到水资源管理部门购买非接触式IC 卡并开户或者持原有卡购水；售水系统将相应信息写入IC 卡；用户在刷卡机上刷卡，并与基表一起完成用户身份的核对，成功后将购买水量累加到水表的剩余水量，作为新的用户可用水量。

用户用水过程中，卡内剩余水量会相应减少；当降到报警水量时（由用户与水资源管理部门商定），系统会报警，提示水量不足；继续使用到透支水量（同样由用户与水资源管理部门商定），系统会自动关闭阀门，停止供水。系统在遇到因客户操作不当而导致的错误的时候，会给出错误操作提示，必要时候会关闭阀门。如此可以同时保证客户与水资源管理部门的利益不受到侵犯。

3 刷卡机与基表

针对图1 和图2 的系统功能框图，以下从软、硬件上讲述刷卡机与基表的各个模块或部分的细节。

3.1 硬件设计

3.1.1 刷卡机（见图3）。

图3 刷卡机电路描述图

(1) 稳压电源电路：该模块直接与220V 交流连接。作为水表的电源供给模块，不仅直接给刷卡机供电，还为基本部分的电池充电。针对220V 的市电掉电，刷卡机部分提供了报警与故障提示。电压转换器和电池的输出电压均为12V，电路中标准电压为3.3V 和5V，为得到系统工作的稳定电源，模块中使用了两套精确的稳压电源计算电路；此外，考虑到刷卡、错误指示灯、显示、报警等大功耗元件重叠工作带来的大电流，电路在这方面作了充分的考虑，或者分时操作，或者限制连续的无意义操作，并最终有效地避免了个别元件满负载工作。

(2) 汉字点阵LCD：122×32 点阵液晶显示屏，分为上下两行。
(3) IC 卡读写卡模块：见4.2。
(4) MCU：微处理器选用Freescale 刚刚推出的8 位MCU MC9S08GB32，该芯片性能与16 位MCU 相当。正常工作电压时，CPU 速率和总线速率最高分别可达40MHz 与20MHz；RAM 和FLASH 分别为2K和32K；最多可大56个通用I/O口；采用"零元件"设计实现MCU 从"stop"模式的自动激活，从而降低了成本，也使电流降低到0.7mA；具有温度和电压补偿(典型漂移 2%)的可编程内部时钟发生器，能提高通信的可靠性、加快启动时间和减少系统成本；通过第三代0.25 微米的闪存技术，提供应用程序的重复编写和数据存储能力；高度集成了4 个串行通信端口(SCI x 2、SPI、I2C/IIC)、最多8个定时器/PWM、1个8通道的10位A/D转换器(工作电压最低为1.8V)。
(5) 蜂鸣器：水表出现故障时报警用。

3.1.2 基表（见图4）。

图4 基表电路描述图(1) 水量记录：水表中有机械转轮，通过干簧管与磁铁配合完成采样；内部提供了强磁场干扰的判别处理，再加之基表埋入地下，基本可以忽略外部环境