非接触式IC卡工业水表及其售水系统设计

图5 售水系统软件功能模块图（操作员） 4.2 读写卡器

以PHILIPS 公司的MF-RC500 作为读写卡模块，FREESCALE 公司的M68HC08JL8 作为主控芯片，设计了一款非接触式IC 卡读写卡器。读写卡器还包括非接触式IC 卡和射频发射天线。读写卡器与PC 机通过串行口相连，提供售水系统操作卡的硬件平台；刷卡机中的读写卡模块，读取经售水系统售水后的IC 卡，并将其中相应信息记录到MCU 中。数据读写的过程中，时刻需要验证密码，只有获得正确的密码才可以操作卡的内容，因此卡中的数据具有非常好的保密性。刷卡机中的读写卡模块同样有读写卡的功能，但更主要是读卡中内容，并传送给基表，基表返回固定信息再写入卡中相应区域，所以不会对超出其范围的区域有写数据的操作。售水系统则可以提供读写卡器，实现对卡的完全操作，包括清卡。

5 关键技术

阀门驱动及反馈模块虽然能完成驱动和反馈的功能，但是存在如下问题：阀门操作完成时刷卡机串行通信指示灯偶尔持续闪烁的现象。指示灯闪烁说明基本有数据发送到刷卡机，而阀门操作时不会有双方的数据传输，因此初步分析为基本MCU 复位（启动代码现象）。

虽不是每次出现，但此现象的严重性不可忽略，MCU 复位前一次水量记录到复位时刻所用水量会丢失。根据反馈信号采样电路可知，阀门操作完成时的电路功耗比较大，于是软件上把采样的时间间隔缩短，硬件上在添加了大容量电容稳定电压，并经过示波器显示波形平稳，说明MCU 的供电正常。再一次做阀门试验，发觉仍然存在上述问题，而且没有任何改善。

用PC 机接收串行线上的数据，分析得出为MCU 上电复位的通信握手信号，至此可以确定上述现象是由基本MCU 复位造成。MCU 的复位情况有看门狗复位， RESET 键复位，程序死锁复位，低电压复位。进一步的试验排除了前三者的可能性，问题的确出自低电压，这说明阀门关闭的最后时刻功耗非常大，导致MCU 供电不足。硬件上要解决此问题，有两种方法：① MCU 电源直接从串行线的12V 转换得来；② MCU 电源由另外的电池提供，脱离现有的电池和串行线。两种方法虽然能暂时解决问题，但考虑到其他各种以外情况，上述方法均不能彻底解决该问题。软件上解决的办法是禁止低电压。系统复位状态寄存器上LVD位控制着MCU 低电压时复位是否允许，置1 则允许低电压情况下的复位，置0 则不复位。现置LVD 位为0。问题解决后，用示波器显示原电路MCU 管脚上电压，结果与原先一样，仍然看不出明显变化。可以分析阀门操作完成的瞬间，有毛刺影响了MCU 的工作。

前文提到的刷卡正常，是指刷卡过程中不随便挪开卡，直到最好刷卡结束，这样的刷卡过程能够完成一次正确的卡操作；但如果在刷卡过程中把卡拿开，即使是一会儿，也可能导致刷卡失败。刷卡过程是卡、刷卡机、基本三方通信的过程，除了三者之间交互的信息量大之外，还有写卡、写FLASH 操作，它们之间在时间上有先后顺序，并且是分步进行，一旦前面操作完成而后面操作不能正常完成，那刷卡肯定就不会成功，而且先前的写卡或写FLASH 操作必然导致下次刷卡不成功。要解决此问题，必须把写卡和写FLASH 操作推迟到刷卡结束前一刻。基表MCU 程序首先开辟一块FLASH 空间，专门用作存储FLASH 中即将被修改的信息；不改变刷卡过程，而只是在刷卡结束前判断是否刷卡成功，如果成功则结束，如果不成功则把原先备份的数据还原，系统又回复到刷卡前的状态。对于写卡，把表示是否刷卡的标志位和购水次数的写入放到刷卡机与卡通信的最后第二步（最后一步发送成功与否的标志）。试验证明上述方法非常有效，无数次测试过程中没有出现一次错误。

6 结束语

非接触式IC 卡工业水表已经完成开发。售水系统界面友善、操作简便，操作员只需要输入购水金额或者水量，系统便可完成数据库更新、写卡、打印发票等工作；正常的刷卡，补卡后的刷卡，多次水量累积的刷卡，都不会丢失任何一次所购水量或者添加额外水量，刷卡后系统会显示“本次购水”、“剩余水量”，如果此刻剩余水量较少，“水量报警”、“水量透支”或“透支关阀”也会相应显示，如果购水后水量较多，上述内容会相应不显示；用水、购水等水量的计算完全正确；用水过程中，当水量超过之前设定的透支限额，阀门会自行关闭，直到剩余水量恢复到该限额内；电池电量降到设定值时，阀门也会自行关闭，直到电池电量恢复；拔断刷卡机与基表之间的串行线，系统会立刻识别到“通信故障”，重新接好，系统也能立刻消除该错误标志；当出现用户持续刷卡的不正当操作，系统会给予识别并提示“请正确刷卡”，同时根据情况考虑是否终止接收用户刷卡；上述任何一种错误或非正常情况的发生，都会伴随刷卡机上红色LED 的闪烁，告知用户系统出现故障，一切正常时，该LED 不发光。

非接触式IC 卡工业水表吸收其他同类产品的优点，进一步完善不足，从功能、可靠性上给予提高。工业水表智能化是发展的必然趋势，智能化水表的推出，不仅改变了逐月入户验表的收费方式，而且其科学性、可靠性，为水资源管理部门实现计算机的全面管理提供了坚实的基础，能从根本上杜绝迟缴、欠缴、漏缴水费的现象，提供准确的用水信息，因此必将带来良好的经济效益和社会效益。

参考文献
[1] 陆永宁编著.IC 卡应用系统.东南大学出版社，2000.
[2] 南京国显电子公司.SED1520 中英文手册.2003.
[3] 谢瑞和,杨明编著. Motorola 68HC08 微控制器与嵌入式系统基础.清华大学出版社，2003.
[4] 王宜怀编著.单片机原理及其嵌入式应用教程.北京希望电子出版社，2002.
[5] 赖金福编著.数字集成电路简明手册(MOTOROLA).电子工业出版社，1997.
[6] 邵贝贝编著.Motorola DSP 型16 位单片机原理与实践.北京航天航空大学出版社，2003.
[7] John Catsoulis.嵌入式硬件设计.中国电力出版社，2004
[8] 张友德编.飞利浦80C51 系列单片机原理与应用技术手册. 北京航空航天大学出版社 1992.8
[9] 陈章龙,韩光编. Motorola 单片机接口技术手册.复旦大学出版社，1993.
[10] 王爱英编著.智能卡技术.清华大学出版社，2000.