基于MSP430单片机的新型智能IC卡天然气表设计

2．2．2 压力测量
压力传感器种类较多，本系统中采用的是由四个电阻式应变片组成的全桥结构，如图3所示。

工作中四个桥臂阻值都随被测压力的大小而变化，即R1+△R1，R2+△R2，R3+△R3，R4+△R4。根据电路中电流、电阻、电压的关系不难得出下面的计算公式：

由式(2)可以看出若要使电桥平衡，输出为零，应满足：
R1R3=R2R4 (3)
根据式(3)，如果适当选择各桥臂电阻值，可使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关。如果选R1=R2=R3=R4=R0；△R1=△R2=△R3=△ R4=△R，电桥输出电压值Uy为：

经放大电路放大后送给单片机进行A／D转换后转化成相应的压力值。
2．2．3 放大电路
压力传感器输出的电压信号较微弱，当压力范围在0～4 kg时，输出电压范围仅为0～6 mV，这样的微弱信号单片机难以处理，需要将其放大到0～Vcc(电源电压)范围内才最有利于数据的转换与计量。由于本系统是3．6 V锂电池单电源供电，因此运算放大器的选择必须满足低电压、单电源供电、满幅输出的要求。本系统中利用低成本、低电压、超低功耗的普通集成运算放大器构成同相串联差动比例放大器，电路原理图如图4所示。

该放大电路有着较高的增益和较低的输入阻抗，根据图4中参数，该放大器的增益为：

经过测试此电路线性度、零点漂移、功耗等均能满足本系统的的要求，而且成本较低，仅约为仪表集成运算放大器的1／10。
2．2．4 单斜边A／D
本系统中的传感器采集到的信号为模拟量电压值，必须转换成数据信号。MSP430F413型微处理器内部没有集成A／D，但集成了高精度比较器A，配合一些简单的外围电路可以实现单斜边A／D转换，转换精度可以达到10位或12位A／D转换器的精度。单斜边A／D原理如图5所示。

直流信号Vin输入到比较器正向输入端，R和C组成一个充电回路，电容器的充电压Uc输入比较器反向输入端，K为电容器放电开关。当电压Uc比待检测的信号电压Vin低时，从比较器的输出端检测到高电平；当电压Uc比待检测的信号电压Vin高时，从比较器的输出端检测到低电平。因此，在比较器输出端出现下降沿瞬间，Vin和Uc正好相等。而Uc的值可以由充电公式计算出来：

式中：Vcc，R，C这3个参数已知，只要测量出Uc=Vin所需要的充电时间t，就可以计算出待测信号电压Vin。充电时间t可以用单片机中的定时器来测量。
2．3 IC卡读写
IC卡具有存储容量大、数据保密性好、抗干扰能力强、操作速度快等突出优点，近年来得到广泛应用。本系统采用IC卡作为用户识别和用户购买用气量的标志，采用符合ISO7816国际标准的逻辑加密存储卡。本系统IC采用P1端口的部分口线作为I／O线与IC卡进行通信，接口电路如图6所示。

从安全性和降低功耗方面进行考虑，IC卡的电源和时钟是受单片机控制的，在IC卡未插入卡座时，不给卡座供电，同时不输出时钟信号；在IC卡插入卡座后，产生一个信号，并产生中断唤醒CPU，CPU控制IC卡电路工作，在检测到IC卡及认证、校验密码通过后将IC卡中的购买用气量读入，与当前剩下的余量相加后存入单片机的FLASH存储器中，并将累计用气量、剩余气量、报警气量(吨位)、天然气表当前状态等相关数据回写到IC卡中，同时启动LCD显示电路。
2．4 阀门控制
阀门控制是天然气表控制系统中一个很敏感的部分，如果关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压为3 V，工作时电流仅50 mA。利用直流电机经减速后带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭。利用MSP430F4 13单片机的P2．2口和P2．3口来控制阀门的正反转动，通过内部的两个行程开关来检测电机的运行状态并进行信号反馈。当电机运行到位时，程序检测到信号并停止给电机供电，这样即有效地解决阀门关闭不可靠问题，又把电机通电时间减到最小，从而做到降低功耗的目的。

3 控制系统软件设计
本系统软件采用模块化设计，包括系统初始化子程序、数据采集子程序、用气量处理子程序、阀门控制子程序、低压处理子程序、安全处理子程序、IC卡处理子程序、数据存储中断子程序、LCD显示子程序、报警子程序等。由于篇幅所限，图7中仅给出了主程序流程图。

为了进一步降低系统功耗，系统功能子程序均采用中断方式，每隔1 s数据采集子程序和用气量处理子程序进行实时用气量采集并进行相应处理。

4 结语
本文提出的低功耗智能IC卡天然气表系统采用MSP430单片机控制，通过靶式流量计测量流量，采样信号为模拟信号，本系统具有始动流量小、计量精度高、功耗低，性价比高等优点。MSP430超低功耗的特点使得一节2 AhAA电池供电可以正常工作5～10年。此外，本系统还充分考虑元器件的选择与设计功能的性价比关系，可以应用于实际。采用本文方法建立的低功耗智能天然气表将是目前智能天然气表大家族中新成员，将具有广阔的应用前景。