TM卡信息纽扣在预付费水表中的应用
|
引 言 智能水表是一种涉及到多方面技术整合的机电一体化系统,在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性等方面都有严格的性能要求。目前,国内企业与研究机构主要致力于远传表有线水表网络和IC卡预付费智能卡无线水表网络方面的研究开发。远传表有线网络系统需要配套的远传通信网络支持,其初期投资大,因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网;而后者的网络服务可由银行的金融网络提供,应用储值卡作为网络传输介质,可容易地组建城域网,不但适用于新建住宅小区,还可在旧水网系统改造中发挥极大作用,特别适合我国现阶段的国情。目前,预付费智能水表主要采用IC卡,在信息保密性与防盗用性能方面存在明显不足。本文研究应用Dallas公司的TM卡半导体信息纽扣作为充值存储介质,构建预付费智能卡式冷水水表,在基表上附加计量控制器和管道开闭控制阀门,实现预付费智能卡式水表的设计。 1 TM卡信息纽扣应用研究 1.1 TM卡信息纽扣简介 作为一种便携式信息载体,Dallas公司的iButton信息纽扣[1]可靠安全,特别适宜作为预付费充值载体。它采用直径17 mm、厚3~6 mm的纽扣状不锈钢外壳封装,内部由I/O处理器和存储器两个基本部分组成,其内部结构如图1所示。作为一种新颖的智能化信息载体,iButton信息纽扣采用接触式存取方式的存储器(Touch Memory,简称TM卡),以1-Wire规范作为通信协议,其外壳为信号地,用1根数据线按照特定的时序要求由数据线逐位与外界交换数据。与微处理器的典型接口电路如图2所示,当外部上拉引线接触到其信号线时,可自动发出下拉报到脉冲,存取操作极为方便。 笔者在TM卡智能预付费冷水水表项目研究中,通过对IC卡、TM卡的存储数据格式、保密性能以及耐用性等多方面性能进行比对研究,最终选定TM卡作为水表智能信息存储介质。TM卡采用不锈钢外壳封装,无易损部件或易腐部件,具有携带方便、抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠等显著特点,适用于恶劣的环境。1-Wire通信协议使得TM卡存取数据极为方便,与触头轻轻一碰,瞬间即可完成数据信息的读写操作;其完善的保密存取方式,确保数据信息具有相当高的安全可靠性。TM卡与普通IC卡的性能比较如表1所列。
1.2 1-Wire通信协议与读写控制程序设计 TM卡内部包含有3个独立的64字节数据存储区和1个64字节读写缓冲区,每个数据存储区均由8字节ID身份码、8字节PASSWORD和48字节NV RAM数据区构成。TM卡的1-Wire通信协议以 15 μs低电平脉冲表示数据"1",以60μs低电平脉冲表示数据"0"。内部工作过程可描述为：首先,由微机主动向TM卡发测试脉冲,以识别TM卡是否已与其触头接触,若已正确连接,可接收到TM卡发来的应答脉冲,表示可以进入数据通信过程。这时,微机先发操作TM卡的ROM区的指令,如读ROM区数据指令、匹配操作指令、搜寻操作指令等,这些指令被TM卡接受并执行。然后,发操作TM卡的NV RAM区数据的指令,如读写NV RAM区数据指令、读写或复制读写缓冲区数据的指令等。TM卡的读写时序可分为测试连接与应答、从TM卡读取数据和向TM卡写入数据3种类型。 笔者在项目研发中重点研究了TM卡的信息存储机理,并研究获得了一个性能优良的密码保护模式,确保了一表一卡对应。我们根据研究获得的信息存储模式编制了存取可靠安全的TM卡读写控制程序模块。水表控制器1-Wire读写模块采用MCS-51汇编语言,按TM卡通信协议编制。管理PC机的读写控制程序采用Visual C 6.0编写。应用软件开发过程中,对TM卡进行数据读写的过程需要遵循其工作机理和时序要求,具体包括： ①测试连接及应答。微机发测试负脉冲给TM卡,查询TM卡是否已与触头正确连接。若与触头连接良好,TM卡则将数据线拉低,产生应答负脉冲。如果微机检测到这个应答脉冲,就可以进行数据读写操作了。 ②从TM卡读取数据。微机先向TM卡发1个读负脉冲,TM卡接收该脉冲后立即将被读取位的内容送至数据线上,微机从数据线上获得数据。若数据线在TM卡的采样时区内维持高电平,则读取值为"1";否则,为"0"。最后,TM卡释放数据线,数据线恢复为高电平,为微机继续从TM卡读取数据位作好准备。 ③将数据写入TM卡。与读取数据类似,微机向TM卡发1个写负脉冲,然后开始写数据。微机维持数据线低电平特定时间,再恢复为高电平,则表明写入"0";微机发出写负脉冲后立即将数据线拉高并维持特定时间,则表明写入"1"。完成数据写入后,数据线恢复为高电平,为微机继续向TM卡写入数据位作好准备。2 TM卡预付费智能冷水水表设计 TM卡预付费智能冷水水表由基表、SCP微处理器系统、LCD显示驱动电路、电动陶瓷阀门及其控制电路、刷卡电路等部分组成。采用符合ISO4064B标准的CDTAR系列单流旋翼式冷水水表作为基表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动,可将用水量转换成电信号输出;表内设有磁保护装置,具有较强的抗外磁干扰能力。设计过程中重点对水表整机功耗、成本、体积、重量、外观等方面进行优化研究;水表控制器设计中采用了I2C总线、最小功耗设计、表面贴装技术专门定制LCD液晶驱动器模块以及产品造型设计等多项先进技术,完成嵌入式机电系统优化设计。 2.1 微控制器系统设计 使用的微控制器P87LPC76X属于MCS-51兼容型[2],与标准51单片机相比,尽管只有20引脚,却提供了I2C通信总线、灌电流达到20 mA的18条 I/O口线、1个WDT看门狗定时器。它具有许多独特的功能,特别适用于设计高集成度、低成本、低功耗的智能设备。本项目充分利用这些资源,扩展了I2C接口EEPROM、时钟芯片电路、LCD显示驱动电路,完成高集成化系统扩展设计。控制器硬件框图如图3所示。 |
