摘 要：
提出了一種基于MSP430系列單片機的低功耗IC卡燃氣表設計，論述了IC卡燃氣表的硬件設計、電控系統電路構成、系統軟件設計。為了有效地降低功耗，外圍電子元器件以低壓、低頻、靜態低功耗的器件構成；對于系統軟件，則在低功耗、信息安全、抗干擾及可靠性等方面地行了設計。系統整體的功耗很低，且運行穩定可靠，操作方便，抗干擾能力強。
人工上門查燃氣表的工作量大，效率低，惡意拖欠氣費的用戶使燃氣公司損失很大。隨著科技的發展，出現了IC卡預付費型燃氣表。燃氣用戶在燃氣公司開戶，購買一定氣量后，即得到加密的IC卡。用戶用氣時將卡插入燃氣表中，卡中氣量自動輸入燃氣表并在IC卡中消除氣量，供氣閥門打開。當氣量不足5m3時，燃氣表提示用戶購氣；氣量用完時，燃氣表自動切斷供氣管路。
1 系統功能及硬件設計
系統以MSP430F413單片機為核心，它內置LCD驅動器。采用保密性好的SLE4442邏輯加密卡作為預付費卡片，具有強大的電源管理系統，流量監測精確，防磁、防破壞、數據加密防竊，可液晶顯示剩余氣量、購氣量以及各種狀態標志符。其基本功能包括：①開機檢測功能。系統開機后能自動檢測當前狀態，決定是否開閥。②停電關閥及數據保護功能。當突然停電時，系統將重要數據保存并關閥，當系統復位時能重新調入數據。③低電壓檢測功能。本系統采用電池供電，電壓檢測功能必不可少。當電壓過低時，提示用戶更換電池，若用戶沒及時更換則系統可自動關閉閥門。④強磁場檢測功能。當外界強磁場干擾時，系統能識別并自動關閥。⑤報警顯示功能。當電壓低、泄漏、用氣量不足及發生其他故障時系統能聲音報警和屏幕顯示。⑥讀卡功能。⑦計量功能。準確計量，并能對氣壓變化引起的計量誤差進行修正。
1．1 單片機的選擇
由于主要設計低功耗的IC卡燃氣表，因此所選的單片機必須滿足低功耗要求，另外對單片機抗干擾性以及可靠性也有一定要求。我們選用美國一家儀器公司的MSP430系列超低功耗16位混合信號單片機。在超低功耗方面，其處理器功耗遠低于同類其他產品。
選用MSP430系列的。MSP430F413單片機，它集成96段LCD驅動器直接驅動液晶，串行在線編程，5種省電模式。處于LMP3低功耗模式下時電流為0．7μA，從低功耗模式下喚醒只要通過片內的定時器中斷即可，或利用流量脈沖進行外部喚醒，因此完全可以省去外部中斷喚醒電路。定時器確保程序穩定，P1和P2口的所有8個位全部可以外中斷處理，中斷邊沿可選。MSP430F413片內集成了8kb的閃存，既可當程序存儲器，其剩余部分又可代替可擴展內存來保存重要數據，只要電壓保持在2．7V以上即可對其進行寫入和讀取操作。這樣大大節約了因外擴可擴展內存而增加的功率消耗，也簡化了硬件電路，降低了成本[1、2]。
1．2 系統組成
控制器組成包括MSP430單片機、IC卡讀寫電路、電源監控電路、流量測量電路、顯示驅動電路、電磁閥控制電路、蜂鳴器及按鍵電路、泄漏檢測電路等。控制器組成見圖1。
①IC卡讀寫電路
IC卡由于具有存儲容量大、數據保密性好、抗干擾能力強、操作速度快等優點，近年來應用廣泛。IC卡儲存用戶識別和用戶購買氣量的信息，本系統采用符合ISO 7816國際標準的SLE4442邏輯加密存儲卡[3]。IC卡對存儲區的讀、寫、擦除等操作都有硬件密碼控制，具有認證、系統密碼、用戶讀寫密碼多層保密措施，可確保數據的安全[4]。在IC卡插入卡座后，產生1個IC卡插入信號，插入信號產生中斷可喚醒CPU。CPU控制升壓電路工作，在檢測到IC卡及認證校驗密碼通過后，讀入IC卡中購買的氣量，和當前剩下的余量相加后存入內存，并將IC卡中的數據清零。
②電源監控電路
采用NCP302HSN27T1型電壓監測器，其芯片的工作電壓范圍為0．8～10 V，靜態電流約0．5μA；電壓檢測門限精度不大于2％。當電池電壓低于保護值2．7 V時，芯片的腳1變為高電平，向微控制器發出中斷請求，蜂鳴器發出嗚叫聲提醒用戶更換電池。
③流量測量電路
干簧管為磁靈敏開關型傳感器，其結構見圖2。干簧管由一對磁性材料制造的彈性舌簧組成，密封于玻璃管中。當恒磁鐵或線圈產生的磁場施加于舌簧上時，使2個舌簧磁化，產生的磁場吸引力克服了舌簧彈性產生的阻力，舌簧被接觸導通。一旦磁場消失，舌簧又重新分開。控制器采用2個干簧管實現計數和保護功能。1個干簧管安裝在單位計數撥碼盤附近，在計數撥碼盤上均勻嵌有2個微型磁鋼。當0．01m3的燃氣從燃氣表流過時，干簧管開關2次。另一個干簧管安裝于靠近外殼處，撥碼盤上磁鋼的磁場對其沒有影響。當外界有強磁場時，2個干簧管都會導通，這時單片機軟件可將此判斷為干擾或惡意破壞而放棄該次計數，并關閉進氣閥門。當檢測到10s(可設置)內無強磁干擾時，閥門打開，有效地實現了防外界磁場干擾功能。
④顯示驅動電路
MSP430單片機具有內部LCD控制器/驅動器。設計采用4MUX，1/3偏壓驅動方法。LCD顯示內存位于單片機內部，存儲所有活動及省電模式中待顯示的信息，顯示各位與LCD段對應。集成化的CPU內置控制驅動器極大簡化了系統的硬件結構，降低了成本，同時提高了系統的可靠性。用戶可以查看到的信息包括剩余氣量、總用氣量及燃氣表的各種狀態信息。
⑤泄漏檢測電路
泄漏檢測采用QM2N2型氣敏傳感器作為檢測元件，其電阻隨可燃性氣體或煙霧濃度的改變而改變。電路圖見圖3。平時，可燃性氣體或煙霧濃度在允許范圍內，氣敏傳感器C、D間電阻值較大，從D端輸出低電平。當可燃性氣體或煙霧濃度達到一定值后，氣敏傳感器C、D間電阻值迅速減小，從D端輸出高電平。單片機檢測是否漏氣并做報警處理。
⑥芯片開關電路
為了使系統功耗降低，單片機主要時間都處于低功耗模式3(LMP3)。這個階段內流量采樣通道、液晶顯示通道等外圍模塊均處于關斷狀態，只有在單片機從低功耗模式恢復到工作模式前才開啟相應的外圍模塊。這樣就必須添加芯片開關電路，可利用PNP三極管實現這一功能。其原理見圖4，只要對相應的I/O口設置0或1，就可以對相應的芯片進行開關。
⑦電磁閥控制電路
電磁閥是燃氣表的執行機構，是實現其預收費功能的關鍵部件。本系統選用ZD-20型電磁閥(控制電路見圖5)，它是一種雙穩態高效節能型電磁閥，由3．6 V鋰電池供電，具有點開和點關的脈沖工作方式。一旦開啟或關閉，可處于自保持狀態，無須電源供電。當P3．7腳輸出低電平時，三極管T1截止，電磁閥關閉；當P3．7腳為高電平時，三極管T1導通，電磁閥ZD開啟。通過電磁閥控制電路，單片機控制系統可以很方便地控制用戶能否用氣。
2 軟件設計
系統軟件采用模塊化結構，用MSP430的嵌入式C語言編寫，軟件設計思想緊密結合IC卡燃氣表的控制模式，對IC卡信息讀寫、卡類型的識別、數據處理、電壓的欠壓檢測與電源保護以及降低功耗等方面進行了設計。
為了保證IC卡信息的安全性，當對插入的卡進行識別之后，發出讀寫命令字，IC卡芯片接受后，向單片機發出一個應答指令，然后跟隨8字節讀密碼。若密碼錯誤，顯示00，重試計數器加1，最多重試5次，否則IC卡清零；若密碼正確，顯示11，進入寫周期。通過串行數據線把IC卡中氣量讀入MSP430F413的RAM中，最后發停止位；IC卡的氣量清零并顯示01，這時方可取卡。如果在這之前拔出IC卡，那么此次操作將視為無效。在完成讀卡、清零后，將單片機剩余的氣量與IC卡中讀出的氣量相加，把最后結果回存入單片機RAM中，檢測電磁閥的啟閉情況，如果處于關閉狀態，則開啟電磁閥。
為了保證數據安全，數據保存在MSP430的閃存中，即使斷電也能長時間保存。數據保存一般在以下情況下發生：a．計量一定的氣量；b．每次購買新的氣量時；c．發生異常情況時；d．換電池或是電力不足。后兩種情況在異常情況排除或是電力恢復后會立即復制到數據區，保存數據為總用氣量、剩余氣量、燃氣表的各種狀態信息。
當出現異常情況時，軟件設計相應的應對措施。a．電力不足時，關斷氣閥，報警并液晶顯示．b．用戶惡意破壞時，關斷氣閥，報警、記錄并顯示；c．剩余氣量快用完時，提醒用戶購氣，當氣量為0時，關斷氣閥；d．氣閥不能正常關閉時，氣量計數照常進行。
3 結語
該系統性能穩定，可靠性高，適用范圍廣，抗干擾能力強。采用低壓、低頻、靜態低功耗的器件，在電路設計上采用了關斷技術，對軟件也進行了低功耗的設計。這對于我國燃氣計量收費制度的改革、金卡工程的深入展開以及節能環保起到很大的促進作用。
提出了一種基于MSP430系列單片機的低功耗IC卡燃氣表設計，論述了IC卡燃氣表的硬件設計、電控系統電路構成、系統軟件設計。為了有效地降低功耗，外圍電子元器件以低壓、低頻、靜態低功耗的器件構成；對于系統軟件，則在低功耗、信息安全、抗干擾及可靠性等方面地行了設計。系統整體的功耗很低，且運行穩定可靠，操作方便，抗干擾能力強。
人工上門查燃氣表的工作量大，效率低，惡意拖欠氣費的用戶使燃氣公司損失很大。隨著科技的發展，出現了IC卡預付費型燃氣表。燃氣用戶在燃氣公司開戶，購買一定氣量后，即得到加密的IC卡。用戶用氣時將卡插入燃氣表中，卡中氣量自動輸入燃氣表并在IC卡中消除氣量，供氣閥門打開。當氣量不足5m3時，燃氣表提示用戶購氣；氣量用完時，燃氣表自動切斷供氣管路。
1 系統功能及硬件設計
系統以MSP430F413單片機為核心，它內置LCD驅動器。采用保密性好的SLE4442邏輯加密卡作為預付費卡片，具有強大的電源管理系統，流量監測精確，防磁、防破壞、數據加密防竊，可液晶顯示剩余氣量、購氣量以及各種狀態標志符。其基本功能包括：①開機檢測功能。系統開機后能自動檢測當前狀態，決定是否開閥。②停電關閥及數據保護功能。當突然停電時，系統將重要數據保存并關閥，當系統復位時能重新調入數據。③低電壓檢測功能。本系統采用電池供電，電壓檢測功能必不可少。當電壓過低時，提示用戶更換電池，若用戶沒及時更換則系統可自動關閉閥門。④強磁場檢測功能。當外界強磁場干擾時，系統能識別并自動關閥。⑤報警顯示功能。當電壓低、泄漏、用氣量不足及發生其他故障時系統能聲音報警和屏幕顯示。⑥讀卡功能。⑦計量功能。準確計量，并能對氣壓變化引起的計量誤差進行修正。
1．1 單片機的選擇
由于主要設計低功耗的IC卡燃氣表，因此所選的單片機必須滿足低功耗要求，另外對單片機抗干擾性以及可靠性也有一定要求。我們選用美國一家儀器公司的MSP430系列超低功耗16位混合信號單片機。在超低功耗方面，其處理器功耗遠低于同類其他產品。
選用MSP430系列的。MSP430F413單片機，它集成96段LCD驅動器直接驅動液晶，串行在線編程，5種省電模式。處于LMP3低功耗模式下時電流為0．7μA，從低功耗模式下喚醒只要通過片內的定時器中斷即可，或利用流量脈沖進行外部喚醒，因此完全可以省去外部中斷喚醒電路。定時器確保程序穩定，P1和P2口的所有8個位全部可以外中斷處理，中斷邊沿可選。MSP430F413片內集成了8kb的閃存，既可當程序存儲器，其剩余部分又可代替可擴展內存來保存重要數據，只要電壓保持在2．7V以上即可對其進行寫入和讀取操作。這樣大大節約了因外擴可擴展內存而增加的功率消耗，也簡化了硬件電路，降低了成本[1、2]。
1．2 系統組成
控制器組成包括MSP430單片機、IC卡讀寫電路、電源監控電路、流量測量電路、顯示驅動電路、電磁閥控制電路、蜂鳴器及按鍵電路、泄漏檢測電路等。控制器組成見圖1。
①IC卡讀寫電路
IC卡由于具有存儲容量大、數據保密性好、抗干擾能力強、操作速度快等優點，近年來應用廣泛。IC卡儲存用戶識別和用戶購買氣量的信息，本系統采用符合ISO 7816國際標準的SLE4442邏輯加密存儲卡[3]。IC卡對存儲區的讀、寫、擦除等操作都有硬件密碼控制，具有認證、系統密碼、用戶讀寫密碼多層保密措施，可確保數據的安全[4]。在IC卡插入卡座后，產生1個IC卡插入信號，插入信號產生中斷可喚醒CPU。CPU控制升壓電路工作，在檢測到IC卡及認證校驗密碼通過后，讀入IC卡中購買的氣量，和當前剩下的余量相加后存入內存，并將IC卡中的數據清零。
②電源監控電路
采用NCP302HSN27T1型電壓監測器，其芯片的工作電壓范圍為0．8～10 V，靜態電流約0．5μA；電壓檢測門限精度不大于2％。當電池電壓低于保護值2．7 V時，芯片的腳1變為高電平，向微控制器發出中斷請求，蜂鳴器發出嗚叫聲提醒用戶更換電池。
③流量測量電路
干簧管為磁靈敏開關型傳感器，其結構見圖2。干簧管由一對磁性材料制造的彈性舌簧組成，密封于玻璃管中。當恒磁鐵或線圈產生的磁場施加于舌簧上時，使2個舌簧磁化，產生的磁場吸引力克服了舌簧彈性產生的阻力，舌簧被接觸導通。一旦磁場消失，舌簧又重新分開。控制器采用2個干簧管實現計數和保護功能。1個干簧管安裝在單位計數撥碼盤附近，在計數撥碼盤上均勻嵌有2個微型磁鋼。當0．01m3的燃氣從燃氣表流過時，干簧管開關2次。另一個干簧管安裝于靠近外殼處，撥碼盤上磁鋼的磁場對其沒有影響。當外界有強磁場時，2個干簧管都會導通，這時單片機軟件可將此判斷為干擾或惡意破壞而放棄該次計數，并關閉進氣閥門。當檢測到10s(可設置)內無強磁干擾時，閥門打開，有效地實現了防外界磁場干擾功能。
④顯示驅動電路
MSP430單片機具有內部LCD控制器/驅動器。設計采用4MUX，1/3偏壓驅動方法。LCD顯示內存位于單片機內部，存儲所有活動及省電模式中待顯示的信息，顯示各位與LCD段對應。集成化的CPU內置控制驅動器極大簡化了系統的硬件結構，降低了成本，同時提高了系統的可靠性。用戶可以查看到的信息包括剩余氣量、總用氣量及燃氣表的各種狀態信息。
⑤泄漏檢測電路
泄漏檢測采用QM2N2型氣敏傳感器作為檢測元件，其電阻隨可燃性氣體或煙霧濃度的改變而改變。電路圖見圖3。平時，可燃性氣體或煙霧濃度在允許范圍內，氣敏傳感器C、D間電阻值較大，從D端輸出低電平。當可燃性氣體或煙霧濃度達到一定值后，氣敏傳感器C、D間電阻值迅速減小，從D端輸出高電平。單片機檢測是否漏氣并做報警處理。
⑥芯片開關電路
為了使系統功耗降低，單片機主要時間都處于低功耗模式3(LMP3)。這個階段內流量采樣通道、液晶顯示通道等外圍模塊均處于關斷狀態，只有在單片機從低功耗模式恢復到工作模式前才開啟相應的外圍模塊。這樣就必須添加芯片開關電路，可利用PNP三極管實現這一功能。其原理見圖4，只要對相應的I/O口設置0或1，就可以對相應的芯片進行開關。
⑦電磁閥控制電路
電磁閥是燃氣表的執行機構，是實現其預收費功能的關鍵部件。本系統選用ZD-20型電磁閥(控制電路見圖5)，它是一種雙穩態高效節能型電磁閥，由3．6 V鋰電池供電，具有點開和點關的脈沖工作方式。一旦開啟或關閉，可處于自保持狀態，無須電源供電。當P3．7腳輸出低電平時，三極管T1截止，電磁閥關閉；當P3．7腳為高電平時，三極管T1導通，電磁閥ZD開啟。通過電磁閥控制電路，單片機控制系統可以很方便地控制用戶能否用氣。
2 軟件設計
系統軟件采用模塊化結構，用MSP430的嵌入式C語言編寫，軟件設計思想緊密結合IC卡燃氣表的控制模式，對IC卡信息讀寫、卡類型的識別、數據處理、電壓的欠壓檢測與電源保護以及降低功耗等方面進行了設計。
為了保證IC卡信息的安全性，當對插入的卡進行識別之后，發出讀寫命令字，IC卡芯片接受后，向單片機發出一個應答指令，然后跟隨8字節讀密碼。若密碼錯誤，顯示00，重試計數器加1，最多重試5次，否則IC卡清零；若密碼正確，顯示11，進入寫周期。通過串行數據線把IC卡中氣量讀入MSP430F413的RAM中，最后發停止位；IC卡的氣量清零并顯示01，這時方可取卡。如果在這之前拔出IC卡，那么此次操作將視為無效。在完成讀卡、清零后，將單片機剩余的氣量與IC卡中讀出的氣量相加，把最后結果回存入單片機RAM中，檢測電磁閥的啟閉情況，如果處于關閉狀態，則開啟電磁閥。
為了保證數據安全，數據保存在MSP430的閃存中，即使斷電也能長時間保存。數據保存一般在以下情況下發生：a．計量一定的氣量；b．每次購買新的氣量時；c．發生異常情況時；d．換電池或是電力不足。后兩種情況在異常情況排除或是電力恢復后會立即復制到數據區，保存數據為總用氣量、剩余氣量、燃氣表的各種狀態信息。
當出現異常情況時，軟件設計相應的應對措施。a．電力不足時，關斷氣閥，報警并液晶顯示．b．用戶惡意破壞時，關斷氣閥，報警、記錄并顯示；c．剩余氣量快用完時，提醒用戶購氣，當氣量為0時，關斷氣閥；d．氣閥不能正常關閉時，氣量計數照常進行。
3 結語
該系統性能穩定，可靠性高，適用范圍廣，抗干擾能力強。采用低壓、低頻、靜態低功耗的器件，在電路設計上采用了關斷技術，對軟件也進行了低功耗的設計。這對于我國燃氣計量收費制度的改革、金卡工程的深入展開以及節能環保起到很大的促進作用。
