PDF《非接触 犐犆 卡远传燃气表设计与实现》

上海理工大学学报第3 5卷第4期.

兆 胬嶙蚶 遄 状 枳.35荦.42013文章编号:

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3 5 (

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1 3 )

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0 6 收稿日期:

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3 0 基金项目:北京市属高等学校人才强教计划资助项目( 201108088)第一作者:吴叶兰(

1 9

7 0 -) , 女, 副教授. 研究方向: 仪器仪表、 嵌入式技术应用. 弄:315@樽.. 阕捶墙哟 每ㄔ洞计砩杓朴胧迪 吴叶兰1 ,

2 , 郑淑芳1 , 陈红军3 , 赵瑾1 (

1 . 北京工商大学 计算机与信息工程学院,北京

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4 8 ;

2 . 北京理工大学 机械与车辆学院,北京

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8 1 ;

3 . 北京淳堂科技有限公司,北京

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0 0

8 1 ) 摘要:针对接触式 每ㄖ悄苋计泶嬖诘奈侍, 根据燃气计量收费的要求和特点, 设计了以低功 耗单片机为控制核心, 以非接触式 每ㄎ畔⒃靥宓 每ㄔじ斗阎悄苋计. 系统针对传统预付 费燃气表只具有单一 每ㄊ荽涔δ, 增加了数据远传通信方式;

在计量方式上给出了气量计 量和金额计量两种方式, 有效克服了燃气计量管理中存在的弊端. 分析了系统工作原理, 利用低功 耗设计原则给出了系统的软硬件设计, 并设计了数据通信协议. 本设计已在实际产品中得到成功 应用. 关键词:燃气表;

非接触式智能卡;

预付费;

低功耗 中图分类号:

2 9 文献标志码: 缱 状 遄 孳 镒椽镒 状 斩 濯嶙1,2,跑抢 酹嶙1,跑 镒绐踝3, 樽1(1. 状勺镒 状樽樽, 樽 枳 状 樽 状, 樽100048, 樽;

2 . 犁 嶙嶙 状樽樽, 樽勺 枳, 樽100081, 樽;

3 . 樽 踝嶙 枳 , 樽100081, 樽) :镒樽 遄镒 状 樽 樽 , 状遄嶙 樽,嶙 镒椽镒 遄樽遄 缱,樽 鳘 镒. 踝镒 踝镒 镒 遄 镒樽踝镒 嶙镒. 樽 遄樽 嶙遄, 遄 缱,樽樽 镒 嶙缱 . 樽 樽, 嶙 缱樽 嶙 鳘 缱 樽 状 踝镒 . 遄 樽 . : ;

状镒椽镒 ;

遄;

鳘镒镒瓷虾＠砉ご笱аП2013年 第3 5卷 随着信息化时代的到来, 城市管道燃气计量仪 表的发展相对落后, 大部分地区仍然采用传统的容 积式燃气表, 只能显示用户累计用气量;

同时, 我国 燃气收费管理多数仍采用人工抄表方式, 此方法工 作量大、 人力浪费严重、 居民交费不方便、 收费也不 易管理、 效率低、 对欠费者难以限制. 因此, 预付费 每ㄈ计淼难兄瞥晌桓鲅芯咳鹊[

1 -

2 ] . 目前应 用较为广泛的接触式 每ㄖ悄苋计泶嬖诘奈侍 是 每ú鄄荒茏龅酵耆獗, 容易受到厨房环境 的污染, 也容易受到外部攻击, 影响燃气表的正常工 作;

同时数据传输仅靠 每赐瓿, 存在一定的滞 后现象[

3 -

4 ] . 文献[

5 -

6 ] 保证了数据传输的实时性, 但没有考虑当燃气价格变动时做到价格的实时调 整. 因此, 本文在分析 每ㄈ计硌芯肯肿吹幕 上, 针对当前燃气计量收费的要求和特点, 设计了一 种采用预付费机制的非接触 每ㄖ悄苋计, 该设 计能有效解决传统预付费 每ㄈ计硎荽菔 时性差、 囤气现象、 接触式 每ú垡资芄セ鞯任侍, 做到了燃气价格的实时更新.

1 系统工作原理 预付费燃气表收费系统主要由燃气表、 数据传 输网络以及数据中心组成. 燃气表实现对用户用气 量的计量、 存储和传输. 数据中心对接收的用户数据 进行分析处理, 实现数据的管理功能. 为实现燃气表 实时数据传输功能, 本系统设计了两种数据传输方 式: 第一种是燃气表通过 每ò延没荽莞 作站数据库, 工作站通过通信网络将数据传输到数 据中心;

第二种是燃气表可以采用 依-4

8 5总线与 数据集中器相连, 通过通信网络将数据传输到数据 中心, 该方式实现了燃气公司对燃气表的实时数据 传输. 本文主要讨论 每ㄔ洞计淼纳杓萍巴ㄐ 协议的设计. 每ㄔ洞计砉ぷ髟砣缤1所示. 它以机 械式燃气表为基表, 由光电或霍尔元件采样将基表 的气体流量信号送给单片机进行处理, 单片机将该 信号与表内燃气量或金额进行计算, 并与设定报警 值进行比较, 当减至设定报警值后, 将发出提示信号 并关阀一次以提醒用户提前购气;

当用户再次插入 空卡时气表会重新恢复供气, 直到剩余气量( 或金 额) 为零关闭阀门. 如果燃气公司设置该系统具有透 支功能, 则即使剩余气量( 或金额) 减为负数后, 只要 未达到系统设定的透支值, 用户可继续用气, 当用户 重新购买燃气后, 系统会自动减去已透支部分. 由于 在设计中加入了对金额的扣除功能, 随着燃气供需 关系的变化, 可以在表内对用户的用气量进行费用 阶梯计价, 以及实时更新价格, 有利于燃气资源的合 理、 有效使用. 图1 每ㄔ洞计砉ぷ髟硗 .1 樽 2系统硬件设计 系统硬件电路包括低功耗单片机、 计量传感器 电路、 阀门控制电路、 卡座控制电路、 电压测试电路、 液晶显示屏、 声音报警电路及通讯接口模块等. 如图2 所示. 本系统低功耗单片机采用的是 荦霉 的

7 8 0451[7],它是一款常用于家用电器、 仪器仪 表的高性价比单片机;

电源模块采用3节碱性电池 串联方式提供4 . 5值牡缪, 通过稳压芯片将

4 .

5 的电压稳压到3 . 3;

计量模块采用双干簧管作为 脉冲采集器件;

低功耗单片机通过外围的计量模块、 平涌诘缏贰 阀门控制模块以及 依-4

8 5通讯接 口模块等了解燃气表的运行状态, 判断事件的发生 并执行相应的动作, 从而实现系统功能. 图2 系统硬件框图 .2 2.1卡座控制电路设计 由于接触式 每ǖ缏妨粲 每ú, 不可能 做到完全密封, 很容易受到破坏;

并且 每ú垡 容易受到厨房环境的污染, 从而影响燃气表的正常 工作. 因此, 本设计采用非接触 每ㄗ魑菰靥,

8 6

3 第4期 吴叶兰, 等: 非接触 每ㄔ洞计砩杓朴胧迪 具有控制器全密封、 实现耐环境、 抗恶意攻击等 优势. 卡座控制电路采用 522芯片[

8 ] 来实现. 522是高度集成的非接触式(

1 3 .

5 6)读写卡芯片, 支持 犁1

4 4

4 3 /趴, 可实现与 各种不同主机的接口功能, 如犁 ,约

2 玫. 卡座电路如图3所示. 522芯片与单片机采用犁 山涌, 单片机 作为主机, 522作为从机. 单片机引脚 1.1(犁) , 1.2( 衫) , 1.3( 侠),4.4( 荦犁犁)与522芯片的 犁梢畔嗔. 为了降低系统功 耗, 电路采用了分时供电的方法: 只有当检测到有 每拷, 控制单片机引脚

2 . 1输出低电平, 导 通

7 , 为522芯片提供电源, 其它情况下不 为其提供电源. 另外, 该电路部分中的 平涌谝餐 过控制单片机引脚

4 . 3的电平采用分时供电的方 法, 只有当需要检测是否有 每拷辈盼涮峁 电源, 1.4用来采样 每ǖ轿恍藕. 图3 非接触 每涌诘缏 .3荦镒椽镒 樽 2.2阀门控制电路设计 由于燃气表采用电池供电, 对阀门的控制要求 做到低功耗. 阀门控制电路如图4所示, 它由阀门驱 动与反测阀门到位信号两部分构成. 其中, 1和 2分别作为驱动阀门开和关的信号脚;

单片机 引脚

4 . 0和

4 . 1则用来控制电机接口中 1和 2的信号, 实现阀门的开关;

2.4和

2 . 5分别 作为阀门开和关到位信号输入引脚;

3.4为阀门控 制模块供电, 该模块同样采用了分时供电的方式, 以 降低功耗. 对阀门控制电路的测试包括: 测试当控制阀门 打开或关闭的引脚有信号输出时, 电机接口是否有 电压;

测试当阀门打开或关闭后是否有到位信号. 图4 阀门控制电路 .4 镒3数据通信协议设计 本系统中数据的传输可以通过非接触式 每 和 犁-485总线两种方式来实现, 要分别对这两种 方式进行数据通信协议设计.

3 .

1 每ㄍㄐ判樯杓 每ㄆ捎 1卡, 该卡有8舸娲 容量,

1 6个扇区, 每个扇区有4个数据块. 每一块燃 气表占用4个扇区, 其中, 第1 、 第2个扇区为指令 区, 第3 、 第4个扇区为返写区, 如表1所示( 见下 页) . 卡片数据的读写都需要进行密码认证, 使用 哦两忻苈胄Ｑ, 为6字节密码. 一套预付费燃气系统中卡的种类有很多种, 主 要有两大类: 用户卡和管理卡. 用户卡是消费者使用 的卡片;

管理卡是燃气公司管理时使用的卡片, 一般 包括参数设置卡、 检查卡、 退气卡、 转移卡、 校时卡、 密钥修改卡等. 每种卡片都有其用途, 需要进行数据 项定义, 现以用户卡为例进行描述. 用户卡由用户持有, 用来完成缴费购气, 首次购 气的称为开户卡, 购气卡中包含的数据有: 分区号、 用户号、 报警值、 充值限额、 透支限额、 最低消费额、 购买值, 如表2所示( 见下页) . 通过购气卡返回的数

9 6

3 上海理工大学学报2013年 第3 5卷 据有: 燃气表表号、 剩余值、 累计用气量、 气表工作状 态字及月用气量等. 表1 卡片数据结构说明 .1 镒 渖惹 功能 数据块 扇区0 不使用 密码块 数据块0 数据块1 数据块2 数据块3 扇区1 燃气表指令区 密码块 数据块0 数据块1 数据块2 数据块3 扇区2 燃气表指令区 数据块0 数据块1 数据块2 密码块 数据块3 扇区3 燃气表指令区 数据块0 数据块1 数据块2 密码块 数据块3 扇区4 燃气表指令区 数据块0 数据块1 数据块2 密码块 数据块3 表2 用户卡指令区数据项定义 .2 镒樽 状镒 涫菹 长度 说明 用户卡命令码

1 5 0确智

2 芈 用户号

5 穆 报警值

4 芈 充值限额

4 芈 透支限额

4 芈 阶梯价格

2 5 芈 新价格启动日期

3 穆 购气次数

2 芈 购买值

4 芈 特征字

2 芈

3 .

2 依485通信数据帧定义 依485通信协议按照 645-1997通信协 议执行, 其传输帧格式为: 帧起始符+控制码+数据 长度域+数据域+校验码+结束符. 在系统中,

4 8 5通信帧包括抄收数据帧、 参数设 置帧、 冻结指令帧、 冻结数据抄收帧及阀门控制帧 等. 集中器在向燃气表发送命令帧前, 首先发送三字 节的 , 用来唤醒燃气表中的单片机, 之后接着 发送命令帧. 如果在2 0笾诿挥惺盏饺计淼挠 答帧或接收到的应答帧错误, 则集中器将再次发送 命令帧. 如果连发3次没有得到应答或应答错误, 说 明通信错误, 集中器停止和此燃气表的数据通信. 表 3为抄表命令帧的数据项定义. 表3 命令帧数据项定义 .3 镒 嶙 迨菹 长度 说明 帧起始符

1 6

8 控制码

1 0

1 数据长度

1 0

7 分区号

2 芈 燃气表表号

5 穆 校验值

2 芈 帧结束符

1 1

6 4系统软件设计

4 .

1 系统软件功能设计 目前单片机的主流编程语言有汇编语言和 语言. 这两种语言在嵌入式开发中可以单独使用, 也 可以混合使用. 由于本系统的主控芯片 780451的 秃晾热萘肯喽越仙, 为节省代码空 间, 实现对资源的合理利用, 本系统软件采用汇编语 言, 在 +开发环境下, 采用模块化思想进行设 计. 系统软件功能分为主程序模块、 电源管理模块、 每ㄍㄐ拍？椤 依-485通信模块和燃气表功能模 块5大部分, 如图5所示. 系统的软件程序固化在 780451单片机的内部 晾却娲⑵髦.

4 .

2 主程序设计 系统主程序由初始化和主循环两大部分组成. 其中, 主循环是程序的主体, 具体功能则通过调用相 应的子程序来实现. 当系统上电后, 首先进行系统初 始化, 然后将 晾戎械谋净荻脸, 判断是否 满足打开阀门的条件, 满足条件后打开阀门, 在液晶 屏( ) 上显示本机参数, 最后系统进入低功耗模 式, 等待气流脉冲、 插卡等中断唤醒. 主程序流程图 如图6所示. 主体循环程序主要实现4

8 5通信、 磁干扰、 073第4期 吴叶兰, 等: 非接触 每ㄔ洞计砩杓朴胧迪 插卡、 电池电压检测、 开关阀以及更新 晾鹊募 测和处理. 图5 软件功能模块图 .5 逋6 系统主程序流程图 .5 怼 樽 碛捎谙低巢捎玫绯匚缭, 故具有低功耗的特 点. 低功耗有两种模式: 阅Ｊ胶屠 心Ｊ. 在 阅Ｊ街, 詹僮魇敝油Ｖ, 但高速系统 时钟振荡器、 内部高速振荡器、 内部低速振荡器或副 系统时钟振荡器可以继续使用, 所以, 其工作电流不 如犁 心Ｊ较陆档枚;

而在犁 心Ｊ街, 高速系 统时钟振荡器和内部高速振荡器停止操作, 整个系 统的操作停止, 这样 盏墓ぷ鞯缌鹘岽蠓陆 ( 比 阅Ｊ叫〉枚) . 在本系统中, 采用犁 心 式, 主循环程序结束后, ........