基于MSP430单片机的新型智能IC卡天然气表设计

摘要：为了提高天然气表的计量精度，实现精准计量的目的，采用靶式流量计作为信号采集模块，通过测量水流中产生连续压力信号的方法测量水流量，基于MSP430单片机开发了一种低功耗新型智能IC卡天然气表。该设计具有始动流量小、计量精度高、功耗低，性价比高等优点，对于提高天然气表的计量精度，实现点滴计量具有重要意义。
关键词：智能天然气表；靶式流量计；MSP430；点滴计量

0 引言
    随着单片机技术的日趋成熟，在新型天然气表的开发设计中采用单片机技术，开发智能型天然气表已经成为一种趋势。传统智能天然气表的设计思想为：将机械信号转化为电子信号，通过数据采集接口传递给单片机，由单片机来控制特制阀门的开闭。其中的关键技术是通过脉冲传感将机械计量数据转化为电子数字数据，如霍尔传感器、光电传感器、干簧管传感器、韦根传感器、涡轮传感器等。脉冲传感器在信号变换和累计过程中易受外部机械振动、电磁干扰、电源等因素影响，使系统计量精度受到限制，难以精确计量，测量结果误差较大。
    本文提出了一种采用靶式流量计通过测量靶的压力来测量流量，基于MSP430单片机的低功耗智能IC卡天然气表的设计方法。采用MSP430 F413单片机作为中央处理器对靶式流量计采集的信号进行处理，实现用气量计量、总用气量累计、月用气量统计、天然气费计算与管理(报警金额、基础用气量、计划用气量)，以及阀门控制等功能。

1 低功耗智能天然气表的工作原理及功能
    新型智能天然气表采用低功耗、高性能单片机处理器，配以家用天然气表，采用靶式流量计测量流量的方式自动计量用户用气量，实现“先付费、后用气”的预付费控制功能。它可预置关闭阀门时门限气量，当剩余气量等于规定的关闭阀门报警气量时，将自动切断用户天然气，给用户提示，并允许插卡恢复供天然气。当剩余气量为零时，自动关闭阀门。若允许用户透支，则插卡恢复用气直至使用完透支气量后才关阀。用户每次将购气卡插入表后，天然气表LCD显示剩余气量、累计用气量、天然气表状态等相关信息，并将这些信息返写到购水卡中，以供售水管理系统入库、查询。同时还对电源、表壳安全等信息进行实时监视，并进行相应的安全处理。

2 低功耗智能天然气表控制系统硬件的组成
    新型天然气表的控制系统组成如图1所示，主要分为以下几个部分：主控CPU、靶式流量计、信号放大电路、阀门控制系统、IC卡通信系统、电源监控系统、液晶显示、安全监控及声音报警等子系统。

2．1 MSP430F413单片机简介
    MSP430F413是美国TI公司推出的超低功耗FLASH型16位RISC指令集单片机，具有丰富的片内外围，是一款性价比极高的单片机。MSP430单片机具有如下特点：
    (1)低电压、超低功耗。MSP430 F413单片机在1．8～3．6 V电压、1 MHz的时钟条件下运行时，其工作电流根据工作模式的不同在0．1～400μA之间。
    (2)强大的处理能力。MSP430F413单片机采用RISC指令集，27条内核指令，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；有较高的处理速度。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
    (3)丰富的片内外设。MSP430F413具有FLL+(频率锁相环)时钟系统，看门狗，带有三个捕获／比较寄存器的16位定时器(Timer-A)，片内比较器，96段LCD驱动器，48个通用I／O引脚，并且端口P1和P2具有中断能力，每一引脚都可以单独选择中断触沿、单独允许中断。MSP430F4 13集成了较丰富的片内外设。
    (4)高效的开发方式。MSP430F413具有FLASH存储器JTAG接口，支持在线仿真和编程，能够利用仿真器实现程序的在线调试与下载。MSP43 0F413为工业级的，运行环境温度为-40～+85℃，因此很适合作为便携仪表和水、电表的主控芯片。
2．2 流量检测电路设计
    本系统流量检测单元采用靶式流量计，通过测量装在天然气管道中靶所受到的压力来计算天然气的流量。主要包括靶式流量计、压力测量、信号放大与A／D转换四部分。
2．2．1 靶式流量计
    图2是靶式流量计的工作原理图。这种流量计是在管道中装设一圆靶用为节流元件，靶置于管道中央，靶的平面垂直于天然气的流动方向。当天然气流过时，靶上就受到一个推力的作用，其大小与通过的流量成一定函数关系，通过测量推力F即可确定流量值。其函数关系式为：
   
    式中：qv为通过管道的气体体积流量(单位：m3／s)；Ka为靶式流量计的流量系数；D为管道内径(单位：m)；β为靶的结构系数，β=d ／D；d为圆靶外径(单位：m)；F为靶板上所受到的推力(单位：N)；ρ为气体介质的密度(单位：kg／m3)。

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。