射频卡水控终端的设计
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关键字：射频卡，水控终端，CAN总线，球阀驱动，终端参数
随着水资源的日益短缺，节水已成为各个用水单位、整个国家以及世界各国的重要课题。在我国，用水存在着巨大浪费,这既有政策方面的问题也有技术层面的原因。要实现用水的现代化管理，水控终端的研制和改进是一个重要课题。一个具备较高自动化程度的水控终端所要解决的技术问题很多，包括：阀门控制、身份认证、水费支付、数据采集、数据管理等。随着计算机、微电子以及工业数据通信技术的发展，这些问题已有较好的解决方法,本文介绍一种基于CAN总线和射频卡技术的水控终端的设计方案。
一、射频卡技术简介
目前常用的IC卡有两种：接触式和非接触式IC卡。接触式IC卡通过机械触点从读写器中获取能量和交换数据，应用比较广泛，但有时机械触点接通不可靠，且触点容易被腐蚀和污染，在有些领域应用受到限制；非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据（又称射频卡），它存储量大，成本低，适用于某些有特殊要求的场所。非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，涉及高频技术、半导体技术、数据保护、密码学、电信等，它将大量来自不同专业领域的技术综合在一起,应用已经趋于成熟。
射频卡卡片的电气部分由一个天线和ASIC组成。卡片的天线是有几组绕线的线圈，适于封装到卡片中。卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0～63。卡片的存储内容由用户根据需要自己定义，下面是一种身份识别系统的存储方案，如图1所示：
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第0块 | |
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0-3 |
卡片编号字节 |
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4-7 |
用户账号 |
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8-10 |
用户密码，固定6位 |
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11-13 |
保留 |
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14 |
用户类型: |
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15 |
校验标志 |
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第1块: 第0块的备份 | |
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第2块:保留 | |
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第3块 | |
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0-5 |
动态密钥A |
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6-9 |
控制字节 0x08778F69 控制方式为KEYA认证只能读， 以KEYB认证能读能写。 |
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10-15 |
动态密钥B |
图1
二、水控终端硬件设计
水控终端主要实现数据显示、用户身份识别、消费数据存储、参数存储、黑/白名单检索、CAN数据通信、流量脉冲采集、电磁阀驱动等功能。其硬件系统结构框图如图2所示
图2
1. 射频卡驱动电路：
选用复旦微电子公司的FM1702或飞利浦的RC500，这两种芯片都是基于ISO14443 标准的非接触卡读卡机的专用芯片，支持ISO14443 typeA 非接触通信协议，支持MIFARE 标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需少量的外围电路就可以构成读写卡电路。
天线谐振频率的调整难度较大，有条件最好使用阻抗分析仪，可精确获得天线阻容元件的匹配参数，但阻抗分析仪价格昂贵，没有这种设备条件的设计者一般可使用双踪示波器采用李沙育图形法或根据经验公式数据反复试凑也可获得较好的读卡效果。
2. CAN通信电路：
由CAN通信控制器SJA1000(数据链路层芯片) 和电平转换器82C250（物理层芯片）组成。SJA1000的外围电路和通信程序都有很成熟的方案和资料可以借鉴，这里不再介绍。为充分发挥CAN总线技术的优势，应尽量采用CAN2.0B方式，以提高通信效率。波特率的选取要根据通信距离而定，不要盲目追求高波特率，过高的波特率会造成通讯错误增多，反而会降低通信效率。
CAN总线不提供应用层协议规范，一个强壮的应用层协议对应用系统是至关重要的，如果应用层协议较复杂，可参考CANOPEN或DEVICENET等标准协议。
3. 数据存储电路：
由铁电存储器FM24C256和FLASH存储器AT24C256组成。使用铁电存储器FM24C256存储消费数据，虽然成本较高，但写入次数可达10亿次，保证了数据存储的可靠性。选择FLASH存储器AT24C256存储黑名单信息，是考虑到这部分数据写入并不是很频繁和AT24C256成本较低。
4. 显示电路：
使用七段数码管或液晶显示模块均可。这要视用户现场的使用环境而定。如果使用环境温度保持在10-30摄氏度范围内 ，且不存在特殊的机械强度、防水密封等要求，建议使用液晶显示模块，因为液晶显示模块具有显示内容丰富、直观、外形美观、低功耗等的诸多优点。但如果使用现场是环境温度变化范围较大、并存在防水密封要求的场合（例如浴池等场所），则显示器件尽量选用数码管。
5. 采样电路：
流量计量方式的水控终端通常配接脉冲发讯式水表，采样电路主要由限流电阻和光电耦合器组成。
6. 阀门驱动电路：
阀门驱动电路负责开关控水阀门，如控水阀采用电磁阀，驱动电路较简单；如控水阀采用球阀，则要考虑换向的问题，驱动电路稍复杂一些，可采用单刀双置型继电器实现对球阀的驱动，由于继电器接点使用寿命有限，常常采用四只三极管实现换向供电的球阀驱动电路。
7. 时钟电路：
水控终端具有一个实时时钟是有必要的，特别是在一卡通计费系统当中，消费流水数据必须具有时标，才能标识出消费数据发生的先后顺序，以满足各种结账方式的要求。 本设计采用串行时钟芯片DS1302，DS1302具有体积小、价格低、接口简单、提供涓流充电等优点，从而成为最常用的时钟芯片，DS1302外接钮扣充电电池构成时钟电路：
三、水控终端参数配置
下面简单介绍水控终端的参数配置，以使读者对水控终端的功能有一个较全面的认识。由于用户需求可能较复杂，且用户要求终端参数能够由管理中心在线灵活配置，这就要求终端参数能够通过CAN网络进行设置并存储在自己的非易失性存储器内。各参数具体意义如下：
1. 部门代码：
在上位机管理软件中，已建立了各级用水部门的树形结构，并给每个部门分配了部门代码。各个水控终端隶属于某个部门，“部门代码”属性就表明了该终端位于何处。并且“部门代码”也出现在该终端上传的消费数据中，以支持管理软件实现按部门进行用水量统计和结算。
2. 工作扇区：该属性标识终端要识别MF1射频卡的哪个扇区。
3. 黑/白名单：该属性标识终端工作在黑名单模式还是白名单模式。
4. 开放状态：该属性决定终端是否响应用户的刷卡操作，这个属性可用于远程关闭终端。
5. 滤波时间：由于终端接收的流量信号是宽度变化的脉冲序列（即韦根信号），可能受到杂波的干扰，该参数决定了终端的滤波常数，也就是终端能够接收到的最窄脉宽。
6. 脉冲当量：该属性标识了每升水对应的脉冲数量。
7. 球阀行程：该属性决定了终端输出开阀信号的时间长度，也就决定了球阀的开度。
8. 设备状态：该属性标识了终端自身当前的报警或工作状态。
9. 无卡有脉冲报警：当阀门或终端控制器阀门驱动电路故障时，可能出现即使用户不刷卡也流水的情况，出现这种情况时，终端应及时向上位机报警。该参数给出了产生“无卡有脉冲报警”的阀值。
10. 有卡无脉冲报警：当流量发讯器或终端控制器采样电路故障时，可能出现即使用户刷卡不计费的情况，出现这种情况时，终端也应及时向上位机报警。该参数给出了产生“有卡无脉冲报警”的阀值。
11.终端地址：该属性决定了终端设备在CAN网络中的地址，并且是唯一的。
12. 终端设备类型：
该参数有三个备选项： 刷卡终端、远传计量终端、门禁终端
13.终端计量类型：
该参数有四个备选项：自来水、生活热水、开水、恒温洗浴水
14.终端账户类型：
该参数有两个备选项：公共账户终端、个人消费终端
用户可能需要的所有种类的水控终端设备均可用上述三种类型组合描述。
15.用户代码和种子密钥：这两个属性是和卡片加密有关的参数。
四、结束语
作为民用产品，价格因素显得尤为重要。在方案设计和器件选型过程中，应在功能够用的前提下，尽量降低成本，但也必须考虑产品的可靠性和稳定性指标，这就要求设计者仔细斟酌技术方案，以求得最佳的产品性价比。
本文作者创新点：
1． 目前水控终端的通讯方式几乎都是RS485方式,存在速度慢、可靠性差、通讯距离短等诸多问题。CAN总线技术能够很好的解决上述问题，CAN总线技术虽然已在工业自动化控制领域已有广泛应用，但在水控系统中应用CAN总线技术，是一种较新的应用方案。
2． 本文给出了一套完整的水控终端参数设置方案，可适应各种不同功能要求的水控系统。这种方案经实践证明设计合理，功能全面，对于类似的系统，具有较高的借鉴价值。
参考文献：
1. CANopen 协议_流行欧洲的CAN-bus高层协议 http://www.zlgmcu.com/philips/can/CANopen.asp
2. 阳宪惠 ，工业数据通信与控制网络/新编信息控制与系统系列教材，清华大学出版社
3. 严光文 张其善 射频卡读写模块的设计 北京航空航天大学电子工程系
4.刘天华等 智能射频卡在校园一卡通系统中的应用 微计算机信息 2006 35期
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