關(guān)鍵字：射頻卡，水控終端，CAN總線，球閥驅(qū)動，終端參數(shù)
隨著水資源的日益短缺，節(jié)水已成為各個用水單位、整個國家以及世界各國的重要課題。在我國，用水存在著巨大浪費,這既有政策方面的問題也有技術(shù)層面的原因。要實現(xiàn)用水的現(xiàn)代化管理，水控終端的研制和改進(jìn)是一個重要課題。一個具備較高自動化程度的水控終端所要解決的技術(shù)問題很多，包括：閥門控制、身份認(rèn)證、水費支付、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等。隨著計算機(jī)、微電子以及工業(yè)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，這些問題已有較好的解決方法,本文介紹一種基于CAN總線和射頻卡技術(shù)的水控終端的設(shè)計方案。
一、射頻卡技術(shù)簡介
目前常用的IC卡有兩種：接觸式和非接觸式IC卡。接觸式IC卡通過機(jī)械觸點從讀寫器中獲取能量和交換數(shù)據(jù)，應(yīng)用比較廣泛，但有時機(jī)械觸點接通不可靠，且觸點容易被腐蝕和污染，在有些領(lǐng)域應(yīng)用受到限制；非接觸式IC卡通過線圈射頻感應(yīng)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)（又稱射頻卡），它存儲量大，成本低，適用于某些有特殊要求的場所。非接觸識別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，涉及高頻技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)、密碼學(xué)、電信等，它將大量來自不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合在一起,應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟。
射頻卡卡片的電氣部分由一個天線和ASIC組成。卡片的天線是有幾組繞線的線圈，適于封裝到卡片中。卡片的ASIC由一個高速（106KB波特率）RF接口，一個控制單元和一個8K位EEPROM組成?？ǚ譃?6個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4塊（塊0、塊1、塊2、塊3）組成，將16個扇區(qū)的64個塊按絕對地址編號為0～63?？ㄆ拇鎯?nèi)容由用戶根據(jù)需要自己定義，下面是一種身份識別系統(tǒng)的存儲方案，如圖1所示：
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第0塊 | |
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0-3 |
卡片編號字節(jié) |
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4-7 |
用戶賬號 |
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8-10 |
用戶密碼，固定6位 |
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11-13 |
保留 |
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14 |
用戶類型: |
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15 |
校驗標(biāo)志 |
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第1塊: 第0塊的備份 | |
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第2塊:保留 | |
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第3塊 | |
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0-5 |
動態(tài)密鑰A |
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6-9 |
控制字節(jié) 0x08778F69 控制方式為KEYA認(rèn)證只能讀， 以KEYB認(rèn)證能讀能寫。 |
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10-15 |
動態(tài)密鑰B |
圖1
二、水控終端硬件設(shè)計
水控終端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、用戶身份識別、消費數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)存儲、黑/白名單檢索、CAN數(shù)據(jù)通信、流量脈沖采集、電磁閥驅(qū)動等功能。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示
圖2
1. 射頻卡驅(qū)動電路：
選用復(fù)旦微電子公司的FM1702或飛利浦的RC500，這兩種芯片都是基于ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)的專用芯片，支持ISO14443 typeA 非接觸通信協(xié)議，支持MIFARE 標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，只需少量的外圍電路就可以構(gòu)成讀寫卡電路。
天線諧振頻率的調(diào)整難度較大，有條件最好使用阻抗分析儀，可精確獲得天線阻容元件的匹配參數(shù)，但阻抗分析儀價格昂貴，沒有這種設(shè)備條件的設(shè)計者一般可使用雙蹤示波器采用李沙育圖形法或根據(jù)經(jīng)驗公式數(shù)據(jù)反復(fù)試湊也可獲得較好的讀卡效果。
2. CAN通信電路：
由CAN通信控制器SJA1000(數(shù)據(jù)鏈路層芯片) 和電平轉(zhuǎn)換器82C250（物理層芯片）組成。SJA1000的外圍電路和通信程序都有很成熟的方案和資料可以借鑒，這里不再介紹。為充分發(fā)揮CAN總線技術(shù)的優(yōu)勢，應(yīng)盡量采用CAN2.0B方式，以提高通信效率。波特率的選取要根據(jù)通信距離而定，不要盲目追求高波特率，過高的波特率會造成通訊錯誤增多，反而會降低通信效率。
CAN總線不提供應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范，一個強(qiáng)壯的應(yīng)用層協(xié)議對應(yīng)用系統(tǒng)是至關(guān)重要的，如果應(yīng)用層協(xié)議較復(fù)雜，可參考CANOPEN或DEVICENET等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
3. 數(shù)據(jù)存儲電路：
由鐵電存儲器FM24C256和FLASH存儲器AT24C256組成。使用鐵電存儲器FM24C256存儲消費數(shù)據(jù)，雖然成本較高，但寫入次數(shù)可達(dá)10億次，保證了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。選擇FLASH存儲器AT24C256存儲黑名單信息，是考慮到這部分?jǐn)?shù)據(jù)寫入并不是很頻繁和AT24C256成本較低。
4. 顯示電路：
使用七段數(shù)碼管或液晶顯示模塊均可。這要視用戶現(xiàn)場的使用環(huán)境而定。如果使用環(huán)境溫度保持在10-30攝氏度范圍內(nèi) ，且不存在特殊的機(jī)械強(qiáng)度、防水密封等要求，建議使用液晶顯示模塊，因為液晶顯示模塊具有顯示內(nèi)容豐富、直觀、外形美觀、低功耗等的諸多優(yōu)點。但如果使用現(xiàn)場是環(huán)境溫度變化范圍較大、并存在防水密封要求的場合（例如浴池等場所），則顯示器件盡量選用數(shù)碼管。
5. 采樣電路：
流量計量方式的水控終端通常配接脈沖發(fā)訊式水表，采樣電路主要由限流電阻和光電耦合器組成。
6. 閥門驅(qū)動電路：
閥門驅(qū)動電路負(fù)責(zé)開關(guān)控水閥門，如控水閥采用電磁閥，驅(qū)動電路較簡單；如控水閥采用球閥，則要考慮換向的問題，驅(qū)動電路稍復(fù)雜一些，可采用單刀雙置型繼電器實現(xiàn)對球閥的驅(qū)動，由于繼電器接點使用壽命有限，常常采用四只三極管實現(xiàn)換向供電的球閥驅(qū)動電路。
7. 時鐘電路：
水控終端具有一個實時時鐘是有必要的，特別是在一卡通計費系統(tǒng)當(dāng)中，消費流水?dāng)?shù)據(jù)必須具有時標(biāo)，才能標(biāo)識出消費數(shù)據(jù)發(fā)生的先后順序，以滿足各種結(jié)賬方式的要求。 本設(shè)計采用串行時鐘芯片DS1302，DS1302具有體積小、價格低、接口簡單、提供涓流充電等優(yōu)點，從而成為最常用的時鐘芯片，DS1302外接鈕扣充電電池構(gòu)成時鐘電路：
三、水控終端參數(shù)配置
下面簡單介紹水控終端的參數(shù)配置，以使讀者對水控終端的功能有一個較全面的認(rèn)識。由于用戶需求可能較復(fù)雜，且用戶要求終端參數(shù)能夠由管理中心在線靈活配置，這就要求終端參數(shù)能夠通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置并存儲在自己的非易失性存儲器內(nèi)。各參數(shù)具體意義如下：
1. 部門代碼：
在上位機(jī)管理軟件中，已建立了各級用水部門的樹形結(jié)構(gòu)，并給每個部門分配了部門代碼。各個水控終端隸屬于某個部門，“部門代碼”屬性就表明了該終端位于何處。并且“部門代碼”也出現(xiàn)在該終端上傳的消費數(shù)據(jù)中，以支持管理軟件實現(xiàn)按部門進(jìn)行用水量統(tǒng)計和結(jié)算。
2. 工作扇區(qū)：該屬性標(biāo)識終端要識別MF1射頻卡的哪個扇區(qū)。
3. 黑/白名單：該屬性標(biāo)識終端工作在黑名單模式還是白名單模式。
4. 開放狀態(tài)：該屬性決定終端是否響應(yīng)用戶的刷卡操作，這個屬性可用于遠(yuǎn)程關(guān)閉終端。
5. 濾波時間：由于終端接收的流量信號是寬度變化的脈沖序列（即韋根信號），可能受到雜波的干擾，該參數(shù)決定了終端的濾波常數(shù)，也就是終端能夠接收到的最窄脈寬。
6. 脈沖當(dāng)量：該屬性標(biāo)識了每升水對應(yīng)的脈沖數(shù)量。
7. 球閥行程：該屬性決定了終端輸出開閥信號的時間長度，也就決定了球閥的開度。
8. 設(shè)備狀態(tài)：該屬性標(biāo)識了終端自身當(dāng)前的報警或工作狀態(tài)。
9. 無卡有脈沖報警：當(dāng)閥門或終端控制器閥門驅(qū)動電路故障時，可能出現(xiàn)即使用戶不刷卡也流水的情況，出現(xiàn)這種情況時，終端應(yīng)及時向上位機(jī)報警。該參數(shù)給出了產(chǎn)生“無卡有脈沖報警”的閥值。
10. 有卡無脈沖報警：當(dāng)流量發(fā)訊器或終端控制器采樣電路故障時，可能出現(xiàn)即使用戶刷卡不計費的情況，出現(xiàn)這種情況時，終端也應(yīng)及時向上位機(jī)報警。該參數(shù)給出了產(chǎn)生“有卡無脈沖報警”的閥值。
11.終端地址：該屬性決定了終端設(shè)備在CAN網(wǎng)絡(luò)中的地址，并且是唯一的。
12. 終端設(shè)備類型：
該參數(shù)有三個備選項： 刷卡終端、遠(yuǎn)傳計量終端、門禁終端
13.終端計量類型：
該參數(shù)有四個備選項：自來水、生活熱水、開水、恒溫洗浴水
14.終端賬戶類型：
該參數(shù)有兩個備選項：公共賬戶終端、個人消費終端
用戶可能需要的所有種類的水控終端設(shè)備均可用上述三種類型組合描述。
15.用戶代碼和種子密鑰：這兩個屬性是和卡片加密有關(guān)的參數(shù)。
四、結(jié)束語
作為民用產(chǎn)品，價格因素顯得尤為重要。在方案設(shè)計和器件選型過程中，應(yīng)在功能夠用的前提下，盡量降低成本，但也必須考慮產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性指標(biāo)，這就要求設(shè)計者仔細(xì)斟酌技術(shù)方案，以求得最佳的產(chǎn)品性價比。
本文作者創(chuàng)新點：
1． 目前水控終端的通訊方式幾乎都是RS485方式,存在速度慢、可靠性差、通訊距離短等諸多問題。CAN總線技術(shù)能夠很好的解決上述問題，CAN總線技術(shù)雖然已在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但在水控系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總線技術(shù)，是一種較新的應(yīng)用方案。
2． 本文給出了一套完整的水控終端參數(shù)設(shè)置方案，可適應(yīng)各種不同功能要求的水控系統(tǒng)。這種方案經(jīng)實踐證明設(shè)計合理，功能全面，對于類似的系統(tǒng)，具有較高的借鑒價值。
參考文獻(xiàn)：
1. CANopen 協(xié)議_流行歐洲的CAN-bus高層協(xié)議 http://www.zlgmcu.com/philips/can/CANopen.asp
2. 陽憲惠 ，工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)/新編信息控制與系統(tǒng)系列教材，清華大學(xué)出版社
3. 嚴(yán)光文 張其善 射頻卡讀寫模塊的設(shè)計 北京航空航天大學(xué)電子工程系
4.劉天華等 智能射頻卡在校園一卡通系統(tǒng)中的應(yīng)用 微計算機(jī)信息 2006 35期
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