摘要介绍了一种低功耗令能水表的设计方案。该水表以Philips公司的低功耗单片机P89LPC922为控制芯片，配有电源电路、阀门粗动电路、计t电路、Mifare卡的读写电路、液晶显示等部分。根据该方案设计的水长已投入市场。
目前，三表行业大多数采用传统的人工抄表管理模式，记录每月用量，“先使用，后交费”。这意味着管理部门需预付巨额的费用，已用水电费的按时收取受诸多因素的影响，给管理部门带来经济损失。而预付费智能IC卡水表系统正好解决了这一问题。通过预付费的方式，用水单位或个人须在指定购水点(或联网银行)购买一定水量的卡后，在水表内刷卡，将用水量读人水表后方能用水，否则将关阀断水。这种方案通过预付费卡内的金额控制用水量，买水才能用水，这样就解决了供水部门预先支付巨额水费的问题。本文中将提出一种基于P89LPC922的预付费智能水表的设计方法。
1 Philips P89LPC922简介
P89LPC922是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC922采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P89LPC922集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。8 kB Flash程序存储器，串行Flash编程可实现简单的在电路编程。空闲和两种不同的掉电节电模式并提供从掉电模式中唤醒功能，典型的掉电电流为1泌(比较器关闭时的完全掉电状态)[1]。
2系统硬件组成
系统设计突出低功耗的要求，在软硬件方面均做出了努力。基于P89LPC922的Mifare卡预付费智能水表充分利用了单片机低功耗和键盘中断的特点，采用双计数的测量方法，外部流量检测电路简单廉价，并且系统稳定性高。智能水表系统的硬件结构框图如图1所示。
2.1计量原理及电路
本方案通过把液体流动转换为旋转运动实现对流量的检测。采用附有金属膜的叶轮实现这种转换，管道中的液体推动叶轮的不断旋转，其转速直接决定于液体的流速。水表盘面有一个以0. 0lm³为最小刻度而不断旋转的指示指针，通过其中安放的磁钢对惰性磁敏元件钢簧管的吸合把机械转动信号被转化为电信号送至微控制器的双计数键盘输人口，通过计量算法实现流体流量和方向的计算。
2. 2阀门控制及按健电路
本文所选的LG9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输人(即图2中的Jl和J2 )，具有良好的抗干扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动(即图2中的F+和F一)，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750 mA一800 mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5 A ~2.0 A;同时它具有较低的输出饱和压降与静态电流;内里的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、自动阀门电机驱动、电磁门锁驱动等电路上。
按键电路利用外中断0口作为读卡开关。INTO设为沿触发方式，当按键按下时，电路接通呈低电平触发中断，由程序设定打开基站开关进行读卡。
2. 3读写卡接口电路
Mifare卡现在是市场的主流产品，它是一种智能卡，内嵌有中央微处理机(MCU)和ASIC等。MIFARE 1 IC卡的核心是Philips公司的MIFARE 1IC S50系列微模块(微晶片)。它确定了卡片的特性以及卡片读卡器的诸多性能。卡上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统;且具有防重叠功能，能在同一时间处理重叠在卡片读卡器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片。卡片上有高速的CRC协处理器，符合CCITT标准。卡内制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张MIFARE卡。卡片上内建8 kB EEPROM存储容量并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理，因此可以做到一卡多用。卡片上的数据读写可超过10万次以上，数据保存期可达10年以上，且卡片抗静电保护能力达2 kV以上[2]。
支持Mifarel卡的读写芯片FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的基于IS014443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0. 6微米CMOSEEPROM工艺，支持IS014443 typeA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工作，支持SPI接口，数字电路具有TTL, CMOS两种电压工作模式。特别适用于IS014443标准下水、电、煤气表等计费系统的读卡器的应用。该芯片的三路电源都可适用于低电压，且性价比高，其价格是普通芯片的1/2，但指令、接口完全兼容RC530，开发简单;功耗低，支持宽电压(3 V -5V)，操作距离可达10 cm[3]。
Mifare卡和Temi。卡读写模块的通信方式不同，支持Temic卡的读写芯片本身没有智能控制系统，它本身不能实现与卡的通信，而是由单片机根据具体的编码、解码格式，通过软编程模拟时序来实现。而FM1702SL本身有CPU，它自己内部已经将通信实现，不需要由单片机再通过软编程实现通信，单片机(主机)所做的工作只是通过SPI串口通讯方式与M1702SL(从机)通讯，控制基站实现SPI接口初始化、基站内部工作状态初始化及传送从机内部命令，并供给相应参数、数据，以实现读、写卡操作。图3为基站芯片FM 1702SL与天线射频接口的典型电路(天线藕合电路)，其中FM1702SL的TXI, TX2, VMID和Rx引脚连接天线藕合电路，MISO, SCK, MOSI, NSS, RSTPD连接P89LPC922，MISO, SCK, MOSI, NSS为SPI模式下的4根信号线，RSTPD为FM1702SL的复位引脚。
2. 4显示电路
选择LCD1620液晶模块，由于其芯片内部已经集成了LCD驱动电路，所以显示电路很简单，有4根信号线，2根电源线对外接口，只需在软件中根据读写时序进行相应操作即可。图1中LCD_CS为液晶选通信号，LCD_WR为写信号，LCD_DA为数据线，LCD BG为背光信号。
3系统软件设计
P89LPC922单片机有正常、空闲、掉电、完全掉电模式四种工作模式，完全掉电模式下，单片机的功耗可达到1 μA。通过软件编程实现不同模式的切换可以极大地降低系统功耗，延长电池寿命。
本方案中读写卡电路作为一个独立模块设计，其供电电源通过一个基极接到单片机一引脚的开关三极管控制，读写卡电路只有在读写卡和主动失电检测时才进人工作状态，其余时间均不工作。
电池电量不足时时会严重影响开关阀质量，所以系统对电池电量的监测判断十分重要，系统设计时采用主动和被动失电检侧两种方式。被动失电检测是直接将电源电压通过分压电阻接人INT1口，当电池掉电时直接引发外中断，在中断服务程序中完成基础重要参数和标志在FLASH存储区中的保存。待下次上电时，再进行恢复。大量试验表明掉电后电容中残余电量足以完成FLASH的编程和擦除工作。
主动失电检测是由单片机发出的主动对电池剩余电量的检测活动。它发生的条件是开关阀动作合计次数满100以后，方法是打开基站并延时一定时间后对复位口电平进行采样，若为低电平则表示电池电量不足，此时给出错误提示码，当连续10次检测到电量不足时进行关阀报警处理。
4系统主要功能及特点
(1)用Mifare卡付费购水，根据购买量供水。
(2)采用液晶显示器显示余额和错误码。
(3)当表内余额为负时开始关阀报警，用户重新购水后可恢复供水。
(4)低功耗设计，电池寿命可达到10年以上。
(5)电池电量不足时系统有错误码和关阀报警提示，并进行重要基础数据保存。
(6)通过读卡按键读取当前卡中余额，并进行用水消费。
5结束语
基于P89LPC922的Mifare卡预付费智能水表具有功耗低、测量范围宽，稳定性好，使用方便、抗干扰能力强等特点，尤其在小流量下亦能保持一定的精度，整个设计方案采用模块化设计方法，可进行优化扩展。
参考文献
1广州周立功单片机发展有限公司.P89LPC920/921/922Flash单片机使用指南【Z/OL] . http; //www. zlgmcu. com,2003一12一02.
2广州周立功单片机发展有限公司.Mifare标准IC卡MF1IC S50功能说明书[7JOL] . http; //www. zlgmcu. com,2002一12一16.
3广州周立功单片机发展有限公司.FM 1702SL一全3. 3 V供电、小封装24P的读卡芯片【Z/OL]. http;//~zlgmcu. com , 2004一11一1.
