摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了射頻卡技術(shù)的基本概念和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并介紹了一種基于MF1射頻卡和CAN總線(xiàn)技術(shù)的水控終端硬件設(shè)計(jì)方案，并給出了一種終端參數(shù)配置方案，讓讀者對(duì)射頻卡水控終端的功能有一個(gè)更加具體的認(rèn)識(shí)和理解。
關(guān)鍵字：射頻卡，水控終端，CAN總線(xiàn)，球閥驅(qū)動(dòng)，終端參數(shù) 

隨著水資源的日益短缺，節(jié)水已成為各個(gè)用水單位、整個(gè)國(guó)家以及世界各國(guó)的重要課題。在我國(guó)，用水存在著巨大浪費(fèi),這既有政策方面的問(wèn)題也有技術(shù)層面的原因。要實(shí)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(gè)重要課題。一個(gè)具備較高自動(dòng)化程度的水控終端所要解決的技術(shù)問(wèn)題很多，包括：閥門(mén)控制、身份認(rèn)證、水費(fèi)支付、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等。隨著計(jì)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(wèn)題已有較好的解決方法,本文介紹一種基于CAN總線(xiàn)和射頻卡技術(shù)的水控終端的設(shè)計(jì)方案。

一、射頻卡技術(shù)簡(jiǎn)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(guò)機(jī)械觸點(diǎn)從讀寫(xiě)器中獲取能量和交換數(shù)據(jù)，應(yīng)用比較廣泛，但有時(shí)機(jī)械觸點(diǎn)接通不可靠，且觸點(diǎn)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(guò)線(xiàn)圈射頻感應(yīng)從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數(shù)據(jù)（又稱(chēng)射頻卡），它存儲(chǔ)量大，成本低，適用于某些有特殊要求的場(chǎng)所。非接觸識(shí)別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專(zhuān)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(lái)自不同專(zhuān)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(gè)天線(xiàn)和ASIC組成?？ㄆ奶炀€(xiàn)是有幾組繞線(xiàn)的線(xiàn)圈，適于封裝到卡片中?？ㄆ腁SIC由一個(gè)高速（106KB波特率）RF接口，一個(gè)控制單元和一個(gè)8K位EEPROM組成?？ǚ譃?6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由4塊（塊0、塊1、塊2、塊3）組成，將16個(gè)扇區(qū)的64個(gè)塊按絕對(duì)地址編號(hào)為0～63?？ㄆ拇鎯?chǔ)內(nèi)容由用戶(hù)根據(jù)需要自己定義，下面是一種身份識(shí)別系統(tǒng)的存儲(chǔ)方案，如圖1所示：

第0塊
0-3	卡片編號(hào)字節(jié)
4-7	用戶(hù)賬號(hào)
8-10	用戶(hù)密碼，固定6位
11-13	保留
14	用戶(hù)類(lèi)型:
15	校驗(yàn)標(biāo)志
第1塊: 第0塊的備份
第2塊:保留
第3塊
0-5	動(dòng)態(tài)密鑰A
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(xiě)。
10-15	動(dòng)態(tài)密鑰B

圖1

二、水控終端硬件設(shè)計(jì)

   水控終端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、用戶(hù)身份識(shí)別、消費(fèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)存儲(chǔ)、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(dòng)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(dòng)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(zhuān)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(xiě)卡電路。

天線(xiàn)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(xiàn)阻容元件的匹配參數(shù)，但阻抗分析儀價(jià)格昂貴，沒(méi)有這種設(shè)備條件的設(shè)計(jì)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(yàn)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(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，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(guò)高的波特率會(huì)造成通訊錯(cuò)誤增多，反而會(huì)降低通信效率。

CAN總線(xiàn)不提供應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范，一個(gè)強(qiáng)壯的應(yīng)用層協(xié)議對(duì)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(chǔ)電路：

由鐵電存儲(chǔ)器FM24C256和FLASH存儲(chǔ)器AT24C256組成。使用鐵電存儲(chǔ)器FM24C256存儲(chǔ)消費(fèi)數(shù)據(jù)，雖然成本較高，但寫(xiě)入次數(shù)可達(dá)10億次，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。選擇FLASH存儲(chǔ)器AT24C256存儲(chǔ)黑名單信息，是考慮到這部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)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?yàn)橐壕э@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(diǎn)。但如果使用現(xiàn)場(chǎng)是環(huán)境溫度變化范圍較大、并存在防水密封要求的場(chǎng)合（例如浴池等場(chǎng)所），則顯示器件盡量選用數(shù)碼管。

5.       采樣電路：

流量計(jì)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(mén)驅(qū)動(dòng)電路：

閥門(mén)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)控水閥門(mén)，如控水閥采用電磁閥，驅(qū)動(dòng)電路較簡(jiǎn)單；如控水閥采用球閥，則要考慮換向的問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)電路稍復(fù)雜一些，可采用單刀雙置型繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)球閥的驅(qū)動(dòng)，由于繼電器接點(diǎn)使用壽命有限，常常采用四只三極管實(shí)現(xiàn)換向供電的球閥驅(qū)動(dòng)電路。

7. 時(shí)鐘電路：

水控終端具有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘是有必要的，特別是在一卡通計(jì)費(fèi)系統(tǒng)當(dāng)中，消費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)必須具有時(shí)標(biāo)，才能標(biāo)識(shí)出消費(fèi)數(shù)據(jù)發(fā)生的先后順序，以滿(mǎn)足各種結(jié)賬方式的要求。 本設(shè)計(jì)采用串行時(shí)鐘芯片DS1302，DS1302具有體積小、價(jià)格低、接口簡(jiǎn)單、提供涓流充電等優(yōu)點(diǎn)，從而成為最常用的時(shí)鐘芯片，DS1302外接鈕扣充電電池構(gòu)成時(shí)鐘電路：

三、水控終端參數(shù)配置

下面簡(jiǎn)單介紹水控終端的參數(shù)配置，以使讀者對(duì)水控終端的功能有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)。由于用戶(hù)需求可能較復(fù)雜，且用戶(hù)要求終端參數(shù)能夠由管理中心在線(xiàn)靈活配置，這就要求終端參數(shù)能夠通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置并存儲(chǔ)在自己的非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)。各參數(shù)具體意義如下：

1.         部門(mén)代碼：

在上位機(jī)管理軟件中，已建立了各級(jí)用水部門(mén)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并給每個(gè)部門(mén)分配了部門(mén)代碼。各個(gè)水控終端隸屬于某個(gè)部門(mén)，“部門(mén)代碼”屬性就表明了該終端位于何處。并且“部門(mén)代碼”也出現(xiàn)在該終端上傳的消費(fèi)數(shù)據(jù)中，以支持管理軟件實(shí)現(xiàn)按部門(mén)進(jìn)行用水量統(tǒng)計(jì)和結(jié)算。

2.         工作扇區(qū)：該屬性標(biāo)識(shí)終端要識(shí)別MF1射頻卡的哪個(gè)扇區(qū)。

3.  黑/白名單：該屬性標(biāo)識(shí)終端工作在黑名單模式還是白名單模式。

4.  開(kāi)放狀態(tài)：該屬性決定終端是否響應(yīng)用戶(hù)的刷卡操作，這個(gè)屬性可用于遠(yuǎn)程關(guān)閉終端。

5.  濾波時(shí)間：由于終端接收的流量信號(hào)是寬度變化的脈沖序列（即韋根信號(hào)），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(shí)了每升水對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)量。

7. 球閥行程：該屬性決定了終端輸出開(kāi)閥信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，也就決定了球閥的開(kāi)度。

8. 設(shè)備狀態(tài)：該屬性標(biāo)識(shí)了終端自身當(dāng)前的報(bào)警或工作狀態(tài)。

9. 無(wú)卡有脈沖報(bào)警：當(dāng)閥門(mén)或終端控制器閥門(mén)驅(qū)動(dòng)電路故障時(shí)，可能出現(xiàn)即使用戶(hù)不刷卡也流水的情況，出現(xiàn)這種情況時(shí)，終端應(yīng)及時(shí)向上位機(jī)報(bào)警。該參數(shù)給出了產(chǎn)生“無(wú)卡有脈沖報(bào)警”的閥值。

10. 有卡無(wú)脈沖報(bào)警：當(dāng)流量發(fā)訊器或終端控制器采樣電路故障時(shí)，可能出現(xiàn)即使用戶(hù)刷卡不計(jì)費(fèi)的情況，出現(xiàn)這種情況時(shí)，終端也應(yīng)及時(shí)向上位機(jī)報(bào)警。該參數(shù)給出了產(chǎn)生“有卡無(wú)脈沖報(bào)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(lèi)型：

該參數(shù)有三個(gè)備選項(xiàng)： 刷卡終端、遠(yuǎn)傳計(jì)量終端、門(mén)禁終端

13.終端計(jì)量類(lèi)型：

該參數(shù)有四個(gè)備選項(xiàng)：自來(lái)水、生活熱水、開(kāi)水、恒溫洗浴水

14.終端賬戶(hù)類(lèi)型：

該參數(shù)有兩個(gè)備選項(xiàng)：公共賬戶(hù)終端、個(gè)人消費(fèi)終端

用戶(hù)可能需要的所有種類(lèi)的水控終端設(shè)備均可用上述三種類(lèi)型組合描述。

15.用戶(hù)代碼和種子密鑰：這兩個(gè)屬性是和卡片加密有關(guān)的參數(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

作為民用產(chǎn)品，價(jià)格因素顯得尤為重要。在方案設(shè)計(jì)和器件選型過(guò)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(jì)者仔細(xì)斟酌技術(shù)方案，以求得最佳的產(chǎn)品性?xún)r(jià)比。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

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(wèn)題。CAN總線(xiàn)技術(shù)能夠很好的解決上述問(wèn)題，CAN總線(xiàn)技術(shù)雖然已在工業(yè)自動(dòng)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(xiàn)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(shí)踐證明設(shè)計(jì)合理，功能全面，對(duì)于類(lèi)似的系統(tǒng)，具有較高的借鑒價(jià)值。

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