摘要：給出了一種PIC單片機為核心的智能IC卡燃氣表電控系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了該系統(tǒng)的控制模式、電控系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、系統(tǒng)軟件設(shè)計及其實際應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：PIC單片機 智能IC卡燃氣表 電控系統(tǒng)
智能IC卡燃氣表是一種根據(jù)用戶IC卡購氣量實現(xiàn)自動計量計費、自動控制用氣的民用高技術(shù)產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)人工抄表收費式燃氣表無可比擬的優(yōu)越性。當(dāng)前，隨著國家“金卡工程”的深入開展 和開發(fā)大西北“西氣東輸”計劃的正式啟動，智能IC卡燃氣表已 呈現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了該產(chǎn)品的核心技術(shù)--基于PIC單片機的智能IC卡燃氣表電控系統(tǒng)設(shè)計，論述了智能IC卡燃氣表的控制模式、電控系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、系統(tǒng)軟件設(shè)計及其實際應(yīng)用情況。
1 智能IC卡燃氣表控制模式
智能IC卡燃氣表是在常規(guī)家用模式燃氣表體上安裝智能測控系統(tǒng)而構(gòu)成的，
該測控系統(tǒng)主要由IC卡、計量電路、電控系統(tǒng)以及氣路控制閥等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
當(dāng)用戶將含有購氣量（以加密數(shù)值形式表示）的IC卡插入表內(nèi)時，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通氣路。用戶每用一個計量單位，計量電路便發(fā)出一組等周期計量脈沖序列，該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效，即可以已購氣量中減去一個計量單位，并通過液晶模塊顯示表內(nèi)剩余氣量。當(dāng)剩余氣量為零時，控制閥自動關(guān)閉，氣路即被切斷，此時用戶須重新持卡購氣。在正常情況下控制閥處于接通態(tài)，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時控制閥才從接通態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉態(tài)。圖2示出了三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況。
2 系統(tǒng)電路構(gòu)成
智能IC卡燃氣表電控系統(tǒng)電路由低功耗單片機、EEPROM存儲電路、電源電壓監(jiān)測電路、電池保護電路、液晶顯示及聲光報警電路、IC卡讀寫控制電路等組成，下面結(jié)合圖3所示的電路原理圖作為進一步介紹。
2.1 PIC單片機及電路組成
PIC單片機是Microchip公司近年來推出的新型單片機系列。它采用先進的RISC技術(shù)，具有低價格、低功耗、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點，目前已在儀器儀表、工業(yè)自動化、計算機通訊以及民用產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計中采用了PIC系列中的主流型號PIC16C57作為電路系統(tǒng)的控制核心。該單片機在靜態(tài)時處于低功耗睡眠狀態(tài)，功耗小于3uA。當(dāng)接收到計量脈沖或有IC卡操作時，單片機由睡眠態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，單片機通過C5、C6口以I2C總線方式對IC卡進行讀寫操作，以模擬I2C方式與存儲器IC2進行數(shù)據(jù)通訊，并通過B2、B4口分別獲取實時電池電壓及電源保護信號，通過輸出口B6、B7控制電控閥動作，通過輸出口A0、A1驅(qū)動漢字液晶模塊。
2.2 EEPROM存儲電路
EEPROM存儲器IC2采用24LC02B芯片，該芯片可以在無電源狀態(tài)下長期可靠存儲系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù)，工作壽命可達10 6次。當(dāng)用戶卡插入系統(tǒng)時，卡內(nèi)密碼、卡號、購氣量及用戶用氣記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)將以密文形式存儲在24LC02B芯片中。
2.3 電壓監(jiān)測電路
系統(tǒng)采用S80751芯片進行電壓實時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)電池電壓在正常值時，S80751的輸出1腳為高電平；當(dāng)電池電壓低于保護值時，該芯片的1腳變?yōu)榈碗娖?，單片機檢測到該信號后，即控制液晶模塊顯示欠壓，以提醒用戶更換電池。
2.4 電源保護電路
為有效保護系統(tǒng)電源，本電路可對電池盒位置進行高靈敏檢測。當(dāng)電池盒被拉開時，保護電路輸出低電平，單片機監(jiān)測該信號后，即控制閥門使其關(guān)斷。直到電池安裝好并將電池盒推入表內(nèi)正常位置時，單片機才會再次控制閥門使重新開閥供氣。
2.5 液晶顯示及聲光報警電路
液晶顯示電路采用PHILIP標(biāo)準(zhǔn)I2C通訊塊制作，可漢字顯示欠壓、購氣、關(guān)閥、卡誤和氣量五種信息狀態(tài)及其任意組合。聲光報警電路采用高亮LED和高響峰鳴器，由單片機控制發(fā)出聲光報警。
2.6 IC卡及讀寫電路
IC卡由于具有存儲容量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強、操作速度快等突出優(yōu)點，近年來在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用符合ISO7816國際標(biāo)準(zhǔn)的IC卡，用于可靠存儲用戶密鑰、購氣量、用氣記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機通過IC卡讀寫電路完成對IC卡信息的讀寫，本讀寫電路在卡口保護、輔助偽卡識別、確保準(zhǔn)確安全讀寫IC卡信息等方面都進行了精心而合理的設(shè)計。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用PIC16C5X精簡指令集編寫民。軟件設(shè)計緊密結(jié)合智能IC卡燃氣表的控制模式，充分體現(xiàn)了對IC卡信息讀寫、卡類型判斷、計量信號判斷與數(shù)據(jù)處理、電壓監(jiān)測與電源保護等功能，并在IC與信號安全性、軟件運行可靠性及抗干擾等方面進行了精心設(shè)計。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示。
下面給出IC卡讀、寫的子程序：
R10BYTEMOVF 8，0
MOVWF FSR
MOVLW.10 ；讀10個存儲單元
MOVWF BCOUNT
CALL START
MOVLW CTEL_W
CALL TR1BYTE
CALL RACK
MOVLW 8 ；存于寄存器8中
CALL TR1BYTE
CALL RACK
CALL START
MOVLW CTRL_R
CALL TR1BYTE
CALL RACK
CALL RD1BYTE ；讀字節(jié)子程序
INCF FSR
DECFSZ BCOUNT
GOTO READ11
CALL THACK
CALL STOP
RETLW 0 ；子程序返回
READ11 CALL TACK
GOTO READ
W8BYTE MOVF 8，0
MOVWF FSR
CALL START
MOVLW CTRL_W ；IG卡存放地址
CALL TR1BYTE
CALL RACK
MOVL W 8 ；從寄存器8中讀取數(shù)據(jù)
CALL TR1BYTE
CALL RACK
WRITE MOVF 0，0 ；寫入IC卡
CALL TR1BYTE
CALL RACK
INCF FSR
BTFSS FSR，3
GOTO WRITE
CALL STOP
DE10MS MOVLW .5 ；寫延時
MOVWF LOOPS
BCF 3，5
CALL WAIT
BSF 3，5
RETLW 0 ；返回主程序
關(guān)鍵詞：PIC單片機 智能IC卡燃氣表 電控系統(tǒng)
智能IC卡燃氣表是一種根據(jù)用戶IC卡購氣量實現(xiàn)自動計量計費、自動控制用氣的民用高技術(shù)產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)人工抄表收費式燃氣表無可比擬的優(yōu)越性。當(dāng)前，隨著國家“金卡工程”的深入開展 和開發(fā)大西北“西氣東輸”計劃的正式啟動，智能IC卡燃氣表已 呈現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了該產(chǎn)品的核心技術(shù)--基于PIC單片機的智能IC卡燃氣表電控系統(tǒng)設(shè)計，論述了智能IC卡燃氣表的控制模式、電控系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、系統(tǒng)軟件設(shè)計及其實際應(yīng)用情況。
1 智能IC卡燃氣表控制模式
智能IC卡燃氣表是在常規(guī)家用模式燃氣表體上安裝智能測控系統(tǒng)而構(gòu)成的，
該測控系統(tǒng)主要由IC卡、計量電路、電控系統(tǒng)以及氣路控制閥等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)用戶將含有購氣量（以加密數(shù)值形式表示）的IC卡插入表內(nèi)時，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通氣路。用戶每用一個計量單位，計量電路便發(fā)出一組等周期計量脈沖序列，該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效，即可以已購氣量中減去一個計量單位，并通過液晶模塊顯示表內(nèi)剩余氣量。當(dāng)剩余氣量為零時，控制閥自動關(guān)閉，氣路即被切斷，此時用戶須重新持卡購氣。在正常情況下控制閥處于接通態(tài)，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時控制閥才從接通態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉態(tài)。圖2示出了三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況。
2 系統(tǒng)電路構(gòu)成
智能IC卡燃氣表電控系統(tǒng)電路由低功耗單片機、EEPROM存儲電路、電源電壓監(jiān)測電路、電池保護電路、液晶顯示及聲光報警電路、IC卡讀寫控制電路等組成，下面結(jié)合圖3所示的電路原理圖作為進一步介紹。
2.1 PIC單片機及電路組成
PIC單片機是Microchip公司近年來推出的新型單片機系列。它采用先進的RISC技術(shù)，具有低價格、低功耗、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點，目前已在儀器儀表、工業(yè)自動化、計算機通訊以及民用產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計中采用了PIC系列中的主流型號PIC16C57作為電路系統(tǒng)的控制核心。該單片機在靜態(tài)時處于低功耗睡眠狀態(tài)，功耗小于3uA。當(dāng)接收到計量脈沖或有IC卡操作時，單片機由睡眠態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，單片機通過C5、C6口以I2C總線方式對IC卡進行讀寫操作，以模擬I2C方式與存儲器IC2進行數(shù)據(jù)通訊，并通過B2、B4口分別獲取實時電池電壓及電源保護信號，通過輸出口B6、B7控制電控閥動作，通過輸出口A0、A1驅(qū)動漢字液晶模塊。
2.2 EEPROM存儲電路
EEPROM存儲器IC2采用24LC02B芯片，該芯片可以在無電源狀態(tài)下長期可靠存儲系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù)，工作壽命可達10 6次。當(dāng)用戶卡插入系統(tǒng)時，卡內(nèi)密碼、卡號、購氣量及用戶用氣記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)將以密文形式存儲在24LC02B芯片中。
2.3 電壓監(jiān)測電路
系統(tǒng)采用S80751芯片進行電壓實時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)電池電壓在正常值時，S80751的輸出1腳為高電平；當(dāng)電池電壓低于保護值時，該芯片的1腳變?yōu)榈碗娖?，單片機檢測到該信號后，即控制液晶模塊顯示欠壓，以提醒用戶更換電池。
2.4 電源保護電路
為有效保護系統(tǒng)電源，本電路可對電池盒位置進行高靈敏檢測。當(dāng)電池盒被拉開時，保護電路輸出低電平，單片機監(jiān)測該信號后，即控制閥門使其關(guān)斷。直到電池安裝好并將電池盒推入表內(nèi)正常位置時，單片機才會再次控制閥門使重新開閥供氣。
2.5 液晶顯示及聲光報警電路
液晶顯示電路采用PHILIP標(biāo)準(zhǔn)I2C通訊塊制作，可漢字顯示欠壓、購氣、關(guān)閥、卡誤和氣量五種信息狀態(tài)及其任意組合。聲光報警電路采用高亮LED和高響峰鳴器，由單片機控制發(fā)出聲光報警。
2.6 IC卡及讀寫電路
IC卡由于具有存儲容量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強、操作速度快等突出優(yōu)點，近年來在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用符合ISO7816國際標(biāo)準(zhǔn)的IC卡，用于可靠存儲用戶密鑰、購氣量、用氣記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機通過IC卡讀寫電路完成對IC卡信息的讀寫，本讀寫電路在卡口保護、輔助偽卡識別、確保準(zhǔn)確安全讀寫IC卡信息等方面都進行了精心而合理的設(shè)計。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用PIC16C5X精簡指令集編寫民。軟件設(shè)計緊密結(jié)合智能IC卡燃氣表的控制模式，充分體現(xiàn)了對IC卡信息讀寫、卡類型判斷、計量信號判斷與數(shù)據(jù)處理、電壓監(jiān)測與電源保護等功能，并在IC與信號安全性、軟件運行可靠性及抗干擾等方面進行了精心設(shè)計。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示。
下面給出IC卡讀、寫的子程序：
R10BYTEMOVF 8，0
MOVWF FSR
MOVLW.10 ；讀10個存儲單元
MOVWF BCOUNT
CALL START
MOVLW CTEL_W
CALL TR1BYTE
CALL RACK
MOVLW 8 ；存于寄存器8中
CALL TR1BYTE
CALL RACK
CALL START
MOVLW CTRL_R
CALL TR1BYTE
CALL RACK
CALL RD1BYTE ；讀字節(jié)子程序
INCF FSR
DECFSZ BCOUNT
GOTO READ11
CALL THACK
CALL STOP
RETLW 0 ；子程序返回
READ11 CALL TACK
GOTO READ
W8BYTE MOVF 8，0
MOVWF FSR
CALL START
MOVLW CTRL_W ；IG卡存放地址
CALL TR1BYTE
CALL RACK
MOVL W 8 ；從寄存器8中讀取數(shù)據(jù)
CALL TR1BYTE
CALL RACK
WRITE MOVF 0，0 ；寫入IC卡
CALL TR1BYTE
CALL RACK
INCF FSR
BTFSS FSR，3
GOTO WRITE
CALL STOP
DE10MS MOVLW .5 ；寫延時
MOVWF LOOPS
BCF 3，5
CALL WAIT
BSF 3，5
RETLW 0 ；返回主程序
