预付费智能卡水表软时钟结构设计与分析

　　1 引言

　　当前国内供水行业的表具主要有普通水表、远传水表和智能卡水表等形式。鉴于以往收费到户和抄表困难等情况, 且保证交易的安全可靠, 目前比较可行的方式是预付费智能卡水表的推广, 即在用户中使用MPU 卡式水表, 用户持卡缴费购水, 然后插入 MPU卡,水表打开阀门开始用水, 当所购水量剩余 1 立方时关阀报警, 反插卡阀门打开继续用水, 等所购水量完全用完后, 水表将自动关闭阀门禁止用户继续用水,必须再次持卡到水司购水方可恢复使用。为了给用户建立购水档案, 便于用户购水统计和水量汇总及水司阶梯水价的控制, 避免交易中的纠纷; 建立水表操作日志和反馈信息, 在水表控制系统工作过程中, 控制系统把水表加水、倒阀、数据更改、磁攻击等的操作写入日志文件, 一旦发生事故, 控制系统利用日志文件和反馈文件来进行系统故障恢复,便于水表管理和维护, 保证表具准确可靠运行, 因此水表控制系统和 MIS 管理系统中的实时时钟不容忽视。

　　实时时钟(RTC) 又被分为硬时钟( 硬件法)、软时钟(软件法)。所谓硬时钟, 即采用实时时钟芯片, 它不需要单片机的干预就能产生时、分、秒; 年、月、日等日历数据, 并自动修正闰年。而另一类由单片机利用内部或外部定时中断, 通过程序计算出实时时间, 被称为软时钟。

　　2 预付费智能卡水表 RTC 运行环境

　　2.1 早期预付费智能卡水表的 RTC

　　在早期的智能卡水表中使用的 PHILIPS 公司推出的 PCF856 是一种多功能时钟芯片。该芯片使用闭比较复杂, 在一定程度上增加了硬件电路的体积, 另外在硬件电路上还必须另外为 PCF8563 提供合适的晶振, 并且要确保晶振的质量以防晶振停振, 从而也提高了成本。该实时时钟是通过读取和写入 PCF8563时钟芯片来得知当前时间或对时钟的调整。而读取和写入的操作是通过I2C 总线实现的, 在单片机与之通信时可能会受到外部干扰, 其中软件实现上又牵扯到I2C 总线的时序问题( 发送I2C 总线起始条件、终止条件、发送数据和接受数据、返回标志) 等大量的程序,在软件实现上也比较复杂。

　　然而经过大量分析, 在保证功耗基本不增加、性能稳定的情况下, 利用智能卡水表的控制系统的 MPCMSP430 系列单片机本身具有的功能就能实现, 并且在软件实现上也比较简单, 从而可以利用软时钟代替原来的硬时钟。

　　2.2 预付费智能卡水表的控制系统

　　预付费智能卡水表的控制系统主要采用了 TI 公司的 MSP430F413 型单片机。MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器, 其中包括一系列器件, 它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。这些微控制器被设计为可用电池工作, 而且可以有很长使用间的应用, 平时可将 MPU 置于省电模式, 以中断方式唤醒。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗, 数字控制的振荡器(DCO), 可使器件从低功耗方式迅速唤醒, 在至少 6us 的时间内激活到活跃的工作方式。其控制系统包括 8 个模块, 实时时钟模块就是其中重要的一个。实时时钟必须遵循低功耗的原则。