基于NEC電子78K0/Lx3微控制器的智能水表方案

國(guó)內(nèi)的水表市場(chǎng)目前仍以機(jī)械表為主，但是從發(fā)展趨勢(shì)看來(lái)，智能水表的比例會(huì)越來(lái)越多。和傳統(tǒng)機(jī)械表相比，智能水表可以節(jié)約很多人工，同時(shí)提高抄表的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)階梯化收費(fèi)，更有效的利用有限的水資源。

　　為了節(jié)約成本，采用總線方式的智能水表較少，電源一般由水表自行提供，這就對(duì)水表的功耗提出了近乎苛刻的要求。按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，智能水表的靜態(tài)電流應(yīng)該小于30μA，實(shí)際中水表廠商都把該指標(biāo)控制在10μA以內(nèi)（使用干簧管傳感器時(shí)），保證工作時(shí)間大于6年以上才算合格。

　　在水表電路的微控制器中，NEC電子公司的78K0/Lx3系列以其卓越的功耗輕松滿足水表客戶的嚴(yán)格要求。并且內(nèi)部集成有很多實(shí)用模塊，比如RTC、LCD驅(qū)動(dòng)、LVI檢測(cè)及10位/16位AD轉(zhuǎn)換器等，可以很方便地幫助客戶快速構(gòu)建高性價(jià)比的解決方案。

　　78K0/Lx3微控制器介紹

　　NEC電子78K0/Lx3微控制器是高性能8位通用微控制器，采用NEC電子的78K0內(nèi)核，有48Pin～80Pin的多種封裝，內(nèi)置4Com/8Com模式的LCD驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)的LCD段數(shù)高達(dá)288段。

　　Lx3微控制器內(nèi)置高精度8MHz振蕩電路，并且可以通過(guò)寄存器去控制內(nèi)部振蕩電路的快慢。對(duì)于不需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的水表，可以節(jié)約成本，加快軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)度。如果需要使用RTC，則需要外接32.768kHz的振蕩器，可以輕松實(shí)現(xiàn)階梯復(fù)費(fèi)率水費(fèi)。

　　通訊方面，Lx3內(nèi)置有3路串行接口，并且內(nèi)置有曼徹斯特編碼器和遙控接收器兩個(gè)硬件模塊，在遠(yuǎn)傳及無(wú)線方面的多種選擇讓客戶輕松應(yīng)對(duì)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。

　　功耗方面，Lx3低于1μA的靜態(tài)功耗可以有效延長(zhǎng)電池使用壽命，而且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。1.8V～5.5V的工作電壓可以最大限度的使用電池能量。內(nèi)置的16級(jí)LVI模塊更是免去了客戶的后顧之憂，隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，一旦發(fā)現(xiàn)電池電壓下降過(guò)限，就立即通知用戶并存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　Lx3系列微控制器不但適用于測(cè)量表計(jì)，同樣也適合家用電器和數(shù)碼設(shè)備。

　　NEC電子水表解決方案

　　NEC電子水表方案采用NEC電子的78K0/Lx3微控制器，可以在微控制器內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，節(jié)省EEPROM芯片費(fèi)用。

　　功耗方面，通過(guò)各種節(jié)電措施，配合NEC電子低功耗的微控制器，在LCD常顯的情況下，整機(jī)達(dá)到3.8μA的超低功耗。智能水表方案見(jiàn)圖1。

　　● NEC電子水表方案的特點(diǎn)
　　NEC電子水表方案是卡表方案，支持多種讀寫(xiě)卡，通過(guò)卡座使用IIC協(xié)議與微控制器通訊。
　　具有的基本功能如下。
　　(1)基本計(jì)量功能：每0.1立方米寫(xiě)入一次數(shù)據(jù)。
　　(2)LCD顯示功能：顯示錯(cuò)誤信息、報(bào)警水量、剩余水量、透支水量等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。
　　(3)購(gòu)水管理功能：支持出廠預(yù)置、購(gòu)水、停水、水量查詢、抄表等功能。
　　(4)報(bào)警斷水功能：當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警水量時(shí)，閥門(mén)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，提示用戶購(gòu)水。如果剩余水量為0，閥門(mén)關(guān)閉，但是重新插卡后，可以在預(yù)置透支水量范圍內(nèi)繼續(xù)用水。如果用戶透支的水量達(dá)到預(yù)置透支水量，則關(guān)閉閥門(mén)斷水。

　　● NEC電子水表的特殊功能
　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：本方案的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩種方式，一種是使用EEPROM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另外一種是在NEC電子的Flash存儲(chǔ)器上可以實(shí)現(xiàn)EEPROM模擬功能，在NEC電子的微控制器內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，達(dá)到和EEPROM同樣的存儲(chǔ)效果。通過(guò)NEC電子提供的庫(kù)文件能夠方便實(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器的EEPROM模擬功能。
　　
　　節(jié)電功能：將EEPROM和卡座的供電電源關(guān)閉，使其處于睡眠狀態(tài)。NEC電子78K0/Lx3的LCD內(nèi)部分壓電阻阻值為60K左右，為了進(jìn)一步降低功耗，我們采用330K的外部分壓電阻。通過(guò)這些辦法，該水表方案在待機(jī)模式下，整機(jī)功耗保持在1.8μA。

　　攻擊防止功能：能夠判斷是否被攻擊，如果處于受攻擊狀態(tài)則關(guān)閉閥門(mén)。軟件上有很多處理，可以有效防止對(duì)微控制器的干擾。

　　透支水費(fèi)計(jì)量：如果因?yàn)橥獠抗艋驒C(jī)械故障等原因閥門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉，在用水時(shí)仍然計(jì)量透支水費(fèi)。

　　自動(dòng)除垢功能：每月自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)兩次，以防止長(zhǎng)期不使用的電機(jī)故障。

　　電池能力監(jiān)測(cè)：使用內(nèi)部的LVI模塊監(jiān)測(cè)電池電壓，電壓不足時(shí)及時(shí)報(bào)警，并關(guān)閉閥門(mén)，LCD上提示更換電池。

　　軟件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)軟件由主程序和中斷處理程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化的功能，然后定時(shí)查詢各標(biāo)志位，如果各標(biāo)志位都為0，進(jìn)入STOP待機(jī)模式。中斷處理程序包括LVI低電壓檢測(cè)中斷、水量脈沖測(cè)量中斷、卡檢測(cè)中斷，以及磁攻擊處理程序、LCD和看門(mén)狗處理程序。主程序流程見(jiàn)圖2。

總結(jié)與展望

　　NEC電子的水表方案在自編程EEPROM模擬方面，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以滿足水表用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。在功耗方面，完全能夠滿足對(duì)低功耗的苛刻要求，為綠色環(huán)保做出貢獻(xiàn)。

　　在本方案中暫時(shí)沒(méi)使用RTC模塊，但是從未來(lái)趨勢(shì)看，階梯式水費(fèi)和管理部門(mén)對(duì)水資源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)方面的需求會(huì)越來(lái)越多，RTC的使用是大勢(shì)所趨。在國(guó)外市場(chǎng)，RTC已經(jīng)是必需模塊。

　　內(nèi)置的曼徹斯特編碼器和遙控接收器，有助于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員在無(wú)線遠(yuǎn)傳方面進(jìn)行擴(kuò)展，無(wú)線抄表技術(shù)可以有效減少抄表工作量，而且對(duì)最終用戶的影響降到最小。在本方案基礎(chǔ)上稍加擴(kuò)展就可以完成無(wú)線水表的設(shè)計(jì)。