基于MSP430單片機(jī)的新型智能IC卡天然氣表設(shè)計(jì)

摘要：為了提高天然氣表的計(jì)量精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量的目的，采用靶式流量計(jì)作為信號采集模塊，通過測量水流中產(chǎn)生連續(xù)壓力信號的方法測量水流量，基于MSP430單片機(jī)開發(fā)了一種低功耗新型智能IC卡天然氣表。該設(shè)計(jì)具有始動(dòng)流量小、計(jì)量精度高、功耗低，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，對于提高天然氣表的計(jì)量精度，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴計(jì)量具有重要意義。
關(guān)鍵詞：智能天然氣表；靶式流量計(jì)；MSP430；點(diǎn)滴計(jì)量

0 引言
    隨著單片機(jī)技術(shù)的日趨成熟，在新型天然氣表的開發(fā)設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)技術(shù)，開發(fā)智能型天然氣表已經(jīng)成為一種趨勢。傳統(tǒng)智能天然氣表的設(shè)計(jì)思想為：將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電子信號，通過數(shù)據(jù)采集接口傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)來控制特制閥門的開閉。其中的關(guān)鍵技術(shù)是通過脈沖傳感將機(jī)械計(jì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如霍爾傳感器、光電傳感器、干簧管傳感器、韋根傳感器、渦輪傳感器等。脈沖傳感器在信號變換和累計(jì)過程中易受外部機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾、電源等因素影響，使系統(tǒng)計(jì)量精度受到限制，難以精確計(jì)量，測量結(jié)果誤差較大。
    本文提出了一種采用靶式流量計(jì)通過測量靶的壓力來測量流量，基于MSP430單片機(jī)的低功耗智能IC卡天然氣表的設(shè)計(jì)方法。采用MSP430 F413單片機(jī)作為中央處理器對靶式流量計(jì)采集的信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)用氣量計(jì)量、總用氣量累計(jì)、月用氣量統(tǒng)計(jì)、天然氣費(fèi)計(jì)算與管理(報(bào)警金額、基礎(chǔ)用氣量、計(jì)劃用氣量)，以及閥門控制等功能。

1 低功耗智能天然氣表的工作原理及功能
    新型智能天然氣表采用低功耗、高性能單片機(jī)處理器，配以家用天然氣表，采用靶式流量計(jì)測量流量的方式自動(dòng)計(jì)量用戶用氣量，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)、后用氣”的預(yù)付費(fèi)控制功能。它可預(yù)置關(guān)閉閥門時(shí)門限氣量，當(dāng)剩余氣量等于規(guī)定的關(guān)閉閥門報(bào)警氣量時(shí)，將自動(dòng)切斷用戶天然氣，給用戶提示，并允許插卡恢復(fù)供天然氣。當(dāng)剩余氣量為零時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門。若允許用戶透支，則插卡恢復(fù)用氣直至使用完透支氣量后才關(guān)閥。用戶每次將購氣卡插入表后，天然氣表LCD顯示剩余氣量、累計(jì)用氣量、天然氣表狀態(tài)等相關(guān)信息，并將這些信息返寫到購水卡中，以供售水管理系統(tǒng)入庫、查詢。同時(shí)還對電源、表殼安全等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并進(jìn)行相應(yīng)的安全處理。

2 低功耗智能天然氣表控制系統(tǒng)硬件的組成
    新型天然氣表的控制系統(tǒng)組成如圖1所示，主要分為以下幾個(gè)部分：主控CPU、靶式流量計(jì)、信號放大電路、閥門控制系統(tǒng)、IC卡通信系統(tǒng)、電源監(jiān)控系統(tǒng)、液晶顯示、安全監(jiān)控及聲音報(bào)警等子系統(tǒng)。

2．1 MSP430F413單片機(jī)簡介
    MSP430F413是美國TI公司推出的超低功耗FLASH型16位RISC指令集單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)外圍，是一款性價(jià)比極高的單片機(jī)。MSP430單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：
    (1)低電壓、超低功耗。MSP430 F413單片機(jī)在1．8～3．6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，其工作電流根據(jù)工作模式的不同在0．1～400μA之間。
    (2)強(qiáng)大的處理能力。MSP430F413單片機(jī)采用RISC指令集，27條內(nèi)核指令，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；有較高的處理速度。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。
    (3)豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430F413具有FLL+(頻率鎖相環(huán))時(shí)鐘系統(tǒng)，看門狗，帶有三個(gè)捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器(Timer-A)，片內(nèi)比較器，96段LCD驅(qū)動(dòng)器，48個(gè)通用I／O引腳，并且端口P1和P2具有中斷能力，每一引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸沿、單獨(dú)允許中斷。MSP430F4 13集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。
    (4)高效的開發(fā)方式。MSP430F413具有FLASH存儲(chǔ)器JTAG接口，支持在線仿真和編程，能夠利用仿真器實(shí)現(xiàn)程序的在線調(diào)試與下載。MSP43 0F413為工業(yè)級的，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～+85℃，因此很適合作為便攜儀表和水、電表的主控芯片。
2．2 流量檢測電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)流量檢測單元采用靶式流量計(jì)，通過測量裝在天然氣管道中靶所受到的壓力來計(jì)算天然氣的流量。主要包括靶式流量計(jì)、壓力測量、信號放大與A／D轉(zhuǎn)換四部分。
2．2．1 靶式流量計(jì)
    圖2是靶式流量計(jì)的工作原理圖。這種流量計(jì)是在管道中裝設(shè)一圓靶用為節(jié)流元件，靶置于管道中央，靶的平面垂直于天然氣的流動(dòng)方向。當(dāng)天然氣流過時(shí)，靶上就受到一個(gè)推力的作用，其大小與通過的流量成一定函數(shù)關(guān)系，通過測量推力F即可確定流量值。其函數(shù)關(guān)系式為：
   
    式中：qv為通過管道的氣體體積流量(單位：m3／s)；Ka為靶式流量計(jì)的流量系數(shù)；D為管道內(nèi)徑(單位：m)；β為靶的結(jié)構(gòu)系數(shù)，β=d ／D；d為圓靶外徑(單位：m)；F為靶板上所受到的推力(單位：N)；ρ為氣體介質(zhì)的密度(單位：kg／m3)。

2．2．2 壓力測量
    壓力傳感器種類較多，本系統(tǒng)中采用的是由四個(gè)電阻式應(yīng)變片組成的全橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

    工作中四個(gè)橋臂阻值都隨被測壓力的大小而變化，即R1+△R1，R2+△R2，R3+△R3，R4+△R4。根據(jù)電路中電流、電阻、電壓的關(guān)系不難得出下面的計(jì)算公式：
   
    由式(2)可以看出若要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足：
    R1R3=R2R4       (3)
    根據(jù)式(3)，如果適當(dāng)選擇各橋臂電阻值，可使輸出電壓與被測量引起的電阻變化量有關(guān)。如果選R1=R2=R3=R4=R0；△R1=△R2=△R3=△ R4=△R，電橋輸出電壓值Uy為：
   
    經(jīng)放大電路放大后送給單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的壓力值。
2．2．3 放大電路
    壓力傳感器輸出的電壓信號較微弱，當(dāng)壓力范圍在0～4 kg時(shí)，輸出電壓范圍僅為0～6 mV，這樣的微弱信號單片機(jī)難以處理，需要將其放大到0～Vcc(電源電壓)范圍內(nèi)才最有利于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與計(jì)量。由于本系統(tǒng)是3．6 V鋰電池單電源供電，因此運(yùn)算放大器的選擇必須滿足低電壓、單電源供電、滿幅輸出的要求。本系統(tǒng)中利用低成本、低電壓、超低功耗的普通集成運(yùn)算放大器構(gòu)成同相串聯(lián)差動(dòng)比例放大器，電路原理圖如圖4所示。

    該放大電路有著較高的增益和較低的輸入阻抗，根據(jù)圖4中參數(shù)，該放大器的增益為：
   
    經(jīng)過測試此電路線性度、零點(diǎn)漂移、功耗等均能滿足本系統(tǒng)的的要求，而且成本較低，僅約為儀表集成運(yùn)算放大器的1／10。
2．2．4 單斜邊A／D
    本系統(tǒng)中的傳感器采集到的信號為模擬量電壓值，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號。MSP430F413型微處理器內(nèi)部沒有集成A／D，但集成了高精度比較器A，配合一些簡單的外圍電路可以實(shí)現(xiàn)單斜邊A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到10位或12位A／D轉(zhuǎn)換器的精度。單斜邊A／D原理如圖5所示。

    直流信號Vin輸入到比較器正向輸入端，R和C組成一個(gè)充電回路，電容器的充電壓Uc輸入比較器反向輸入端，K為電容器放電開關(guān)。當(dāng)電壓Uc比待檢測的信號電壓Vin低時(shí)，從比較器的輸出端檢測到高電平；當(dāng)電壓Uc比待檢測的信號電壓Vin高時(shí)，從比較器的輸出端檢測到低電平。因此，在比較器輸出端出現(xiàn)下降沿瞬間，Vin和Uc正好相等。而Uc的值可以由充電公式計(jì)算出來：
   
    式中：Vcc，R，C這3個(gè)參數(shù)已知，只要測量出Uc=Vin所需要的充電時(shí)間t，就可以計(jì)算出待測信號電壓Vin。充電時(shí)間t可以用單片機(jī)中的定時(shí)器來測量。
2．3 IC卡讀寫
    IC卡具有存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、操作速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用IC卡作為用戶識別和用戶購買用氣量的標(biāo)志，采用符合ISO7816國際標(biāo)準(zhǔn)的邏輯加密存儲(chǔ)卡。本系統(tǒng)IC采用P1端口的部分口線作為I／O線與IC卡進(jìn)行通信，接口電路如圖6所示。

    從安全性和降低功耗方面進(jìn)行考慮，IC卡的電源和時(shí)鐘是受單片機(jī)控制的，在IC卡未插入卡座時(shí)，不給卡座供電，同時(shí)不輸出時(shí)鐘信號；在IC卡插入卡座后，產(chǎn)生一個(gè)信號，并產(chǎn)生中斷喚醒CPU，CPU控制IC卡電路工作，在檢測到IC卡及認(rèn)證、校驗(yàn)密碼通過后將IC卡中的購買用氣量讀入，與當(dāng)前剩下的余量相加后存入單片機(jī)的FLASH存儲(chǔ)器中，并將累計(jì)用氣量、剩余氣量、報(bào)警氣量(噸位)、天然氣表當(dāng)前狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)回寫到IC卡中，同時(shí)啟動(dòng)LCD顯示電路。
2．4 閥門控制
    閥門控制是天然氣表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感的部分，如果關(guān)啟閥門的可靠性差，將會(huì)給供水部門帶來很大的問題。本系統(tǒng)采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓為3 V，工作時(shí)電流僅50 mA。利用直流電機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來控制閥門的開啟和關(guān)閉。利用MSP430F4 13單片機(jī)的P2．2口和P2．3口來控制閥門的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，通過內(nèi)部的兩個(gè)行程開關(guān)來檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行信號反饋。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到位時(shí)，程序檢測到信號并停止給電機(jī)供電，這樣即有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問題，又把電機(jī)通電時(shí)間減到最小，從而做到降低功耗的目的。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、用氣量處理子程序、閥門控制子程序、低壓處理子程序、安全處理子程序、IC卡處理子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中斷子程序、LCD顯示子程序、報(bào)警子程序等。由于篇幅所限，圖7中僅給出了主程序流程圖。

    為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)功能子程序均采用中斷方式，每隔1 s數(shù)據(jù)采集子程序和用氣量處理子程序進(jìn)行實(shí)時(shí)用氣量采集并進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)語
    本文提出的低功耗智能IC卡天然氣表系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)控制，通過靶式流量計(jì)測量流量，采樣信號為模擬信號，本系統(tǒng)具有始動(dòng)流量小、計(jì)量精度高、功耗低，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。MSP430超低功耗的特點(diǎn)使得一節(jié)2 AhAA電池供電可以正常工作5～10年。此外，本系統(tǒng)還充分考慮元器件的選擇與設(shè)計(jì)功能的性價(jià)比關(guān)系，可以應(yīng)用于實(shí)際。采用本文方法建立的低功耗智能天然氣表將是目前智能天然氣表大家族中新成員，將具有廣闊的應(yīng)用前景。