一种IC卡水表的设计 - 全文

在我国，IC卡水表大约出现于20世纪90年代初期，经过10多年的快速发展已渐趋成熟。尤其是近几年，随着设计水平的提高及生产的规模化，在各大中城市中得到了越来越多的使用。

IC卡水表是集测控于一身的机电一体化产品，除了具备一般仪表所需的基本功能，还有其自身的特点。例如，对其必须采取防水防潮措施；再如IC卡水表必须具备低成本、低功耗、小外形及高精度的特点，即IC卡水表的四要素。在设计过程中必须基于此四要素进行设计，方能满足产品的实际应用要求。

1 IC卡水表的测控电路组成及软件设计

1.1 IC卡水表的测控电路组成

测控电路组成框图见图1。考虑到低成本的要求，本系统主要芯片采用AT89C2051-12PI、PCF8564及AT24C01等。

其基本工作原理为：采用事件触发机制，即通常不上电，因此耗电只是PCF8563的休眠状态消耗，约250nA左右[1]。彩三类事件触发方式，即干簧管吸合时发生的“计数事件"、进行卡操作时发生的“插卡事件”及预置于日历时钟芯片的定时醒闹时发生的“定时事件”。当发生此三类事件时，测控电路自行上电，按预置的工作过程进行处理，结束后自行断电。根据居民的用水情况，需要测控电路工作的时间一般每日约0.3秒～1分钟不等。考虑到低功耗要求，采用事件触发机制是科学合理的。有些设计采用液晶长期显示方式，虽然理论计算寿命时功耗要求能够得到满足，但根据我国的实际运作情况，无进行长期显示的必要，显然此设计方式不足取，除非电池特性要求如此，如采用锂亚硫酰氯电池时。

1.2 软件设计

基本的软件功能框图见图2。

依上述三类事件的工作，要求测控板启动工作工作状态，帮程序首先判断是哪类事件发生并细化类型后分别处理。例如卡操作事件情况下，再次判断是何种功能卡要求操作等。

由于小型化及低成本的要求，程序未采用冗余量较大的C语言，而采用汇编语言进行编制，使程序代码控制在2K字节[2]之内，故可选用小外形及低成本的单片机。

个别大中型城市推出了梯级水价，梯级水价的计算在日历时钟芯片及存储器芯片的基础上主要由软件完成。在现有国情下，真正的大面积执行尚需时日。在执行梯级水价导致软件量增加时，可选用AT89C4051-12PI及AT24C16甚或AT24C256等芯片满足要求，菘它所有硬件设计均可不作更改。

2 采样&供电模块的工作原理

采样&供电模块电路原理图如图3所示。在图3中，Q1及Q2组成开关电路，控制测控板的上电及掉电。当用水使GHG1吸合即发生采样事件时，则开始C1的充电过程，充电电流使开关组导通上电，完成采样计数功能。当继续用水使GHG2吸合时便使C1放电，以便下一次的采样事件发生时有效。如此设计可防止由于水压不稳定所致的GHG1的频繁吸放而误计。C1的另外一个作用是：即便GHG1长期吸合也可保持测控板处于失电状态，保证低功耗性能。C4的作用是抑制GHG1的机械抖动对计数的影响。C2的作用是在C1充满电而尚未放电期间遭到磁攻击时提供另一路触发脉冲，使测控板上电以便进行关闭阀门、记录磁攻击时间及次数等工作。经上述分析可见，C1、C2应尽量选用漏电流小的电容，以便提高模块的工作性能。

3 双电源设计

所谓双电源，即测控电路及阀门驱动各使用一组电池。经观察大量的实际测控板的电压波形发现，单电源供电情况下，在电机启动瞬间有时会出现电压下跳现象，一般达到1.5V100ms的程序，尤其是电池电量不太充足时更易发生。由于采用浮动电压工作方式，虽然有时系统仍正常工作，但此脉冲形式的干扰输入对控制系统的影响是不言而喻的。这不仅影响单片机及其它芯片的工作稳定性，而且将对电池造成严重损伤。电池电量充足时不易发生此类问题，大量安装使用几年后此问题将带来较严重的后果。

已有一些代表性厂家采用了双电源设计，但采取共地设计。这不仅很难彻底解决上述问题，甚至可能因两组电池电压不同步而导致危险情况发生。采取光耦隔离后测试，测控板电压在电机驱动时只有微小波纹叠加，即便电池电量不充足，也绝无电压跳变现象发生，保证了测控板工作的长期稳定性。虽然增加了材料成本，但降低了售后服务成本，提高了企业信誉度，总体效益是令人满意的。

4 阀门模糊控制器设计

4.1 模糊控制的必要性

随着计测准确度的提高，近年来设计人员开始更加注重测控的另一方面，即控制，如开始采用智能控制技术控制阀门、为保护电池使用寿命而采用电机的软启动技术等。虽然水表行业规定六年强检，但根据我国的实际运作情况，IC卡水表应具有更高的使用寿命方能体现产品的价值。目前功耗已非主要矛盾，电池自身的寿命基本决定了IC卡水表的使用寿命。现今而言更为关键的是，由于阀门的锈蚀导致驱动电流增大进而造成电池的损伤及阀门的失效，从而造成IC卡水表的失效。因为此瓶颈问题，大大降低了其使用寿命，甚至有些IC卡水表只使用两年左右便失效，大大低于预期寿命。此故障还将随着在役年限的增加越来越凸显。

近10年来，设计人员采用过如先导阀、磁力助推阀、不锈钢阀芯、陶瓷阀芯及润滑剂等，但效果不明显。亦有采用定时开关阀门的设计，即设时间间隔为D，如按六年使用寿命计算，则：

D=（2190E1）/E

式中，E——电池组2的总的可用电量；E1——开关一次阀门所需的电量。

此方法虽然在一定程序上可以缓解此问题，但因时因地不同所导致的阀门锈蚀程序是不同的，以一定之规去适应复杂变化的锈蚀情况显然是不科学的，不仅不利于合理使用有限的电量，而且势必造成一定的故障率。而锈蚀情况的数学模型是很难或不可能精确建立的，此种情况采用模糊控制理论往往可以取得令人满意的结果。

4.2 控制变量的确定

为了克服模糊算法计算量大这一缺点，采用了查表法进行模糊控制。即采用MATLAB模糊逻辑工具箱进行离线设计，得到符合控制要求的模糊控制表，存入系统的存储器中。

本研究以采集的电控阀的驱动电流值I与设定电流值Ig的偏差e=I-Ig及相邻两次偏差变化率ec为输入变量，下次开关电控阀的时间调整量U为输出变量，建立典型的双输入单输出PD结构模糊控制器，并利用模糊推理系统编辑器（FIS）对控制参量进行设定。

4.3 变量的模糊化

试验表明，驱动电流的安全范围在50～100mA之间，正常情况下，电控阀每10天左右开关一次可以保证阀门不锈蚀。本设计选择75mA作为驱动电流的给定值，选定10天作为给定驱动周期，在此基础上进行调整，调整范围设定为2～18天。则e的基本论域设定为[-25，25]，ec的基本论域也设定为[-25，25]，u的基本论域设定为[-8，8]。限于篇幅，具体设计过程此处从略。

经上述分析及两万多具在役IC卡水表的实际使用情况，可以得出如下结论：

（1）采用双电源可明显提高测控板的工作可靠性，保护电池并提高 IC卡水表的使用寿命及降低故障率。

（2）采用模糊控制技术可更加有效地使用有限电量并避免阀门锈死，彻底解决了IC卡水表使用寿命的“阀门瓶颈”问题。