一種ic卡智能燃氣表的製作方法
2023-11-03 10:48:22
專利名稱：一種ic卡智能燃氣表的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種計量用燃氣表，尤其是涉及一種IC卡智能燃氣表。
背景技術：
IC卡燃氣表是傳統燃氣表技術與當今電子計算機技術相結合的高科技產品。與傳統燃氣表產品相比，主要優勢在於實現預付費功能。杜絕了傳統燃氣表產品在交付用戶使用過程中，由於各種非正常因素造成的氣量損失及氣款結算的過度滯後。該技術性能可靠，使用安全、方便，配合網絡化售氣管理系統，實現了售氣管理、用戶數據管理的自動化，成為燃氣計量產品智能化發展的方向。
早期IC卡燃氣表技術由於控制器硬體設計在核心器件選型上具有一定的局限性以及設計原理上的缺陷，普遍存在一些致命性問題，這些問題主要反映在以下幾個方面①靜態功耗大，造成用戶使用過程中短期內頻繁更換電池。②IC卡與控制器在數據通訊過程中易出現亂數、掉數及殺卡(IC卡鎖死)現象。③系統掉電及上電過程中易出現氣量丟失和亂數現象。④由於硬體結構設計不當，遇人為破壞時，易造成長通表問題。以上問題已成為幾年來IC卡燃氣表技術發展的頑疾，至今仍沒有一套完整有效的解決方案。
發明內容
本發明為了解決上述背景技術中的不足之處，提供一種IC卡智能燃氣表，其靜態功耗小，用戶使用過程中不需頻繁更換電池，不易出現亂數、掉數及IC卡鎖死現象，並能防止各種人為破壞性掉電而造成的系統紊亂及長通表問題。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為與現有技術相比，本發明具有的優點和效果如下一種IC卡智能燃氣表，其特殊之處在於包括單片機，單片機外圍分別連有液晶顯示及驅動單元、EEPROM數據存儲單元、IC卡讀、寫接口電路單元、信號採樣及磁保護電路單元、單片機掉電復位電路單元、閥門驅動電路單元、按鍵顯示電路單元、電源掉電檢測電路單元、電源低電壓檢測電路單元、單片機在線編程電路單元。
上述單片機外圍還連有升壓電路單元，升壓電路單元與電容低電壓檢測電路單元連接。
上述閥門驅動電路單元採用電晶體偶合放大電路，閥門採用機電一體化雙向無堵轉閥門。
上述單片機為FLASH型可重複編程單片機。
上述單片機的程序流程為①開始；②系統初始化；③主程序；④休眠模式；⑤中斷服務入口程序；⑥IC卡中斷服務子程序、流量脈衝處理中斷服務子程序、磁保護查詢處理子程序、按鍵顯示中斷服務子程序、電源低電壓中斷服務子程序、電源掉電中斷服務子程序、電容低電壓中斷服務子程序；⑦IC卡讀寫處理程序模塊、可擦除存儲器讀寫程序模塊、液晶顯示處理程序模塊、閥門開啟處理程序模塊和閥門關閉處理程序模塊、蜂鳴器報警處理程序模塊、升壓電路控制程序模塊。
與現有技術相比，本發明具有的優點和效果如下1、為保證系統微功耗，最大程度延長電池使用壽命，系統設計在單片機選型、「EEPROM數據存儲單元」、「液晶顯示及驅動電路單元」、「升壓電路單元」等部分都充分考慮到功耗問題，並提出解決方法，配合單片機軟體設計，將休眠時的I/O埠均置於最省電狀態。通過以上措施，本系統的實際靜態功耗為小於5uA，單節鋰電池的使用壽命理論上可達到5年以上，4節5#普通電池使用壽命可達到1年以上。產品實際使用中已達到上述指標要求。
2、針對IC卡與控制器在數據通訊過程中易出現亂數、掉數及殺卡(IC卡鎖死)的問題，該系統設計中通過防抖動技術和抗靜電技術，配合軟體設計中的數據傳輸校驗和IC卡誤碼計數終止思想，有效的解決了以上問題的提出。
3、針對系統掉電及上電過程中易出現氣量丟失和亂數問題，本系統將掉電檢測從低電壓檢測電路中分離出來，單獨判斷，並設計增加單片機掉電復位電路，以防止單片機由於零界工作電壓點所造成的系統掉數、亂數及易死機等問題，實際使用效果明顯。
4、對於由於硬體結構設計不當，遇人為破壞時，易造成長通表問題。主要表現在有些系統以電池盒的結構設計取代硬體電路設計中的大容量電容，當用戶更換電池打開電池盒蓋時，通過結構設計中的微動開關判斷是否有換電池的動作，這樣就必然存在長通表的問題；本系統設計採用小型超大容量電容，既不增加整表的結構設計難度，又可以圓滿解決系統掉電保護問題。
5、電路板優化設計電路板設計、布局是可靠實現硬體原理設計的關鍵。本系統在電路板設計布局中解決了前期產品設計中存在的缺陷，採取了許多有利於系統可靠性的有效措施，使得電路板布局更趨合理，在系統微功耗時的抗幹擾性大大增強，並考慮到產品生產、檢測環節中的工藝要求，使得生產、檢測過程中操作簡便、合理，最大程度提高生產效率，達到規模化生產要求。另外電路板設計中也充分考慮到產品售後服務、程序軟體升級換代的方便性和可操作性。
四
圖1為本發明的電路原理框圖；圖2為本發明的電路原理圖。
圖3為本發明的程序流程框圖。
五具體實施例方式參見圖1、圖2，包括單片機，單片機外圍分別連有液晶顯示及驅動單元、EEPROM數據存儲單元、IC卡讀寫接口電路單元、信號採樣及磁保護電路單元、單片機掉電復位電路單元、閥門驅動電路單元、按鍵顯示電路單元、電源掉電檢測電路單元、電源低電壓檢測電路單元、單片機在線編程電路單元，單片機外圍還連有升壓電路單元，升壓電路單元與電容低電壓檢測電路單元連接。以下對上述各功能單元分別描述如下1、單片機(MPU)單片機是控制系統的核心，所有信號的接收、處理、數據計算及控制指令的發出都由其完成。本系統選用美國微芯公司PIC系列新型單片機，此單片機採用微功耗納瓦技術，提供22個I/O埠，每個埠可提供25mA的驅動能力，4K~8K FLASH程序存儲空間，192Bytes的RAM，35條精簡指令集，內置WATCHDOG定時器，8個可由設置中斷優先權的中斷源，具有省電功能的休眠(SLEEP)模式，寬工作電壓範圍(2.0V~6V)，多種振蕩時鐘形式和電源管理模式的選擇，工業級環境要求設計，完全適合IC卡燃氣表產品的設計要求。
2、EEPROM數據存儲單元數據存儲器是用來存儲卡號、密碼、氣量、狀態標誌及用戶其他信息，它通過I2C通訊方式與單片機進行數據傳輸。本系統採用EEPROM存儲器，工作電壓1.8V~5V可選，該存儲器可將數據可靠存儲100年，並可進行10萬次有效擦除及寫入。此單元工作電源由單片機I/O埠控制，平時處於非工作狀態，以防止數據非正常改寫和節省系統功耗。
3、IC卡及讀寫接口單元IC卡是用來保存用戶信息、密碼、狀態標誌和購氣氣量的介質，同樣也是通過I2C通訊方式與單片機進行數據傳輸，對於用戶來說IC卡是一表一卡，它的密碼認證、氣量轉移是通過單片機來完成。本系統選用的是ATMEL公司的邏輯加密卡，該IC卡具有2級密鑰管理，4次誤碼記數限定，數據保存周期為100年，有效擦除及寫入次數為10萬次。本系統從使用範圍上可將IC卡分為「系統設置卡」、「氣量測試卡」、「數據回寫卡」、「用戶初始化卡」、「用戶購氣卡」等5種。
IC卡讀寫接口單元的設計選用高可靠性、長壽命卡座，保證數據讀、寫成功率，電路設計採用防抖動技術、防非法攻擊技術及抗靜電幹擾技術，以適合複雜人群使用環境和內陸乾燥環境的要求。
4、液晶顯示及驅動單元本系統採用液晶顯示器，可顯示9999.99m3的氣量信息和「保護」、「剩餘」、「欠量」、「關閥」、「低電」及「錯卡」等中文狀態提示信息。液晶顯示器平時大部分時間處於關閉狀態，以節省系統功耗，只有當外部按動顯示按鍵、插卡或有脈衝信號時，液晶顯示器才處於工作點亮狀態。驅動電路由單片機控制提供液晶顯示器需要顯示的段碼，具有72段(18×4)內部映射顯示存儲器，工作電壓範圍2.4V~5.2V，內部256KHz RC振蕩器，1/2或1/3偏置選擇及1/2、1/3或1/4佔空比選擇，三線串行接口，通過偏置電阻選擇LCD工作電壓，通過掉電指令降低驅動電路功耗。
5、信號採樣及磁保護電路單元此部分的功能主要是為單片機提供流量脈衝信號和磁保護電平信號，脈衝信號和磁保護電平信號的發出是由舌簧管完成，設計思想包括防抖動技術和磁保護信號有效性判斷技術，以消除誤扣氣和誤保護動作的頻繁發生。單片機在接收到有效磁保護信號後，將重要數據保存到EEPROM後，關閉閥門，發出報警顯示指令。
6、單片機掉電復位電路單元此單元主要是為了防止單片機工作電壓處於零界工作點(最低工作電壓附近)時，I/O埠有可能處於非正常狀態，以至於影響外圍電路產生誤動作，造成系統亂數、掉數和死機等問題。實現思想是當單片機工作電壓處於最低工作電壓以上某個點時，將單片機強行復位，以防止單片機I/O埠狀態紊亂和程序跳飛。此單元同時具有系統上電復位功能。
7、閥門驅動電路單元閥門驅動單元是指為閥門工作提供符合要求的電流和電壓。本系統設計採用電晶體偶合放大電路，可提供超過500mA的閥門驅動電流，閥門採用機電一體化雙向無堵轉閥門，可靠開、關動作大於5000次，正常工作電流低於50mA。單片機通過2個I/O埠向驅動電路發出開、關指令。驅動電路設計有輸入同「高」或同「低」狀態保護電路，防止狀態異常時損壞驅動電路。
8、按鍵顯示電路單元此單元的主要功能是向單片機發出顯示信號，單片機判斷為有效信號後，向液晶顯示驅動單元發出點亮指令，顯示系統內數據及狀態信息。設計思想主要為防抖動處理技術。
9、單片機在線編程電路單元系統設計選用的單片機為FLASH型可重複編程，利用此功能可以很方便地對單片機程序軟體進行升級換代，為產品的研製、生產和售後服務帶來極大的便利，同時相對於OTP型單片機由於軟體漏洞造成電路板整體報廢所帶來的損失，其優勢顯而易見。此單元電路採用2線編程，配合本系統獨特的轉換編程設計思想，不需昂貴專用編程設備，利用普通燒寫器即可可靠反覆編程。
10、電源掉電檢測電路單元該單元的功能是完成掉電信號的發出(更換電池等)，單片機在接收到有效信號後，會保存數據到EEPROM，同時關閉閥門，發出提示信息指令。防止各種人為破壞性掉電而造成的系統紊亂及長通表問題。
11、電源低電壓檢測電路單元該單元的功能是當電池電量不足時，向單片機發出電池低電壓信號，單片機在接收到有效信號後，保存數據到EEPROM，關閉閥門，發出報警顯示指令。
12、升壓電路單元當電源電壓為6V時，該電路可以省略。當電源電壓為3V時，該電路為系統提供5V的標準電源，升壓電路的工作由單片機控制，平時處於非工作狀態，以節省系統功耗，只有當超級電容內的電量不足或系統從休眠狀態喚醒時，才由單片機控制打開升壓電路為超級電容充電或進行正常的控制操作。設計思想的關鍵在於升壓電路有效工作時段的把握。
13、超級電容低電壓檢測電路單元超級電容的設計作用主要是為系統休眠時提供不低於某個電壓點的工作電源和系統掉電後工作電源。為保證超級電容中有充足穩定的電量，超級電容低電壓檢測電路必不可少，系統在休眠時、喚醒後及掉電後的工作都會有條不紊的可靠完成。
本發明主要技術參數1、電源電壓DC 3V×1或DC 1.5V×42、閥門工作電壓3-6V3、閥門工作電流30mA(平均)4、開、關閥時間≤1S5、靜態工作電流≤5uA6、環境溫度-25℃-60℃7、環境溼度≥90％參見圖3，IC卡智能燃氣表軟體部分的開發主要是根據硬體設計原理對單片機進行程序編程。該軟體的開發經過了多年來的版本升級，吸取了大量實際使用過程中的反饋信息，彌補了許多硬體設計中無法實現的要求，應用長期來的經驗沒計，解決了眾多實際使用過程中不可預料的問題。使得定型後的軟體運行思路清晰、可靠。該軟體的設計採用單片機彙編語言編程，程序結構模塊化，軟體性能穩定可靠，已達到規模化生產的要求。
程序模塊功能系統初始化系統初始化主要完成變量寄存器的定義，系統設置寄存器的配置，I/O埠控制寄存器和數據寄存器的設置以及一些單片機外圍功能模塊寄存器的定義。
1、主程序主程序主要完成的工作是系統自檢，各種復位狀態的判斷，對已定義變量寄存器的初始化賦值，查詢單片機外各功能模塊的輸出狀態，若狀態有效則調用相應的程序模塊；另外還包括確定開中斷的最佳時機和設置單片機休眠前的I/O埠的最省電狀態。該程序段的核心技術在於中斷開啟時機、復位類型的判斷及跳轉和I/O埠省電狀態的設置。
2、單片機休眠模式單片機休眠是指通過SLEEP指令使單片機處於睡眠模式，此時單片機所有埠狀態將會保持在休眠指令執行前的狀態，外部振蕩時鐘也會停止工作，從而將單片機功率損耗降低到最低點。只有當外部中斷產生和復位發生，才會將單片機從休眠狀態喚醒執行相應操作。利用此功能可大大降低系統的整體功耗，延長電池使用壽命。
3、中斷服務入口程序單片機從休眠模式喚醒後立即進入中斷服務入口程序，在此程序中判斷外部中斷源的位置，從而進入相應的中斷服務子程序控制完成該子程序所實現的功能。最後在退出中斷服務入口程序前將狀態寄存器的中斷標誌位清除並重新打開中斷。該程序段的重點在於中斷源的優先級設置思想，以避免中斷衝突所造成的隱患。
4、IC卡中斷服務子程序在此程序段要完成的工作是判斷IC卡的應用類型以完成相應卡的操作。本系統設計IC卡的應用類型分為以下5種格式系統設置卡設置出廠密鑰，表脈衝常數，清除氣量，並將以上參數保存到外部EEPROM存儲器中。
氣量測試卡生產檢測過程中用來模擬跑表的氣量卡，該卡中的氣量數據將覆蓋內存和EEPROM中的原有氣量數據。
數據回寫卡將EEPROM中的表密碼、用戶卡號、剩餘氣量、累計購氣量、累計消耗量和脈衝常數等數據反寫到IC卡中。另外該卡還包括數據轉移功能，即將用戶數據由一塊錶轉移到另一塊表中。
用戶初始化卡該卡的作用是將用戶密碼、已購氣量、用戶卡號等數據轉移到EEPROM中，並清除卡中的標誌位和反寫用戶密碼到卡中的主密碼區；之後此卡已自動轉換為用戶購氣卡，以備用戶下次購氣時使用。由於用戶密碼的唯一性，因此只有同一用戶使用相同的用戶卡，系統才得以確認，否則錯卡3次，IC卡將被暫時鎖死，這樣就達到「一卡一表」的設計要求。
用戶購氣卡用戶可重複購氣充值，並將充值後的氣量數據累加到表中剩餘氣量數據中，數據成功轉存後，系統將清除卡中購氣標誌，更改購氣次數，以備下次購氣使用。
5、IC卡中斷服務程序中要考慮的問題主要是由於IC卡屬於接觸型數據傳輸，且用戶插卡過程中，操作方式各異，拔卡過快、人為抖動等現象難以避免，這就要求處理程序儘可能在短時間內完成所有過程，以將錯卡、殺卡、數據傳輸有誤等現象降低到最低限度。另外在乾旱的內陸環境中使用IC卡，卡體本身所帶的靜電足以使單片機產生復位動作，造成系統功能紊亂，這也是此程序模塊中需要考慮的問題。該程序段的重點在於軟體防抖技術的使用，讀寫IC卡的速度處理技術，數據傳輸校驗技術以及防止IC卡硬鎖死技術等。
6、流量脈衝處理中斷服務子程序扣氣脈衝中斷設計採用單片機INT中斷，進入中斷後要完成的工作主要是扣氣處理，即在剩餘氣量中減去一個脈衝所代表的單位氣量值，並判斷剩餘氣量是否為零或低於告警氣量，以採取相應的保護提示措施；同時計算增加累計消耗量值。此程序段的重點是防抖技術的應用和磁保護有效性的判斷。
7、磁保護查詢處理子程序磁保護查詢是在脈衝中斷處理程序中完成，若狀態有效，則控制執行相應的保護操作。這種狀態查詢技術可以避免將磁保護作為中斷所造成頻繁誤保護的問題。
8、按鍵顯示中斷服務子程序該子程序主要是判斷是否有要求按鍵顯示的動作，若狀態有效，則打開液晶驅動電路顯示剩餘氣量、累計氣量和系統內的狀態提示信息。
9、電源低電壓中斷服務子程序電源低電壓是指當電池電壓低於設定下限時，程序控制保存數據，關閉閥門，並打開液晶顯示報警信息。此中斷程序沒有出口，即程序運行為死循環，循環顯示告警提示信息，以防止由於電池電壓抖動而造成的反覆開閥、關閥保護動作，這種動作的存在有可能造成由於電容充電不足，最終導致長通表問題。
10、電源掉電中斷服務子程序雖然該程序段的功能與電源低電壓中斷實現的功能相同，但採用不同的中斷源設計可以簡化硬體設計原理並提高系統運行的可靠性。
11、電容低電壓中斷服務子程序當超級電容電壓不足時，該子程序控制打開升壓電路為超級電容充電，並打開液晶顯示充電狀態提示，充電完成後程序控制關閉升壓電路和液晶顯示。其他程序模塊也會穿插調用此子程序，如電源低電、掉電程序模塊，以保證有足夠的能量驅動閥門工作。
12、IC卡讀寫處理程序模塊IC卡讀寫程序主要是根據IC卡的讀寫時序進行數據的傳輸。重點技術在於儘量縮短讀寫時間，防止由於用戶拔卡過快而造成的掉數、亂數和錯卡問題。
13、可擦除存儲器讀寫程序模塊該程序模塊的工作是對外部EEPROM存儲器進行數據的讀寫。由單片機控制EEPROM工作電源，節省系統功耗。讀寫過程中的數據校驗是本程序模塊的核心。
14、液晶顯示處理程序模塊根據需要顯示的數據和狀態標誌，調用查表子程序，找出對應的顯示段碼，寫入液晶驅動器映射單元，由驅動器點亮液晶顯示器，以完成要求顯示的數據狀態信息。該程序段包括多種顯示技巧，如滾動顯示、局部閃亮、刷新技術等。
15、閥門開啟處理程序模塊和閥門關閉處理程序模塊主要完成閥門的開、關動作，為保證閥門開關的可靠性，程序設計採用分段多次開、關技術，同時採用控制輸出埠狀態組合分析，保證閥門驅動電路不被損壞。
16、蜂鳴器報警處理程序模塊該程序模塊被多個其他程序模塊調用，配合系統內的狀態組合，使蜂鳴器發出報警聲。
17、升壓電路控制程序模塊升壓電路主要是在主程序入口、休眠喚醒和超級電容低電時使用，為滿足不同功能的需求，升壓電路開啟的時間長短有一定的技巧性。
權利要求
1.一種IC卡智能燃氣表，其特徵在於包括單片機，單片機外圍分別連有液晶顯示及驅動單元、EEPROM數據存儲單元、IC卡讀、寫接口電路單元、信號採樣及磁保護電路單元、單片機掉電復位電路單元、閥門驅動電路單元、按鍵顯示電路單元、電源掉電檢測電路單元、電源低電壓檢測電路單元、單片機在線編程電路單元。
2.根據權利要求1所述的一種IC卡智能燃氣表，其特徵在於所述單片機外圍還連有升壓電路單元，升壓電路單元與電容低電壓檢測電路單元連接。
3.根據權利要求2所述的一種IC卡智能燃氣表，其特徵在於所述閥門驅動電路單元採用電晶體偶合放大電路，閥門採用機電一體化雙向無堵轉閥門，
4.根據權利要求3所述的一種IC卡智能燃氣表，其特徵在於所述單片機為FLASH型可重複編程單片機。
5.根據權利要求4所述的一種IC卡智能燃氣表，其特徵在於單片機的程序流程為①開始；②系統初始化；③主程序；④休眠模式；⑤中斷服務入口程序；⑥IC卡中斷服務子程序、流量脈衝處理中斷服務子程序、磁保護查詢處理子程序、按鍵顯示中斷服務子程序、電源低電壓中斷服務子程序、電源掉電中斷服務子程序、電容低電壓中斷服務子程序；⑦IC卡讀寫處理程序模塊、可擦除存儲器讀寫程序模塊、液晶顯示處理程序模塊、閥門開啟處理程序模塊和閥門關閉處理程序模塊、蜂鳴器報警處理程序模塊、升壓電路控制程序模塊。
全文摘要
本發明涉及一種IC卡智能燃氣表，其靜態功耗小，用戶使用過程中不需頻繁更換電池，不易出現亂數、掉數及IC卡鎖死現象，並能防止各種人為破壞性掉電而造成的系統紊亂及長通表問題。本發明包括單片機，單片機外圍分別連有液晶顯示及驅動單元、EEPROM數據存儲單元、IC卡讀、寫接口電路單元、信號採樣及磁保護電路單元、單片機掉電復位電路單元、閥門驅動電路單元、按鍵顯示電路單元、電源掉電檢測電路單元、電源低電壓檢測電路單元、單片機在線編程電路單元。
文檔編號G07F15/00GK1670489SQ20051004193
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月11日 優先權日2005年4月11日
發明者聶健, 陳渝 申請人:西安華豐投資發展有限公司