非接觸IC卡時間控制閥設計

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

時間控制閥是按照未來具體時刻對安裝在管道中閥門的開度進行控制的一種裝置。通過對閥門開度的控制,可以直接控制管道中介質的流量。目前,工業和民用領域所使用的控制閥的控制方式大多采用人工手動操作或自動操作方式。自動操作方式為4～20 mA直流信號或按照某種通信協議采用RS- 485數字信號的遠距離傳輸控制方式。這些控制方式適合工業生產中的控制系統實現自動化生產，其開度控制一般需要控制儀表或包含計算機板卡在內的工業計算機。

目前，我國在許多領域廣泛存在著需要用具體時間進行控制的控制閥。在這些領域，采用工業4～20 mA或遠程控制實現定時控制時，必須構建一個以計算機為中心的控制系統。這不僅提高了初期成本投入，還需要專業的工程技術人員進行定期維護，在一些使用場合用戶往往是不能接受的。采用人工按照固定時間手動操作方式必然增加人力成本且工作效率低下，已不能滿足時代的發展要求。非接觸IC卡時間控制閥采用刷卡方式將閥門打開時間、關斷時間及閥門開度寫入控制器。當控制器上的時鐘運行到設定好的時刻時,控制器發出指令驅動電機轉動，將閥門打開(關閉)到某一開度，達到控制流量的目的。

1 時間控制閥及其系統結構

控制器采用TI公司的MSP430F4152低功耗單片機作為控制芯片，使用復旦微電子公司的FM1702作為非接觸IC卡讀寫芯片、NXP的低功耗芯片PCF8563作為實時時鐘，其結構如圖1所示。

圖1 時間控制閥控制器結構圖

整個系統由一塊1 000 mA的3.3 V鋰電池供電。正常情況下，為節省功耗MSP430F4152處于掉電工作模式。用戶刷卡操作時通過靠近殼體的震動開關可喚醒MSP430F4152，喚醒后轉換為標準工作方式，完成對應IC卡讀寫后重新進入掉電工作模式。當PCF8563運行到設定好的閥門打開時間(關斷時間)時，PCF8563將產生一個中斷信號。該信號也可喚醒MSP430F4152為標準運行狀態。控制直流電機運行一定的時間段，將閥門驅動到指定開度。電機的運行時間與閥門設定開度成正比。系統上電后將對電機的最長運行時間(對應最大開度)進行測試并記錄。測試信號由閥門的最大行程限位開關與最小行程限位開關返回。這兩個限位開關動作的時間差被控制器記憶作為開度控制的參考值。MSP430F4152檢測到最大行程限位，開關閉合后使電機停止運行。在用戶進行刷卡操作時，定制的LCD向操作人員提示閥門的打開時間、關閉時間及開度信息。如果低電壓檢測芯片檢測到電源電壓降到2.5 V，控制器會驅動蜂鳴器連續發出三聲鳴叫，提示用戶更換電池。

2 非接觸IC卡的選擇及數據存儲結構

目前，市場上通用的非接觸IC卡分為13.56 MHz的高頻卡和125 kHz的低頻卡。高頻卡NXP全稱為Mifare1系列，常用的有S50和S70兩種型號，即智能卡行業所說的M1卡，目前都有國產芯片與其兼容[1]。低頻卡采用了多功能的非接觸式R/W辨識集成電路，該電路需要連接一個天線線圈作為卡上電路與讀卡器直接耦合的接口，天線和芯片一起構成感應卡片或標簽。由于M1卡與低頻卡相比具有數據存儲量大、讀卡速度快、感應天線不需要單獨制作等優點，目前逐漸占據了市場上的主要份額。

2.1 M1卡的數據存儲結構

目前，市場上使用的Mifare1卡容量為8 kB EEPROM，卡上數據按照16個扇區組織，每個扇區劃分為4個塊，每塊可存儲16 B[2]。數據的讀寫操作以塊(0～63)為單位進行。M1卡的組織結構如圖2所示。

圖2 Mifare1卡數據結構圖

每個扇區可獨立設置一組密碼進行訪問控制。每張卡出廠后具備了唯一的32位序列號，利用該序列號可區分多張不同的卡片。每個扇區的塊0～塊2用于存儲用戶數據，塊3用于存儲讀寫該扇區數據所用的密碼。需要注意出廠時扇區0的塊0用于存放廠商的代碼，該代碼已經固化，用戶是不可更改的。

2.2 時間控制閥的工作方式及卡上數據定義

時間控制閥的工作方式是按照預先設定好的未來時間對其開度進行操作的，其工作方式分為5種，如表1所示。

表1 時間控制閥的工作方式

在非重復工作方式下，只有時鐘運行到具體某年的某月某日某時某分時，控制閥才開始動作，屬于非周期工作方式。其他4種工作方式為周期工作方式，工作周期根據應用場合的不同可設置為每年、每月、每日或每小時。如果設定每日的開閥時間為上午7：00到9：00，必須將該時間段的工作方式設置為日重復工作方式，這樣可以保證閥每24 h動作一次。控制閥的動作時間與工作方式通過用戶卡對閥進行設定。IC卡上的數據事先由設置軟件通過讀卡器將設置數據寫入IC卡，控制閥完成IC卡數據讀取后，其工作方式、閥打開(關閉)時間及開度也就隨之確定。Mifare1卡上的1～15扇區用于定義控制閥不同時間段的打開時間、關斷時間、對應開度及工作方式。扇區0的塊1定義保證一卡一閥對應操作的閥序列號，塊2定義設置時間。扇區1～15的塊0定義閥打開時間，塊1定義閥關閉時間，塊2定義開度及工作方式及卡片類型。由于每個塊的存儲容量為16 B，開閥時間與關閥時間可按照時間格式的年、月、日、時、分、秒順序進行存儲。假如塊0以ASCII碼的格式存儲了“20140323232323”字符串，該字符串則定義了閥的打開時間為2014年3月23日23時23分23秒。開度占用3個字符，其范圍為“000”到“100”，分別代表開度為0%和100%，字符串“050”代表了開度為50%。工作方式代碼用1個字符來描述，即字符“1”到“5”代表了5種不同的工作方式。卡類型也用1個字符來描述，1代表時間卡，2代表設置卡，3代表用戶卡。假如某一扇區的塊2存儲了“0502300000000000”字符串，即該卡為一張控制開度為50%、工作方式為月重復工作方式的一張用戶卡。控制閥刷完該卡后,時鐘每月運行到設定的開閥(關閥)時刻(日、時、分、秒)時將按照相應開度進行操作。鑒于目前Mifare1卡可供使用的扇區為1～15，時間控制閥的開閥與關閥時間段最多可設置為15個。

3 時間控制閥的硬件設計

時間控制閥采用了TI的MSP430F4152單片機作為控制器，其供電范圍為1.8～3.6 V，在正常模式下其功耗為220 μA，標準模式下功耗為0.9 μA，掉電模式下功耗為0.1 μA。該芯片采用16位RISC架構，內部具有1個16位定時器，(16 kB+256 B)的Flash存儲器，7個數字I/O端口和一個能驅動144段的LCD驅動器[3-5]。MSP430F4152的外圍電路包括IC卡讀寫電路、實時時鐘電路、LCD及電機驅動電路。

3.1 非接觸IC卡讀寫電路設計

IC卡讀取芯片采用基于ISO 14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片FM1702SL。該芯片與MSP430F4152的接口采用SPI總線方式，通過其內部64 B的FIFO對IC卡上的數據進行讀寫操作。MSP430F4152通過FM1702SL提供的13條指令對IC卡上的數據進行讀寫操作[6]。FM1702SL對IC卡的讀寫過程包括尋卡、抗沖突、選卡、密碼驗證、讀寫操作幾個步驟。M1卡的具體讀寫電路如圖3所示。

圖3 Mifare1卡讀寫電路

3.2 時鐘電路設計

時鐘電路采用NXP的PCF8563T作為計時單元。MSP430通過IIC總線設定PCF8563的初始時間和報警時間，并在任何時刻讀取當前時間。當時鐘運行到設定好的報警時間時會產生中斷信號。MSP430在該中斷信號的觸發下驅動電機將閥打開到一定開度(或關閉)。MSP430每次打開或關閉閥門后需重新設定控制閥下一次動作的報警時間。實時時鐘電路如圖4所示。

圖4 時間控制閥的實時時鐘電路

3.3 電機驅動電路設計

控制閥的電機驅動電路如圖5所示。

圖5 電機正反轉驅動電路

用單片機的兩個I/O口作為正轉和反轉控制,通過三極管Q1～Q4可以驅動小功率直流電機的正反轉。當正轉引腳輸出低電平、反轉引腳輸出高電平時,電機正轉;反之如果正轉引腳輸出高電平、反轉引腳輸出低電平時,電機反轉。一旦時鐘運行到設置好的開閥(或關閥)時刻，控制器從休眠態轉換到正常工作狀態，驅動直流電機運行，帶動減速器旋轉，驅動球閥旋轉一定角度[7]。控制閥開度可通過控制電機的運行時間來確定，具體計算方法可以按式(1)進行：

控制閥運行時間=全程運行時間×控制閥開度

(1)

控制閥的全程運行時間指的是電機從控制閥的開度為0運行到開度為100%的時間。系統上電后,處理機給電機一個全程運行命令，全程運行時間等于電機運行過程中由前后兩個限位開關信號返回的時間差[8-9]。

4 時間控制閥軟件設計

系統上電后處理器首先發出命令使控制閥全程運行一個周期,記錄全程運行時間并使控制閥處于全關狀態，然后進入掉電休眠狀態以節省功耗。只有刷卡操作或PCF8563產生報警信號時系統才能被喚醒并進入標準工作模式，相應操作完成后處理機重新進入休眠狀態[10]。處理器由IC卡喚醒后執行流程如圖6所示。刷卡后處理器首先對卡的類型進行識別，如果是時間設置卡,則通過該卡對系統時間進行設置;如果是序列號,設置控制閥的唯一序列號;如果是用戶卡,則將卡上存儲的開閥時間、關閥時間、對應開度及工作方式寫入自身Flash等待讀取。PCF8563喚醒處理器時,處理器從Flash中讀取該時刻的開度;然后驅動電機運行對應該開度所對應的運行時間;電機運行結束后重新設置PCF8563的下一個報警時間。時間控制閥流程如圖6所示。

圖6 時間控制閥軟件流程

5 時間控制閥功能設置軟件設計

時間控制閥功能設置軟件主要通過計算機完成非接觸IC卡的讀寫操作，采用VB 6.0+Access 2007來完成。讀卡器選用明華公司的RF330，RF330通過USB接口與計算機連接。所有控制閥操作所需的IC卡初始設置由該軟件完成。設置項目包括IC卡加密、時間卡初始時間的設置、序列號卡的序列號設置、用戶卡工作方式及開(關)閥時刻、開度設置等。

6 結束語

時間控制閥采用以MSP430F415為核心，通過驅動FM1702SL讀卡專用芯片，實現了所有功能，使整個系統達到了很高的性價比。從長時間運行來看，該控制閥能夠滿足一般工業條件下的使用要求，具備了一定的實用性和可靠性，達到了預計效果。

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