基于MSP430的智能IC卡水表控制器

　　摘要：介绍了一种以MSP430单片机为控制核心的IC卡水表控制器的设计方案。将微控制器和4442卡技术、I2C总线技术、流量计量技术及低压检测技术等相结合，实现了水表管理的高效率和智能化。详细介绍了该控制器的基本结构及各模块的软硬件设计原理。样机试验表明该智能水表控制器具有功能完善、计量准确及通信可靠等特点。

　　关键词：IC卡水表；4442卡；I2C总线；MSP430

　　引言

　　随着IC卡应用的普及，利用IC卡实现“预付费方式”的水费管理成为可能。目前的电子水表按照抄表的方式主要可以分为网络式和分立式。由于在某些场合需要对旧的水表系统改造，如果采用网络式抄表方式需要进行抄表线路的铺设，这给施工带来很大的问题。而分立式的IC卡水表收费系统则无需考虑这一问题，这为管理部门和用户提供了极大的便利。

　　1 硬件电路设计

　　本控制器以MSP430单片机为控制核心。MSP430系列单片机是美国TI公司从1996年开始推向市场的一种16位RISC架构、超低功耗的混合信号处理器。电源采用1．8～3．6 V低电压、RAM数据保持方式下耗电仅0．1μA，活动模式下耗电250μA／MIPS，IO口漏电流仅为50 nA（一般单片机为1～10μA）。非常适合水、燃气、热、电表等电池供电设备的设计。单片机系统图如图1所示。系统整体电路方案如图2所示。

　　

　　1．1 IC卡接口部分电路设计

　　利用德国西门子SLE 4442卡与单片机进行通信，来完成对水表的控制、用户充值和查看水量等功能。IC卡接口电路便是IC卡与单片机连接的枢纽。本设计可兼容4442卡和T5557卡两种卡片。电路预留了单片机与IC卡的接口。可根据设计需要灵活选择卡片种类。SLE4442卡遵循I2C协议，读写时序与I2C相类似。

　　一般说来，IC卡只要直接和单片机相连即可以应用，但是为了使设计更加稳定，在IC卡与单片机之间增加一些电阻以达到保护的目的。另外IO口和卡到位检测需要上拉电阻，以保证其可以正常操作。在水表的标准中要求水表要有防静电的功能，所以在IC卡座的设计上，加上TVS管保证在遭受静电后，此IC卡座仍能正常工作。

　　1．2 E2PROM电路的设计

　　采用CAT24WC02芯片，它为2 Kb串行E2PROM，与400kHz I2C总线兼容，1．8～6．0 V工作电压范围，低功耗CMOS技术，具有写保护功能，当WP为高电平时进入写保护状态。页写缓冲器、自定时擦写周期为1 000 000编程／擦除周期，可保存数据100年。8脚DIPSOIC或TSSOP封装，温度范围分为商业级、工业级和汽车级。本系统利用存储芯片对水表中的数据进行存储。E2PROM中存储的数据掉电之后不丢失，这样就避免了由于掉电导致的数据丢失，可靠性较高。

　　1．3 电源检测电路设计

　　电源检测电路主要是用来检测低压，当电源电压过低的时候，通过低压检测电路检测到，进行相应的操作，避免出现不必要的错误。具体工作原理如图3所示，当PWR_CHECK_EN为高电平时，此电路工作，此时，Q9导通，Q8的基极为低电平，VBAT端一直为高电平，Q8导通，WR_ CHECK脚的电压为R17和R20分压得到。之后，PWR_CHECK端的电压作为MSP430内部ADC的输入端，和1．5 V的电源相比较得到比较结果，确定是否为低压。电容的作用是防止电压突变引起的AD采样错误。PWR_CHECK_EN端口设置主要是为了低功耗设计，低压检测需要一定的时间间隔，当不需要检测的时候此端口置高，以节省功耗。