基于RFID燃氣控制器裝置的設(shè)計
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石英春
（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖南長沙410200）
摘要：為了保證居民用氣的安全，提高燃氣公司的服務(wù)化水平，設(shè)計了一種基于RFID（無線射頻識別）存儲的燃氣控制器裝置。針對于單顯的燃氣表一旦電池失效或液晶失效后無法讀出表數(shù)據(jù)，因此無法對之前的燃氣用量進行追溯的問題，設(shè)計了無線射頻存儲單元，該單元的作用是保證在不打開燃氣表的基礎(chǔ)上，通過掌機的RFID讀卡模塊對該模塊供電，從而讀出氣表內(nèi)的數(shù)據(jù)。實驗表明，此控制器裝置在表計故障之時，可以達到可靠讀取數(shù)據(jù)的目的。
關(guān)鍵詞：無線射頻識別；燃氣控制器；設(shè)計
中圖分類號：TP文章編號：1006 - 2394( 2016) 04 - 0030 - 02
0 引言
隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，居民對燃氣的依賴性也越來越普及。燃氣行業(yè)通過多年來的快速發(fā)展，燃氣用戶數(shù)量越來越多。在這種情況下，燃氣計量可靠性對燃氣公司發(fā)展的影響越來越大。對于預(yù)付費的電子產(chǎn)品，一方面，在使用過程中，可能遇到電池沒電或者主控制芯片停止工作的情況，在這種情況下，保存在表中的數(shù)據(jù)不利于取出；另一方面，原有的脈沖式計量方式精度不高，這樣會給燃氣公司帶了很大的困擾，增加不必要的糾紛出現(xiàn)。
1設(shè)計思想
RFID燃氣控制器裝置是基于開發(fā)一款智能安保功能、實現(xiàn)精確計量、IC卡預(yù)付費的燃氣計量設(shè)備。由于當(dāng)前很多燃氣公司對于單顯的計量設(shè)備存在一旦電池失效或液晶失效后無法讀出表數(shù)據(jù)，無法對之前的燃氣用量進行追溯的顧慮，本文設(shè)計了一款基于RFID EEPROM的存儲單元。當(dāng)計量設(shè)備無法供電或液晶失效后，能夠在不打開燃氣表的基礎(chǔ)上，通過掌機
的RFID讀卡模塊對該模塊供電，從而讀出氣表內(nèi)的數(shù)據(jù)。
2硬件設(shè)計方案
燃氣控制器裝置采用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)由多個單元組成，分別是：MCU主控單元、RFID模塊單元、計量單元、存儲單元和IC卡預(yù)付費單元等。
2.1 MCU主控單元
MCU主控單元采用TI半導(dǎo)體公司（德州儀器）的16位430系列單片機，它具有極低的電源功耗，140μA/MHz，3.0 V，活動模式；它內(nèi)部資源豐富，帶有128 KB的FLASH存儲器，16位的定時器，內(nèi)部帶有液晶驅(qū)動器，并最多可以外接300段以上的液晶顯示；帶有3路硬串口，兩路SPI接口，帶有標(biāo)準(zhǔn)的JTAG升級接口和兩線制的簡化接口；寬電壓工作范圍：1.8~3.6 V；溫度范圍：-40℃~85℃�？刂破餮b置內(nèi)部組成框圖如圖1所示。
2.2 RFID模塊
該模塊的基本原理是利用一塊既有RFID無線通道，又有I2C通道的EEPROM芯片，平時通過I2C通道定時將氣表的氣量數(shù)據(jù)保存在該EEPROM芯片內(nèi)部，當(dāng)主板單元整個無法工作時，仍然可以通過RFID通道讀出氣表的氣量數(shù)據(jù)。
目前采用ST的M24LR04E-R的芯片方案，內(nèi)部空間512字節(jié)，支持13.56 MHz的HF和I2C雙通道操作，采用技術(shù)比較成熟的13.56 MHz的讀卡器設(shè)計，能簡單的將讀卡模塊集成到掌機中；缺點是由于頻率較低，天線設(shè)計尺寸會比較大。RFID模塊電路如圖2所示。
2.3燃氣計量單元及原理
計量采用隧道磁電阻傳感器的方式，推挽式雙極鎖存輸出，從而消除了輸出的抖動。超低功耗，在連續(xù)工作時，功耗小于3 μA;高頻率響應(yīng)可達1 kHz;器件在1.5～5.5 V之間均可工作。
將TMR傳感器安裝在位于氣表機械葉輪側(cè)面位置，氣體帶動該磁環(huán)旋轉(zhuǎn)。磁電阻傳感器位于磁環(huán)正上方，彼此成450，當(dāng)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)時，TMR1、TMR2輸出的信號如圖3所示。
具體的工作過程為：基表中環(huán)形磁鐵的N極靠近磁敏傳感器時，磁敏傳感器輸出低電平；當(dāng)環(huán)形磁鐵的S極靠近磁敏傳感器時，磁敏傳感器輸出高電平。兩個磁敏傳感器將采樣到氣量信息以方波信號的形式傳輸?shù)紺PU主控單元，微處理器通過接收來自兩個磁敏傳感器傳來的高低不同的電平信號，得到相應(yīng)的脈沖數(shù)，換算成相應(yīng)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，由此獲得相應(yīng)的氣量信息。
由于兩個磁敏傳感器相差一定的角度，使得在雙磁極環(huán)形磁鐵旋轉(zhuǎn)一周時，可以獲得8個磁場狀態(tài)量。當(dāng)氣表內(nèi)部機芯每旋轉(zhuǎn)一周，兩個磁敏傳感器共輸出一組8個狀態(tài)數(shù)據(jù)，即01、11、10、00、01、11、10、00;CPU主控單元將用量信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的存儲區(qū)進行累加，得到實際用水量的信息數(shù)值。
2.4 IC卡預(yù)付費模塊單元
l C卡部分采用I/O腳模擬SLE4428卡數(shù)據(jù)時序。為降低整機功耗，同時為防止IC卡插入過程中短路損壞卡片，IC卡控制單元平時不供電。IC_SW_OUT腳在定時喚醒器件輸出高電平信號，同時檢測l C -SW-IN信號，當(dāng)檢測到IC_SW_IN信號為低時，說明IC卡已插到位，此時控制IC_PWR_CTR腳拉低，IC卡控制單元開始供電。
3軟件設(shè)計方案
軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方案，將各個模塊的功能單獨封裝，以方便調(diào)試和檢查。主要包括計量模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、IC卡讀寫模塊等，各模塊的獨立設(shè)計保證了軟件良好的穩(wěn)定性和可移植性。采用C語言在IAR for MSP430集成環(huán)境中編輯、編譯連接、調(diào)試后，直接通過JTAG接口將程序下載到16位單片機中。軟件設(shè)計按照氣表每走整立方米氣量保存一次數(shù)據(jù)，EEPROM的擦寫次數(shù)在1，000，000次左右，能保證記錄10年以上數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計上無需多做考慮。
軟件整體框圖如圖4所示。
4結(jié)束語
在燃氣控制器裝置的設(shè)計開發(fā)過程中，目前經(jīng)歷了設(shè)計、樣機開發(fā)、樣機驗證等階段，各項功能指標(biāo)達到了設(shè)計要求，一方面在無電源供電的情況下，通過掌機的RFID讀卡模塊對該模塊供電，讀出氣表的流量數(shù)據(jù)；另一方面在計量的過程中，通過采用隧道磁電阻傳感器，使計量精度達到0. 000 1 m3。本文對存儲方式和計量方案進行了創(chuàng)新，采用既有RFID無線通道，又有I2C通道的EEPROM芯片；同時采用了非接觸的磁場檢測技術(shù)，可以了解到用戶的真實用氣情況。基于MSP430單片機的燃氣控制器裝置功能完備、操作方便、性能可靠，適合于在燃氣行業(yè)中廣泛的推廣和應(yīng)用。
