基于射频卡燃气表的设计.docx

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基于射频卡燃气表的设计

基于射频卡燃气表的设计

摘要为适应国家用天然气制度的改革，研究和利用现代化智能技术对天然气实行自动控制，减轻供气管理部门因“先供气后收费”造成的资金压力，减少每月抄表、收费所带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代化科学技术手段改变供气管理体制的落后现状，势在必行。

基于射频卡的智能气表不但可以提高供气部门的工作效率，而且在技术上为节约用气、合理用气创造了条件，由于这些特点，基于射频卡的智能气表得到了越来越广泛的应用。

本论文以基于射频卡的智能气表系统为研究对象，重点探讨了基于MSP430超低功耗单片机在智能气表上的应用和开发。

根据智能气表的特点，针对现有射频卡预付费燃气表在实际应用中存在的问题，研究了一个基于射频卡的预付费智能气表的设计方案，该方案采用微功耗单片机技术，选用美国德州仪器公司最新推出的16位MSP430系列单片机，完成了基于射频卡的气表的样机制作和软件编程，具有稳定性、安全性和低功耗的特点。

在控制器的软硬件设计中，介绍了控制器的硬件结构，制定了密钥存储和分发方案，保证了数据传输的安全。

关键词：

射频卡MSP430单片机低功耗智能气表

第一章绪论

1.1引言

为适应国家使用天然气制度的改革，研究和利用现代化智能技术对天然气实行自动监控，减轻供气管理部门因“先供气后收费”造成的资金压力，减少每月抄表、收费所带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代化科学技术手段改变供气管理体制的落后现状，势在必行。

智能化天然气表的推广，不但可以提高供气管理部门的工作效率实现了用气收费的电子化，而且在技术上为节约用气，合理用气创造条件。

射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合合实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术[1]。

经过九十年代的快速发展，射频识别技术现己涉及到人们生活的方方面面，并且有着广阔的应用前景。

目前，国内的射频卡制卡技术及其相应的读写设备内核技术，仍处于落后状态，这极大地制约了我国射频识别技术的发展。

因此，对射频卡天然气仪表的研究是一件十分有意义的事情。

本论文以射频卡天然气表系统为研究对象，重点探讨了基于MSP430F413型超低功耗单片机在低功耗智能仪表上的应用与开发。

论文首先提出利用射频卡技术智能天然气表系统的总体设计方案；然后系统地介绍了以MSP430F413单片机为核心的智能仪表控制系统的组成特点及各部分功能，设计了系统控制的硬件电路结构和研究了软件控制流程的实现，采用软硬件结合的方法，对系统的低功耗、抗干扰性设计及安全性问题作了一定的分析与研究；最后，对系统尚存在的问题及进一步开发和完善的内容和方向进行了探讨。

1.2课题研究的背景及意义

长期以来，我国城镇居民所使用的天然气仪表普遍是机械旋转式仪表，这种仪表价格低，性能比较稳定。

然而随着社会的发展，面对高层建筑和生活小区等，传统仪表的不足之处便充分暴露出来。

首先，抄表人员要频繁往来于每个用户家里读表，工作量大；其次，用户正常的生活将受到干扰，并可能给犯罪分子有机可乘；此外，由于部分用气单位和个人种种原因所造成的费用拖欠的问题等，也一直困扰着各供气公司。

在经济科技日益发达的今天，为促进企业事业单位等节约用气，保证居民生活用气的需要，节能型、实用型智能仪表的研制与开发成为社会所需。

随着我国电子信息业的迅速发展，无论是用户还是供气管理部门都迫切需要现代化管理手段的介入，这给供气部门在用气管理规范化、自动化和收费网络化方面提出了新课题，从而推动了燃气费用管理的电子化，信息化和网络化。

目前国内的很多仪表生产厂家都在进行产品新型化的探索，大部分采用单片机技术，智能仪表系统的实用性研究已成为当前仪表行业的热点之一[2]。

1.3国内外仪表发展现状和新技术

1.3.1国内外仪表发展现状

面向二十一世纪中国供水、供气、供电事业的发展目标是按照中国建设部21世纪的远景规划，在国内实现小康住宅水电、煤气、纯净水、热水全部信息出户，彻底填补国内供水供电供气计量及管理方面的空白，打破国内供气、气体计量管理落后的局面。

其中气表系统的智能化可以大大提高供气管理部门的工作效率，节约费用，还能为加强天然气使用的监督管理提供有效措施，从而在技术上为节约用气，合理用气创造条件。

我国目前的天然气仪表新产品的开发，基本上借鉴国外的先进模式，因为国外在这方面的研究设计起步比较早。

国内的生产仪表的企业也对一些智能化的仪表作了研究，但在低功耗和可靠性能等方面没有达到很好的预期效果，并没有大量的推广普及应用[3-4]。

从国外仪表行业的目前情况以及天然气资源的可持续发展的目标来看，我国传统天然气的生产必须进行改进，才能适应当前社会和经济发展的需要，才可在日后的市场竞争中占有一席之地。

1.3.2国内外天然气仪表的新技术

随着现代微电子技术的迅猛发展以及单片机技术的日趋成熟，在新型天然气仪表的开发设计中采用单片机技术，以单片机为处理核心单元实现流量数据的采样与累加已经成为一种趋势，普遍的设计思想为：

将机械信号转化为电子信号，通过数据采集接口传递给单片机，由单片机来控制特制气阀的开闭；同时单片机外接显示电路、功能键盘、通讯接口、掉电保护装置等，来完成各种辅助的功能。

关于机械转动转化为电信号的方式有多种，较为常用的如采用光电旋转码盘，以及利用气流冲击叶轮旋转，引发传感器上的磁场变换而产生电信号，因为产生的信号往往比较微弱，需要用放大电路进行信号放大。

目前新型的天然气仪表的开发研制，都遵循计量准确、读数直观、低功耗、数据安全性的原则。

关于计量准确和低功耗，一般涉及到的元器件的选用、软件的编制、信号传输、掉电保护以及抗干扰等许多问题；关于读数的直观问题，考虑到LED显示功耗较大、电路连接复杂及使用寿命等因素，一般都采用LCD液晶显示，具有良好的性价比，关于数据安全性的问题，一般来讲智能卡燃气表系统的准确性、可靠性和安全性主要体现在智能卡的密码安全性、数据加密以及读写智能卡的控制系统动作可靠性等方面。

1.4本课题的主要任务

从上述新型智能气表的发展趋势可以看出，基于嵌入式智能系统的燃气表是目前解决传统天然气仪表缺陷的一种较好的解决方案，比较符合我国目前的国情。

本课题的主要任务是利用德州仪器（TI）公司超低功耗单片机MSP430F413作为主控芯片，开发了一种基于射频卡技术的低功耗智能天然气仪表系统。

MSP430系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点，具有处理能力强、运行速度快、功率低等优点，除具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。

采用这样的设计方案可以使本系统具有较低的功耗和较高的集成度，极大地提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时，对于其他领域中采用IC卡预付费技术的应用更具有一定的借鉴意义。

在这样的框架结构和设计思想的指导下，本文主要的研究内容如下：

①射频卡识别系统简介

②MSP430系列单片机

③液晶显示和防拆表电路设计

④主程序及初始化模块的软件设计

⑤射频卡读写模块的软件设计

⑥液晶显示模块的软件设计

第二章射频卡识别系统简介

2.1射频识别系统原理

从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。

1948年哈里斯托克曼发表的《利用反射功率的通信》奠定了射频识别技术的理论基础。

射频标签与读卡器之间的电磁耦合包含两种情况[5]:

一种情况是电感祸合。

在电感耦合方式中，读卡器的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签的天线相当于变压器的次级，因而也称电感耦合方式为变压器方式。

电感耦合方式通过空间磁场实现祸合，耦合磁场在卡器线圈（初级）与射频标签线圈（次级）之间构成闭合回路。

电感耦合方式是低频段近距离无接触射频识别系统的耦合方式。

另一种情况是电磁耦合方式。

在电磁耦合方式中，读卡器的天线将读卡器产生的射频信号以电磁波的方式定向发送到空间范围内，形成读卡器的有效阅读区域，位于读卡器有效阅读区域中的射频标签从读卡器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息传送到读卡器。

电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中读卡器将射频信号以电磁波的形式发送出去;在电感耦合方式中，读卡器将射频信号束缚在读卡器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通读卡器天线与射频标签天线之间的射频通道，而没有向空间辐射电磁能量[6]。

本论文中研究的射频读卡器中心频率工作在13.56MHZ，所操作的标签属于无源标签[7]。

读卡器产生的射频信号通过天线辐射出电磁场，这种磁场穿过天线横界面和周围的空间。

当标签处于磁场中的时候，通过电感耦合，标签的天线线圈上产生一个电压，从而使得标签获得了工作电源。

论文中研究的射频识别系统属于“一问一答”系统，即只有在接收到读卡器发出的命令以后，标签才给出响应。

2.2射频识别系统模型

射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型:

数据交换是目的；时序是数据交换的实现方式;能量是时序得以实现的基础。

下面以此三种事件模型的描述来介绍射频识别系统的典型工作方式与工作流程。

（1）能量

阅读器向射频标签供给射频能量。

对于无源射频标签来说，其工作所需的能量即由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存在标签中电容器里）;对于（半）有源射频标签来说，该射频能量的到来起到了唤醒标签转入工作状态的作用。

完全有源射频标签一般不利用阅读器发出的射频能量，因而阅读器可以较小的能量发射取得较远的通信距离。

（2）时序

对于双向系统（阅读器向射频标签发送命令与数据、射频标签向阅读器返回所存贮的数据）来说，阅读器一般处于主动状态，即阅读器发出询问后，射频标签予以应答，称这种方式为阅读器先讲方式。

另外一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件后，首先自报家门，阅读器根据射频标签的自报家门，进行记录或进一步发出一些询问信息与射频标签构成一个完整对话达成阅读器对射频标签进行识别的目的。

射频识别系统应用中根据阅读器读写区域中允许出现单个射频标签或多个射频标签的不同，将射频识别系统称为单标签识别系统，或简称为射频识别系统，与多标签识别系统。

在阅读器的阅读范围内有多个标签时，对于具有多标签识读功能的射频识别系统来说，一般情况下，阅读器处于主动状态，即阅读器先讲方式。

阅读器通过发出一系列的隔离指令，使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与阅读器建立无冲撞的通信。

通信结束后将当前活动标签置为第三态（可称其为休眠状态，只有通过重新上电，或特殊命令，才能解除休眠），进一步由阅读器对被隔离（睡眠）的标签发出唤醒命令唤醒一批（或全部）被隔离的标签，使其进入活动状态，再进一步隔离，选出一个标签通信。

如此重复，阅读器可读出阅读区域内的多个射频标签信息，也可以实现对多个标签分别写入指定的数据。

（3）数据传输

射频识别系统所完成的功能可归结为数据获取的一个便利手段，因而国外也有将其归为自动收集数据ADC（AutomaticDataCapture）技术范畴。

射频识别系统中的数据交换包含两个方面的含义:

从阅读器向射频标签方向的数据交换;从射频标签到阅读器方向的数据交换。

根据具体实现系统的不同，以及理解层面的不同，上述两个方面的含义会有不同的理解和解释，下面分别给予简单讨论。

（a）从阅读器向射频标签方向的数据交换

从射频识别系统实现过程中的纯技术层面来说，如果将注意力放在射频标签中存贮信息的注入方式来说，阅读器向射频标签方向的数据交换可分为两种情况，即有线写入方式和无线写入方式。

具体采用何种方式，需结合应用系统需求、代价，技术实现的难易程度等因素来定。

在有线写入方式下，阅读器的作用是向射频标签中的存贮单元写入数据信息。

阅读器更多地被称为编程器。

根据射频标签存贮单元及编程写入控制电路的设计情况，写入可以是一次性写入不能修改，也可以是允许有线多次改写的情形。

另外一种写入情形是，在绝大多数通用射频识别系统应用中，每个射频标签要求具有唯一的标识。

这种唯一的标识被称为射频标签的ID号，通常在标签出厂时已被固化在射频标签内，用户无法修改。

ID号的固化过程可以在射频标签芯片生产过程中完成，也可以在射频标签应用指定后的初始化过程中完成。

无论在何时完成，都是以有线方式实现ID号的写入。

（b）从射频标签向阅读器方向的数据交换

射频标签的工作使命即是实现由标签向阅读器方向的数据交换。

其工作方式包括:

射频标签收到阅读器发送的射频能量时，即被唤醒并向阅读器反射标签存贮的数据信息;射频标签受到阅读器发送的射频能量被激励后，根据接收到的阅读器的指令情况转入发送数据状态或“睡眠/休眠”状态。

从工作原理上来说，第一种工作方式属单向通信，第二种工作方式为半双工双向通信[8]。

2.3射频识别系统组成

射频识别系统一般由以下三部分组成：

（1）读卡器（Reader）

一台典型的读卡器应包含射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。

此外，许多读卡器还都有附加的接口（RS232，RS485，USB），以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。

发送部分和接收部分和起来称为读卡器的高频接口，它负担以下任务:

产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器;接收并解调来自应答器的高频信号[7]。

在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于应答器的两个方向的数据流。

传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。

阅读器的控制单元则担负着以下任务:

与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令;控制与应答器的通信过程（主-从原则）;信号的编码与解码[9]。

对于复杂的系统还有下列附加的功能:

执行反碰撞算法;对应答器与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密;进行应答器和读取器之间的身份验证。

为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。

加密逻辑过程，如应答器与阅读器之间的加密、还有信号编码，常常是交由附加的ASIC组件来完成的，以减轻处理器计算密集型过程的负担。

出于性能上的原因，对ASIC的访问是通过微处理器总线（面向寄存器的）实现的。

应用系统软件与阅读器之间的数据交换是通过RS232或RS485串口来进行的。

这里同普通的PC机一样使用的是NRZ编码（8位异步）。

作为通信协议使用的是各不相同的、常常是自定义的协议。

（2）标签（Tag）

射频识别标签是一种以无线方式传送数据的信息载体形式，它具有数据处理及安全认证等特有的优点。

射频识别标签是射频识别系统真正的数据载体，主要由天线、谐振电容以及IC芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。

射频标签与读卡器之间采用双向验证机制，即读卡器验证射频标签的合法性，同时射频标签也验证读卡器的合法性:

处理前，标签要与读卡器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有数据都加密。

此外，标签中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。

（3）天线（Antenna）

射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读卡器和标签之间传送信息[10]。

2.4射频识别系统分类

根据射频识别系统的不同特点，射频识别系统有多种分类方法，根据工作频率划分，有低频、中频、高频；根据存储器是否可写，可分为只读型和可读写型；根据读卡器和应答器谁先发送信息，可分为TTF型和RTF型；另外根据应答器内是否内置电源可分为有源型和无源型[11]。

（1）按工作频率分类：

低频射频识别的工作频率主要是125kHz，中频为13.56MHz，而高频有869MHz，902-928MHz，2.45GHz，5.8GHz等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。

其中125kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域。

13.56MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域，其识别距离一般为几厘米（15014443标准）到几十厘米（15015693标准），采用特殊制作的天线最大识别距离为1.5米左右[12]。

在UHF频段（869MHz和902-928MHZ），系统的识别距离远，可从几米到几十米。

UHF频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。

2.45GHz被动式系统（无源标签）一般可提供1米左右的识别距离，主动式系统（有源标签）可以达到十几米的识别距离。

5.8GHZ系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。

（2）按读卡器和应答器谁先发送信息分类：

RT（ReaderTalksFirst，读卡器先发言）和TTF（TagTalksFirst，标签先发言）是两种读卡器抗冲突协议方式。

在一般状态下，电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态，当电子标签进入读卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态，转到“接收”状态，接收读卡器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读卡器。

这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF（ReaderTalkFirst，即读卡器先发言）方式;与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身DI号的电子标签被称为TTF（TagTalkFirst，即标签先发言）方式。

（3）按电子标签的供电方式分类:

射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两类。

无源标签所需工作能量需要从读卡器发出的射频波束中获取能量，经过整流、稳压后提供电子标签所需的工作电压。

与有源标签相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。

缺点是读卡器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。

然而，目前的集成电路设计技术能使所需工作电压进一步降低至1V甚至0.42V，这使得无源射频识别系统可以达到20米[7]以上的识别距离。

有源标签本身带有微型电池，由于不需要射频供电，其识别距离更远，读卡器需要的功率较小[13]。

第三章MSP430系列单片机简介

3.1MSP430系列单片机简介

近几年来,随着微电子技术的日新月异,世界上的许多芯片制造商纷纷推出自己的新产品,品种极为丰富。

由于竞争激烈,其中低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。

全球著名DSP制造商—美国德州仪器（TI）公司所生产的新型芯片MSP430系列，以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠[14]。

3.1.1MSP430系列单片机功能特性

TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。

它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。

灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。

数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。

MSP430系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力[15-16]。

MSP430单片机具有如下特点：

●低电压、超低功耗

MSP430系列单片机，在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，工作电流（在0.1～400μA之间）因不同的工作模式而不同；具有16个可以任意嵌套的中断源，使用灵活方便；将CPU置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于6μs，编制出的源代码程序实时性较高。

●强大的处理能力

MSP430系列单片机为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在晶振频率为8MHz驱动时，其指令周期为125μs。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

●系统工作稳定

上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。

●丰富的片内外设

MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是以下一些外围模块的不同组合：

看门狗（WDT）、定时器A（Timer—A）、定时器B（Timer—B）、比较器、串口0、1（USARTO、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10／12位ADC、48个I／O端口、基本定时器（BasicTimer），可在线仿真的FLASH内存，7路PWM输出，以及内嵌的LCD驱动等。

本设计所选用的主控芯片MSP430F413就包含了：

FLL+（频率锁相环）时钟系统，看门狗，精密模拟比较器（Comparator），带有3个捕获／比较寄存器的16位定时器（Timer_A），48个I/O通用引脚、并且端口P1、P2有中断能力，LCD驱动器能直接驱动液晶多达96段等模块。

●高效的开发方式

MSP430支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大。

具有FLASH存储器型的单片机，利用其本身具有JTAG接口，可以在一台PC机及一个JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将大大提高程序的调试效率。

MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-4O～+85℃，因此很适合作为便携仪表和水、电、热表的主控芯片[14]。

从图3-1中可以发现在MSP430系列单片机中,与其它的单片机最大的区别就是系统各个模块完全是独立运行的,定时器（Timer）、输入/输出口（I/OPort）、A/D转换（以芯片型号的不同而有无）、看门狗（WDT）、液晶显示器（LCD）等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行。

当需要主CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统运行在最低功耗上。

这一点是MSP430系列单片机最突出的优点。

此外由于MSP430系列单片机具有LCD驱动、A/D转换、模拟比较器、多路中断和定时器、串行通信口,因而其用途极广。

图3-1MSP430X41X系列单片机的内部结构

TI公司是全世界生产信号处理单片机（DSP）的最大的厂商,MSP430系列单片机是在DSP的基础上发展起来的,因而继承了DSP的一些优点,比如说用户可以选择具有硬件乘法器的MSP430系列单片机,这一点使得它不但功耗低而且速度快,更加适合于高速的数据处理。

MSP430系列单片机的另一个重要特点是晶振系统,系统在运行时主频高达3MHz,这是因为其内部使用了数字控制震荡器DCO（DigitalControlledOscillator）和锁频环技术FLL（FrequencyLockedLoop）将低速时钟晶体产生的32768Hz晶频倍频到2MHz～3MHz,用户通过程序可以选择低频或高频,这样可以根据实际需要来选择合适的系统时钟频率,从而更合理地利用系统的电源,才使得整个系统的超低功耗成为可能，这一点对于电池供电的系统来讲至关重要[17]。

3.1.2MSP430系列单片机的应用

MSP430系列单片机有如此独特的性能,因而一问世便受到广大用户的欢迎,有了MSP430系列单片机,人们再也不用为那些使用干电池的仪器仪表耗电太快而犯愁了,用户可以设计出只用一节3V电池便能