IC卡智能燃气表的低功耗设计

1 IC卡智能燃气表的结构

    IC卡智能燃气表的结构见图1。

图1 IC卡智能燃气表的结构

    IC卡智能燃气表是在普通燃气表的基础上再加上电子控制器、阀门及取样用脉冲发生器(如干簧管、霍尔元件等)。计数器每转一周发出一个脉冲信号，将脉冲信号送入CPU，CPU根据编制的程序进行计数与运算，再将计算结果与设定值比较，当比较结果达到一定范围时发出报警及开关进气阀等指令。

2 低功耗设计 

    ① 阀门 

    阀门是Ic卡智能燃气表的执行机构，是实现预付费功能的关键装置，当用户表中余量为零时，应能及时切断气源，阀门采用微功耗双稳态设计。IC卡智能燃气表采用电池供电，阀门的开启与关闭应具有双稳态特性，即阀门的开启与关闭需要瞬态电流， 而开启与关闭状态的保持不需要消耗能量。为满足对IC卡智能燃气表总体外观的要求，采用机电一体化的设计思想，将阀门内置。 

    ② 低功耗驱动电路 

    阀门开启关闭的瞬间需要高电压、大电流。为解决电源问题，设计了升压式直流电源变换器，它主要由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容及比较器构成。单片机通过某管脚电平的变化控制开关管的通断。开关管导通时，储能电感两端电压为+6V，此时续流二极管处于反偏截止状态，电池通过开关管对储能电感充电，储能电感中电流线性增加，电能存储在储能电感中。开关管截止时，流过储能电感的电流减少，储能电感两端的电压反相，续流二极管导通，储能电感中储存的电能与电池中的电能叠加在一起通过续流二极管对滤波电容充电。通过续流二极管，电池对滤波电容充电，然后通过比较器判断电压的高低决定是否停止。

    ③ 低功率单片机 

    设计时，尽量选用低功耗的单片机。PIC16C62系列单片机是由美国Microchip公司生产的8位单片机，由于采用了CMOS工艺，因此其功耗极低，可很方便地采用电池直接供电。其主要性能特点为：工作频率可达20 MHz，振荡器可采用RC振荡器或
晶体振荡器；工作电压(直流)为3．5～6．0 V；低功耗，运行模式的工作电流<2 mA；内置WatchDog(看门狗)电路，防止由于外部干扰或内部编程错误引起单片机运行故障；采用单字节指令结构；具有一次性编程(OTP)芯片。 

    PIC16C62系列单片机最突出的特点是具有睡眠(SLEEP)模式。在睡眠模式下，典型电流<3 µA，可通过软件设置进入睡眠模式，并可由任一中断唤醒。在用户使用燃气时，单片机进入运行模式，而停止使用燃气一段时间后，便进入睡眠模式，因此
IC卡智能燃气表可成功地实现低功耗。

    ④ 低功耗外围器件 

    数据及信息显示采用低压微功耗的LCD液晶显示器，驱动器选用Philip公司生产的PCF8576芯片。芯片的电压(直流)工作范围为2～6 V，采用I2C总线协议。电压检测芯片选用AN051，该芯片在电压为1．5 V时，典型电流为1．5 µA。 

    ⑤ 分区分时供电 

    为降低功耗，IC卡智能燃气表采用分区分时供电方式。利用电源开关控制加到储存器芯片、IC卡接口的上拉电压，保证不用这部分电路时关断电源。加到液晶显示器驱动器PCF8576芯片上的电压在系统进入睡眠模式时通过开关控制关闭显示，降低功耗。 

    ⑥ 软件设计 

    软件设计紧密结合IC卡智能燃气表的控制模式，充分体现了对Ic卡信息读写、卡类型判断、计量信号判断与数据处理、电压监测与电源保护等功能，并在信号安全性、软件运行可靠性及抗干扰等方面进行了精心设计。主程序流程见图2。

图2 主程序流程

    单片机的功耗随着CPU的工作时间延长提高，因此尽量采用软件代替硬件，采用定时中断代替软件循环延时的工作方式及静态显示方式，缩短CPU的运行时间。

作者简介：
王爱玲(1976- )， 女， 山东济宁人， 山东济宁职业技术学院讲师， 硕士生， 主要从事电工电子、自控方面的教学及研究工作。 E -mail：chenyuyang66@ 163．com
姜海鹏，山东济宁职业技术学院

参考文献：
[1] 朱相磊．智能预付费燃气表的低功耗设计[J]．电工技术，2004，(9)：20—21．
[2] 何为民．低功耗单片微机系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1994．
[3] 王爱英．智能卡技术[M]．北京：清华大学出版社，1996．