远程调价CPU卡流量计的研制

目前城市燃气诚上在用的工业预付费计量仪表-般采用燃气体积量(单位为m )作为结算单位，在仪表上的具体操作分充值和扣除方式。采用体积量，与燃气价格本身不存在联系，所以在仪表上很难实现调价，调价功能主要依靠售气系统进行操作实现。这种方式在实际应用中，遇到的-个突出问题是当气价变动时，已充值到流量计中未用完余气量如需相应的作调整，燃气公司-般要采用补差价的方式进行处理，这种操作非常麻烦。当前上下游气价浮动比较频繁，采用货币金额作为结算单位并具有调价功能的流量计是解决这个问题的关键。本文介绍的远程调价CPU卡流量计采用货币金额，并具有调价卡调价与远传通信调价相结合的功能，其集成了数字温度传感器、数字压力传感器，是集流量计量和流量控制于-体并具有防网络攻击、防复制、使用过程安全可靠和保密性高的新-代流量计，是-种理想的工业预付费计量仪表Ⅲ。

1 系统硬件电路结构原理框图电池图1 电路结构框图2 远程调价功能的CPU卡流量计软、硬件设计2.1 CPU选型由于CPU卡流量计采用电池方式供电，对微处理器的低功耗和低电压比较重视，因此，CPU的选型应着重32 EIC Vo1.20 2013 No.2从低功耗、低电压、高带载能力方面考虑。另外远程调价CPU卡流量计中的功能卡处理和历史事件记录、调价处理等功能拈需要大容量 的程序存贮空间支持[2]。再从性价比方面考虑，MSP430F5418可为不错的选择，它是-款超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，有丰富的片内外围，具有以下-些特点：1)超低功耗MSP430F5418运行在8MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0.1～165IXA，工作电压为1.8-3.6V。

2)强大的处理能力具有丰富的寻址方式(源操作数7种，目的操作数4种)，采用R I S C指令集，核心指令2 7条。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法，以保证程序编制的高效性。中断源较多，可以实现中断嵌套，使用时灵活方便。

3)具有保密熔丝的JTAG锁定机制通过禁止JTAG或SBW接口，可以禁止未授权的访问。通过保密熔丝编程后，则完全禁止了与JTAG或SBW接口相关的调试或访问功能。

4)超大容量的存贮空间MSP430F5418具有128K字节的程序存贮空间和16K的RAM。

5)丰富的片上外围拈MSP430F5418具有1 2位A/D、精密模拟比较器、硬件乘法器、3个带有大量捕获/t：k较寄存器的16位定时器、看门狗、2个可实现异步与同步及多址访问的串行通信接口、4 8个通用1 0引脚，端口P 1和P 2具有中断能力，每-引脚都可能单独选择中断触沿、单独允许中断。

61方便高效的开发方式MSP430F5418具有JTAG接口，可以方便的通过JTAG控制器实现程序的下载和调试。

基于功能上的需要和性价比上具有优势，我们选用了该款微处理器。

2.2 基表基表部分集成了数字温度传感器、数字压力传感器和流量传感器，配套的数字温度传感器和数字压力传感 噩 塞旦器均为独立配件，可单独校准与检定，并通过I C通信接口与CPU卡流量补偿控制仪通信，周检、更换、维护方便。数字压力传感器自带温度校正功能，压力检测精度高，长期稳定性好，温漂校2.3 CPU卡流量补偿控制仪远程调价CPU卡流量补偿控制仪采用微功耗设计，可直接检测介质的工况体积流量、温度和压力并进行自动补偿和压缩因子自动修正，进而计算出介质的标况体积流量和标况体积总量，余量在未开户时由于未输入确定的气价，所以暂以气量扣减 ；开户后将气价输入到流量计，然后以金额扣减。CPU卡流量补偿控制仪内嵌ESAM安全拈，对功能卡的每-步交易操作进行安全认证。

2.4 控制阀门远程调价CPU卡流量计通过CPU卡流量补偿控制仪对阀门控制拈进行操作进而控制阀门的开关，从而达到控制用户用气的目的。为了防止人为破坏和阀门开关的可靠，我们采用了双电池模式，平时系统由位于CPU卡流量补偿控制仪中的主电池供电，开关阀门时由位于阀门控制室中的辅电池供电。当控制线被破坏后，由位于阀门控制室中的辅电池将阀门关闭；当主电池被拔掉后，由位于阀门控制室中的辅电池为系统供电，并在30秒后将阀门关闭；当辅电池被拔掉后，由位于CPU卡流量补偿控制仪中的主电池为系统供电，并在3O秒后将阀门关闭。这样的双电池模式可以有效的防止因人为破坏而进行偷气行为的发生。

2.5 以CPU卡为介质的功能卡与远程调价CPU卡流量计配套的功能卡有用户卡、应急卡、调价卡、应用设置卡、产品信息设置卡、应用转移卡、量值转移卡、采集卡、开阀卡、关阀卡等，各种各样的功能卡是远程调价CPU卡流量计强大功能的保证。采用CPU卡作为功能卡主要基于以下几点：1)安全性CPU卡采用密钥管理机制，认证过程通过加密算法运算动态进行，在实际应用中被破译和攻击的可能性很小，比存储卡、逻辑加密卡具有更高的安全性。

2)兼容性CPU卡信息传输方式遵循ISO7816.3国际标准，这样芯片升级时不需要对系统内的微控制器程序进行改动，这是存储卡和逻辑加密卡所不能作到的。

31可扩展性由于CPU卡采用文件方式对数据进行存储，并且可以对不同应用的数据文件进行目录管理，这样很容易实现-卡多用的方案。

4)规范性采用CPU卡的COS操作系统-般都满足金融卡规范，如TIMEc0s符合中国人 民银行PBOC金融卡规范。

想要发挥CPU卡的这种优点，还需要密钥管理系统的配合，我们采用了三级分散四级密钥方式，从根密钥逐级分散，到最终的应用卡片密钥：先用种子卡通过密钥分散得到主密钥卡，再用主密钥卡通过密钥分散得到各种功能卡的母卡，最后用母卡通过密钥分散得到各种功能卡。在密钥分散运算时，可根据密钥长度选择DES或3DES算法，-般是密钥长度为8字节用DES算法，16字节用3DES算法。DES算法为-种对称密码体制，3DES是在DES的基础上采用三重DES，采用DES算法与3DES算法的功能卡其安全性是毋庸置疑的[]。

2.6 功能卡接收与发送字节程序设计欢迎订阅欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息日 遮过 墨日在接收与发送字符时，应严格遵守ISO7816的规定，接收与发送字节的程序流程如图2、图3所示。有了接收和发送字节子程序，就可以很容易设计出接收和发送字符串子程序，继而根据功能卡各操作命令的流程，设计出各交易程序。

图2 接收流程曰 困 图3 发送流程2.7 调价功能的设计CPU卡流量计 的调价模式有很多种，有不启动调价体系只调整价格的调价方法、启动调价体系的按阶梯用量调价与按时间段调价三种调价模式 ，按阶梯用量调价与时间段调价又各有小时、天、月三种调价模式。调价可通过两种方法实现。-种为通过调价卡调价。-张调价卡从系统下载调价信息后，最多可对100台CPU卡流量计进行调价，调价时，CPU卡流量计先判断调价卡中的调价信息文件是否有与自己对应的表位置号，如没有则不调价，如有则根据其提供的记录号从调价卡的价格信息文件中的相应记录号中读取调价信息进行调价，调价完成后并将自己的表位置号反写到调价卡中的调价反馈信息文件。当调价卡中要调价CPU卡流量计都调价完成后，再将调价卡拿到系统登记，系统从调价卡中读取已调价的表位置信息，并保存到数据库中，方便管理。另- 种调价方式为通过远传调价。发送命令f地址默认为011和返回数据，如表1、表2所示，表中的调价信息由价格信息计算MAC用的常数(由后台生成系统随机数8字节)MAC组成。当CPU卡流量计接收到命令时，先验证CRC校验，通过后，内嵌的ESAM用内部认证密钥对价格信息计算MAC用的常数计算出MAC，如计算出的MAC与上位机发送的MAC验证通过后，则进行调价并返回数据；如验证没通过，则不进行调价。远传调价的难点是怎样保证数据传输的安全性问题，采用CRC校验和通过发送MAC密钥与ESAM拈相互认证相结合的方法，使远传调价更加安全可靠 。

表1 发送命令从机地址 功能码 瑟书 字节计数 数据 CRC校验O1H 10H 1 0180H l 01BH 36H 调价信息 CRC16表2 返回数据EIC Vo1.20 2013 No.2 33 墨 麦的通讯是通过以太网来完成的。PLC的控制器与模板的通信是通过1756.CNBR结点组成的现场总线ControlNet网络进行的。另外还需要说明的是，ControlNet网要构成冗余结构，它的结点数不能少于四个。

1-3 机柜布置为信号分配完通道，确定模板类型和各自数量之后，根据系统配置图对机柜进行布置。机柜前后为双开门，将设备及控制开关安装在柜前，机柜的背面放有三排信号接线端子。机柜的四周布置有汇线槽，将供电的电缆及信号接线放置在汇线槽中。从外表上看机柜即整洁又美观。

1.4 机柜内部接线原理根据模板的应用原理，信号回路在机柜内部的接线采用三级端子接线方式。第-级端子带有开关端子，可以单独控制-路信号的通断，这样有利于校线及后期的维护。第二级端子为防雷击端子，对通道中的设备具有保护作用。第三级端子为普通端子，将机柜同现场 的电缆连接在-起。见图1。

畦蝴 m 鞴：磷 - 旺 J躺 口 嘲 器 - 埘 J脚 臻 - 啪咀 h‰ 珏贮- 1 群 哪 l删 匠 三 - - 接线图j嘲 1.5 配电系统配电系统用到的相关器件主要有断路器、防雷击、保险端子等。负责为整个站控系统提供稳定可靠的电源，主要为以下设备供电：机柜内部PLC；需要供电的现场设备；信号回路；第三方设备；操作台。

配电系统的总开关、第三方设备、其他机柜及操作台的供电总开关都放在1号主机柜内。整个站控系统可以分为四级：第-级为总电源开关，在它的接入点上并联-对220V防雷击接地；第二级为第三方通讯、操作台、各个机柜总开关；第三级为各PLC机柜供电，负责机柜内部220V用电设备的通断；第四级为信号回路及现场设备供电，回路中有保险端子，当回路中的电流过大时保险端子的保险丝就会熔断，对设备有保护的作用[1]。

在西部管道的工程应用中，我们选用A.B的1756-MCMR拈进行第三方通讯，它的信号接线是独立于PLC系统的，我们为其信道单独配置了两块防雷击。

2 软件设计程序设计环节是工程控制的核心部分。在系统设计的基础上，下面介绍应用ControlLogix系列PLC配套的开发软件建立工程及实现控制的基本过程。

2.1 开发软件介绍西 部管 道 自动 化 工程 中，我们 选用 的是 A-B公司的PLC，其配套 的软件有RSlogix 5000、RSlinx、RSNetWorx和RSflash，分别负责编程、通信、组网和硬件升级。

2.2 工程建立方法工程建立使用的工具主要是RSlogix 5000，应用这个软件可以完成工程的软件设计。具体的设计过程如下：1)建立-个工程文件，在新建的工程文件中选择所用的CPU类型，并对机架的类型和CPU所在位置等进行欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息配置 。

2)根据系统配置图，在项目控制器中添加对应的模块，软件会 自动生成通道的变量标签，然后根据模板 的使用方法对通道的信号类型进行配置。

4)接下来就可以在主程序中进行编程，编程使用的是梯形图，这种编程方法直观易懂，便于查错及修改。5)在编辑完控制程序后，就可以将程序下载到控制器中。在第-次进行下载前，要使用RS232协议经串口将CPu及以太网模板进行升级，之后就可以通过以太网模板升级其它模板以及下载程序。

6)在下载完程序后，还要用RSNetWorx软件对ControlNet网络进行组网。组建好网络后，就可以进行在线调试了 。

2.3 程序实现方法以-个单体阀的控制程序为例，根据操作原理-个单体阀的控制程序应包括以下几个部分 ：接受中心和站控的操作命令；识别中心/站控的开关操作命令、手自动和就地/远控状态；偏差报警的判断；过程的终止。

每-个过程的执行条件都由-系列限定条件的逻辑运算的结果所决定。当运算的结果为真时，执行过程；如果运算的结果为假时终止过程p]。

3 结束语本设计是结合工程的实际应用进行的，本文对工程施工的具体过程进行了描述，对类似的工程设计具有-定的借鉴价值≮