預(yù)付費(fèi)型智能CPU型IC卡燃?xì)獗硎窃诔Ｒ?guī)機(jī)械燃?xì)獗眢w上安裝以單片機(jī)為主的智能測(cè)控系統(tǒng)而構(gòu)成的。該測(cè)控系統(tǒng)主要由單片機(jī)、SAM（Secure Access Module）模塊、CPU IC卡接口、計(jì)量電路、保護(hù)檢測(cè)電路以及氣路控制閥等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作原理：當(dāng)用戶將含有一定購(gòu)氣量的CPU型IC卡插入表內(nèi)時(shí)，控制閥在電控系統(tǒng)軟件控制下打開(kāi)氣路閥門。用戶每使用一個(gè)微小的計(jì)量單位（如1/1000L，該值根據(jù)機(jī)械表的參數(shù)設(shè)定）的氣體時(shí)，計(jì)量電路便發(fā)出1個(gè)計(jì)量脈沖，該脈沖如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效，即進(jìn)入軟件進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目（如1/100L）時(shí)可以從存于SAM模塊中的已購(gòu)氣量中減去1個(gè)計(jì)量單位。

當(dāng)剩余氣量為某一設(shè)定值時(shí)，燃?xì)獗磉M(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，并關(guān)閉控制閥，切斷氣路以便提醒用戶購(gòu)氣。用戶此時(shí)按一次按鍵后，仍然可以打開(kāi)閥門繼續(xù)用氣;當(dāng)剩余氣量為零時(shí)，控制閥再次關(guān)閉，用戶只有將存儲(chǔ)一定購(gòu)氣量的卡插入后才能打開(kāi)閥門。

2 預(yù)付費(fèi)型智能IC卡燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)的功能

（1）計(jì)量和控制功能：充分利用單片機(jī)計(jì)量各種煤氣用量;通過(guò)控制閥控制用戶用氣。

（2）加密功能：采用加密強(qiáng)度極高的CPU卡且一戶一卡，通過(guò)完善的多重內(nèi)部和外部認(rèn)證后，達(dá)到一定的權(quán)限才可實(shí)現(xiàn)購(gòu)氣及其他操作。

（3）顯示功能：可顯示剩余煤氣、月累計(jì)和季度累計(jì)煤氣等;各種系統(tǒng)狀態(tài)顯示，如電池欠壓、報(bào)警狀態(tài)、氣體過(guò)流等。

（4）提示功能：當(dāng)剩余氣不多（等于某一設(shè)定值）時(shí)，關(guān)閥一次提醒用戶購(gòu)氣。

（5）報(bào)警功能：電池欠壓報(bào)警、防止管道破裂的氣體過(guò)流報(bào)警、閥門打開(kāi)及關(guān)閉故障報(bào)警、外接可燃?xì)怏w報(bào)警器接口的報(bào)警、卡非正常操作報(bào)警、燃?xì)獗黹_(kāi)蓋報(bào)警等。在發(fā)生報(bào)警情況時(shí)，首先關(guān)閉控制閥，然后蜂鳴器發(fā)聲、LCD顯示。每次報(bào)警事件都會(huì)記錄在SAM模塊中，在用戶下次購(gòu)氣時(shí)返寫到用戶購(gòu)氣卡，再由購(gòu)氣卡返回到售氣部門，從而可供主管部門或銀行查詢。

（6）自我保護(hù)功能：防止IC卡口和電池接線處的高電壓攻擊和短路行為、開(kāi)蓋檢測(cè)、無(wú)電池檢測(cè)、選用不怕強(qiáng)磁場(chǎng)的特殊脈沖傳感器等。

3 預(yù)付費(fèi)型智能IC卡燃?xì)獗淼挠布O(shè)計(jì)

因?yàn)楸绢A(yù)付費(fèi)型IC卡燃?xì)獗硎且环N面向家庭的民用產(chǎn)品，因此，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)要兼顧以下的原則：低成本;低功耗，盡量延長(zhǎng)電池壽命;高可靠型，不允許死機(jī)以及已購(gòu)氣數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。

3.1 控制單片機(jī)的選擇

控制單片機(jī)選用NEC公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)uPD789167。uPD789167是44pin封裝的低成本單片機(jī)，具有24KB ROM、512B RAM、8路8位A/D轉(zhuǎn)換器、外部32kHz副時(shí)鐘、6個(gè)定時(shí)器、4個(gè)外部中斷等資源，在掩模后具有非常低的成本。

3.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用了uPD789167單片機(jī)的3.58MHz的主時(shí)鐘和32kHz的副時(shí)鐘。前者在單片機(jī)高速工作時(shí)運(yùn)行，并經(jīng)過(guò)內(nèi)部2分頻后提供給SAM模塊和外部CPU型IC卡。為了降低功耗，在上電、訪問(wèn)SAM模塊和IC卡以外的時(shí)間里，3.58MHz的主時(shí)鐘停止振蕩，而32kHz晶體則一直振蕩，完成內(nèi)部軟件走時(shí)、氣量的累計(jì)和統(tǒng)計(jì)，并協(xié)助對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的用氣量進(jìn)行判斷，確定是否氣體過(guò)流，必要時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD模塊的顯示。

3.3 SAM模塊及CPU型IC卡的選擇

CPU卡同普通的存儲(chǔ)卡和邏輯加密卡相比，由于采用了CPU、片上操作系統(tǒng)（COS）、文件系統(tǒng)、加解密算法等先進(jìn)技術(shù)，因而具有更高的安全性。為了提高智能燃?xì)獗淼谋Ｃ苄阅?，本設(shè)計(jì)選取了北京握奇公司的SAM模塊和CPU卡作為安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)慕橘|(zhì)。該產(chǎn)品擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，符合ISO7816、PBOC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);支持層次化文件結(jié)構(gòu)，可建立三級(jí)應(yīng)用目錄，適合一卡多用的要求;

支持包括二進(jìn)制、定（變）長(zhǎng)記錄、錢包記錄等多種文件類型;包含可擦寫50萬(wàn)次的E2PROM，其容量從0.5K～16KB可選;已有在電表等行業(yè)成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。CPU與

SAM模塊的接口如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CLOCK頻率必須大于1MHz，本設(shè)計(jì)中CLOCK為1.79MHz;在不訪問(wèn)SAM模塊時(shí)，SAM模塊的電源被切斷，同時(shí)CPU的-RST、CLOCK腳也輸出低電平，CPU的I/O腳被置為輸入、內(nèi)部不上拉模式。

3.4 電源電路

如圖3所示，電源分為2路，一路是3節(jié)電池經(jīng)過(guò)3V穩(wěn)壓后，由VCC給CPU等供電;另一路不穩(wěn)壓，由VDD給開(kāi)關(guān)閥門電路供電。2路分別使用各自的法拉電容，互不干擾，保證了掉電時(shí)閥門的可靠關(guān)閉以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊AM模塊的可靠保存。

電源電路提供了3.3V、3V的電池電壓檢測(cè)機(jī)制，電壓分壓后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，單片機(jī)按照固定時(shí)間間隔檢測(cè)1次電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)低于3.3V時(shí)LCD顯示低壓告警;低于3V時(shí)則關(guān)閉閥門。此外，電源電路還提供了電池拔去或短路檢測(cè)電路。當(dāng)出現(xiàn)此類情況時(shí)，9015的集電極變高，以外部中斷的方式激活單片機(jī)，使單片機(jī)及時(shí)關(guān)閉閥門。配合BAT54雙二極管，達(dá)到了防止電池短路攻擊行為的目的。

為了防止從電池接線端子進(jìn)行的高電壓攻擊，配置了TVS管和200mA的可恢復(fù)保險(xiǎn)絲。再結(jié)合IC卡口的保護(hù)，保證了本燃?xì)獗淼淖陨戆踩?/p>

3.5 看門狗電路

在有大容量電容的供電電路中，電源充放電速度緩慢，普通的RC復(fù)位電路經(jīng)常不能產(chǎn)生正確的復(fù)位。在用戶的正常使用過(guò)程中，更不允許燃?xì)獗硭罊C(jī)的情況出現(xiàn)。為此采用74HC14設(shè)計(jì)了兼有上電復(fù)位、看門狗、低功耗低成本的振蕩器型的復(fù)位、監(jiān)控電路（低成本看門狗電路），如圖4所示。

圖中，30kΩ電阻配合104電容及二極管，組成RC上電復(fù)位;在3V工作電壓時(shí)，該看門狗清除時(shí)間間隔必須小于0.9秒。本設(shè)計(jì)的燃?xì)獗碇?，CPU每0.5秒喚醒1次，以檢測(cè)并累計(jì)燃?xì)饷}沖，同時(shí)發(fā)出高電平寬度為20μs的清狗脈沖。另外，74HC14的其他門還用于燃?xì)饷}沖的整型電路和IC卡座時(shí)鐘線的隔離電路中。

3.6 控制閥驅(qū)動(dòng)電路

燃?xì)忾y門采用了專門設(shè)計(jì)的低功耗自保持閥門，只有在開(kāi)關(guān)過(guò)程中耗電，平常不耗電。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。開(kāi)關(guān)電壓最低要求2.5V，開(kāi)閥時(shí)最大電流約120mA，最大時(shí)間2秒;關(guān)閥時(shí)消耗電流最大為100mA，最大時(shí)間1秒。開(kāi)閥有到位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，如果開(kāi)閥超時(shí)，則CPU發(fā)出閥門故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)關(guān)閉閥門。閥門驅(qū)動(dòng)電路采用了0.22ΩF/5.5V電容的單獨(dú)供電電源VDD（見(jiàn)圖3），以保障開(kāi)關(guān)閥門成功。

3.7 IC卡接口電路

IC卡接口直接執(zhí)行人機(jī)交互，最有可能受到有意或無(wú)意的損壞，最常見(jiàn)的現(xiàn)象是短路、高壓串入，因此接口電路必須具備完善的保護(hù)功能。IC卡座及保護(hù)電路如圖6所示。CPU發(fā)現(xiàn)IC SWITCH為低電平后，知道有卡插入，則啟動(dòng)3.58MHz晶體振蕩，輸出-IC PWR CTRL低電平，給卡座供電，隨后經(jīng)過(guò)5ms延時(shí)再?gòu)腎C VCC端檢查卡座的電源是否準(zhǔn)確。

這可以用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)，如果電壓太低，立即關(guān)閉供電放棄讀卡。每一根信號(hào)線上具有由正溫度系數(shù)熱敏電阻（MZ12A-75S102M008，阻值為1000Ω，動(dòng)作電流16mA）和嵌位二極管（1N4148）構(gòu)成的限流限壓保護(hù)電路，以防止外部高壓串入。因電源線上阻值不能太大，熱敏電阻要單獨(dú)選取，故選擇MZ12A-3R5N010（阻值為3.5Ω，動(dòng)作電流200mA）。

3.8 開(kāi)蓋檢測(cè)電路

如圖7所示，S1是一個(gè)簧片，在燃?xì)獗沓鰪S表殼蓋上時(shí)是閉合的，當(dāng)燃?xì)獗肀淮蜷_(kāi)表蓋時(shí)，S1斷開(kāi)。圖7中左、右2個(gè)電路雖然都能檢測(cè)到開(kāi)蓋，即開(kāi)蓋時(shí)“開(kāi)蓋檢測(cè)”端子都有電平變化，但左邊電路的功耗明顯比右邊電路的功耗大。首先，由于CPU的輸入管腳允許有最大3μA的漏電流，200kΩ的電阻不能再增大阻值，否則會(huì)影響高低電平的判斷。

設(shè)VCC=3V，左邊的靜態(tài)電流為3V/200kΩ=15μA，右邊的靜態(tài)電流為3V/1MΩ=3μA，其電流是前者的1/5，故本設(shè)計(jì)采用右邊的電路。CPU在每0.5秒喚醒時(shí)間內(nèi)檢測(cè)“開(kāi)蓋檢測(cè)”端子，一旦發(fā)現(xiàn)開(kāi)蓋，將關(guān)閉閥門、報(bào)警、并記錄一次開(kāi)蓋事件到SAM模塊中。

3.9 報(bào)警及LCD顯示電路

uPD789167單片機(jī)以串行通信的方式驅(qū)動(dòng)LCD模塊實(shí)現(xiàn)顯示，但LCD平常不顯示時(shí)斷開(kāi)電源以節(jié)省電能。另外，設(shè)置有蜂鳴器報(bào)警電路，以便在剛發(fā)現(xiàn)故障時(shí)提醒用戶。

4 低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

本燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)是：不旦要有CPU保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘走時(shí)、帶看門狗，而且功耗要很低（平常的工作電流略大于30μA），為此采用了如下一些措施，以保證本機(jī)的低功耗運(yùn)行。

4.1 采用低功耗的器件

本設(shè)計(jì)中盡可能采用低功耗器件，如3V穩(wěn)壓器采用了理光的低功耗產(chǎn)品;采用低功耗的可自保持的閥門，只有在開(kāi)關(guān)過(guò)程中才會(huì)耗電。

4.2 采用低耗電的電路設(shè)計(jì)

（1）電池電壓降至3V后才給CPU及其他外圍電路供電，使芯片工作于低電壓時(shí)消耗電流較少。

（2）SAM模塊和IC卡座平常斷電，只在讀寫認(rèn)證時(shí)才供給電源。

（3）在不影響CPU電平判斷的情況下，使用大一些的電阻（如開(kāi)蓋檢測(cè)和電池檢測(cè)電路中）。

脈沖采樣電路也只在有脈沖時(shí)瞬間耗電。

4.3 軟件配合實(shí)現(xiàn)低功耗

（1）讓單片機(jī)盡量低速工作，軟件只在訪問(wèn)SAM模塊及CPU IC卡時(shí)才讓3.58MHz的晶體振蕩，平時(shí)只用32kHz的晶體就可以完成工作。

（2）合理配置CPU的各個(gè)管腳，輸出腳輸出合適電平，使平常不輸出或吸入電流;輸入腳平常一般不用內(nèi)部上拉電阻而用外部電阻，因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻較小，掩模時(shí)典型值為30kΩ，當(dāng)輸入低電平時(shí)耗電較多;CPU多余的管腳設(shè)置為輸出模式，且輸出低電平。

（3）CPU在32kHz晶體下工作時(shí)，處于HALT模式，每0.5秒時(shí)間到、或中斷喚醒一次，軟件檢查幾個(gè)中斷標(biāo)志、計(jì)數(shù)、走時(shí)、清狗后立即轉(zhuǎn)入HALT睡眠，從而有效節(jié)省電能。

5 預(yù)付費(fèi)型智能IC卡燃?xì)獗淼能浖O(shè)計(jì)

5.1 軟件功能模塊

軟件用NEC78k0S C語(yǔ)言編寫，采用模塊化、層次化的編程方法。核心部分包括以下幾個(gè)模塊：SAM、CPU卡的通信模塊（T=0，字符方式，串行速率9.6Kbps）;SAM、CPU卡的認(rèn)證和讀寫模塊;燃?xì)庥?jì)量模塊;電源管理模塊;LCD顯示模塊;報(bào)警模塊;工廠測(cè)試模塊等（由于篇幅原因，在此不細(xì)述）。

5.2 SAM和CPU卡的認(rèn)證過(guò)程

本燃?xì)獗碇?，軟件必須接收和處理多種CPU卡：用戶購(gòu)氣卡、檢查卡、廠家生產(chǎn)測(cè)試卡（如閥門檢測(cè)卡等6種）、修改主密鑰卡等。每種CPU卡的目錄文件結(jié)構(gòu)和認(rèn)證訪問(wèn)方式不盡相同，以使用用戶購(gòu)氣卡購(gòu)氣后在燃?xì)獗砩喜蹇槔?，說(shuō)明軟件認(rèn)證過(guò)程：

（1）從卡的可讀二進(jìn)制文件中識(shí)別出卡的類型，即用戶購(gòu)氣卡。

（2）燃?xì)獗韽挠脩艨ㄖ凶x取卡序列號(hào)和用戶號(hào)，并比較用戶號(hào)是否與SAM中存儲(chǔ)的一致，不一致則拒絕讀卡。

（3）若用戶號(hào)一致，IC卡燃?xì)獗韺⒖ㄐ蛄刑?hào)送至SAM模塊。SAM模塊對(duì)卡序列號(hào)進(jìn)行加密，并生成相應(yīng)的內(nèi)部認(rèn)證密鑰。

（4）燃?xì)獗碛脙?nèi)部認(rèn)證密鑰對(duì)用戶卡做內(nèi)部認(rèn)證。

（5）燃?xì)獗碛脷獗硗獠空J(rèn)證密鑰對(duì)用戶卡做外部認(rèn)證。

（6）燃?xì)獗韽挠脩艨ㄙ?gòu)氣應(yīng)用二進(jìn)制文件中讀取購(gòu)氣數(shù)據(jù)，判斷其完整性，同時(shí)判斷購(gòu)氣次數(shù)是否與IC燃?xì)獗韮?nèi)一致。若不一致則向IC卡燃?xì)獗矸祵憫?yīng)用二進(jìn)制文件（返寫數(shù)據(jù)）退出;若判斷一致，則進(jìn)入（7）。

（7）由IC卡燃?xì)獗碛脷饬客獠空J(rèn)證密鑰對(duì)SAM模塊進(jìn)行外部認(rèn)證，若一致則將購(gòu)氣量及狀態(tài)數(shù)據(jù)存入SAM模塊，并返寫數(shù)據(jù)退出，完成購(gòu)氣操作;否則只返寫數(shù)據(jù)退出。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于NEC單片機(jī)和SAM模塊的CPU IC卡預(yù)付費(fèi)型燃?xì)獗?，在安全保密性、防攻擊、低功耗、低成本等方面作了有益的探索，?jīng)過(guò)幾個(gè)月的實(shí)際使用，已證明達(dá)到了預(yù)期的效果。

編輯：jq