基于SAM模塊的CPU型IC卡燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)

　　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_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?/span>