基于SAM模塊的CPU型IC卡燃氣表的設計

1預付費型智能CPU IC卡燃氣表的工作原理

　　預付費型智能CPU型IC卡燃氣表是在常規機械燃氣表體上安裝以單片機為主的智能測控系統而構成的。該測控系統主要由單片機、SAM(Secure Access Module)模塊、CPU IC卡接口、計量電路、保護檢測電路以及氣路控制閥等組成,其系統結構如圖1所示。

　　工作原理:當用戶(hù)將含有一定購氣量的CPU型IC卡插入表內時(shí),控制閥在電控系統軟件控制下打開(kāi)氣路閥門(mén)。用戶(hù)每使用一個(gè)微小的計量單位(如1/1000L,該值根據機械表的參數設定)的氣體時(shí),計量電路便發(fā)出1個(gè)計量脈沖,該脈沖如經(jīng)電控系統判定為有效,即進(jìn)入軟件進(jìn)行累計,當達到一定數目(如1/100L)時(shí)可以從存于SAM模塊中的已購氣量中減去1個(gè)計量單位。當剩余氣量為某一設定值時(shí),燃氣表進(jìn)入報警狀態(tài),并關(guān)閉控制閥,切斷氣路以便提醒用戶(hù)購氣。用戶(hù)此時(shí)按一次按鍵后,仍然可以打開(kāi)閥門(mén)繼續用氣;當剩余氣量為零時(shí),控制閥再次關(guān)閉,用戶(hù)只有將存儲一定購氣量的卡插入后才能打開(kāi)閥門(mén)。

2預付費型智能IC卡燃氣表實(shí)現的功能

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

　　(2)加密功能:采用加密強度極高的CPU卡且一戶(hù)一卡,通過(guò)完善的多重內部和外部認證后,達到一定的權限才可實(shí)現購氣及其他操作。

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

　　(4)提示功能:當剩余氣不多(等于某一設定值)時(shí),關(guān)閥一次提醒用戶(hù)購氣。

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

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

3預付費型智能IC卡燃氣表的硬件設計

　　因為本預付費型IC卡燃氣表是一種面向家庭的民用產(chǎn)品,因此,在設計硬件時(shí)要兼顧以下的原則:低成本;低功耗,盡量延長(cháng)電池壽命;高可靠型,不允許死機以及已購氣數據丟失的情況發(fā)生。

3.1 控制單片機的選擇

　　控制單片機選用NEC公司生產(chǎn)的8位單片機uPD789167。uPD789167是44pin封裝的低成本單片機,具有24KB ROM、512B RAM、8路8位A/D轉換器、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)鐘電路的設計

　　本設計使用了uPD789167單片機的3.58MHz的主時(shí)鐘和32kHz的副時(shí)鐘。前者在單片機高速工作時(shí)運行,并經(jīng)過(guò)內部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(fǎng)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,完成內部軟件走時(shí)、氣量的累計和統計,并協(xié)助對單位時(shí)間內的用氣量進(jìn)行判斷,確定是否氣體過(guò)流,必要時(shí)驅動(dòng)LCD模塊的顯示。

3.3 SAM模塊及CPU型IC卡的選擇

　　CPU卡同普通的存儲卡和邏輯加密卡相比,由于采用了CPU、片上操作系統(COS)、文件系統、加解密算法等先進(jìn)技術(shù),因而具有更高的安全性。為了提高智能燃氣表的保密性能,本設計選取了北京握奇公司的SAM模塊和CPU卡作為安全認證、數據存儲和傳輸的介質(zhì)。該產(chǎn)品擁有自主知識產(chǎn)權,符合ISO7816、PBOC等國際標準和行業(yè)標準;支持層次化文件結構,可建立三級應用目錄,適合一卡多用的要求;支持包括二進(jìn)制、定(變)長(cháng)記錄、錢(qián)包記錄等多種文件類(lèi)型;包含可擦寫(xiě)50萬(wàn)次的E2PROM,其容量從0.5K～16KB可選;已有在電表等行業(yè)成功應用的經(jīng)驗。CPU與SAM模塊的接口如圖2所示。標準規定CLOCK頻率必須大于1MHz,本設計中CLOCK為1.79MHz;在不訪(fǎng)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節電池經(jīng)過(guò)3V穩壓后,由VCC給CPU等供電;另一路不穩壓,由VDD給開(kāi)關(guān)閥門(mén)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(mén)的可靠關(guān)閉以及數據傳輸到SAM模塊的可靠保存。

　　電源電路提供了3.3V、3V的電池電壓檢測機制,電壓分壓后進(jìn)入單片機的A/D轉換輸入端,單片機按照固定時(shí)間間隔檢測1次電壓,當發(fā)現低于3.3V時(shí)LCD顯示低壓告警;低于3V時(shí)則關(guān)閉閥門(mén)。此外,電源電路還提供了電池拔去或短路檢測電路。當出現此類(lèi)情況時(shí),9015的集電極變高,以外部中斷的方式激活單片機,使單片機及時(shí)關(guān)閉閥門(mén)。配合BAT54雙二極管,達到了防止電池短路攻擊行為的目的。

　　為了防止從電池接線(xiàn)端子進(jìn)行的高電壓攻擊,配置了TVS管和200mA的可恢復保險絲。再結合IC卡口的保護,保證了本燃氣表的自身安全。