基于SAM模塊的CPU型IC卡燃?xì)獗淼脑O(shè)計

　　預(yù)付費型智能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)為主的智能測控系統(tǒng)而構(gòu)成的。該測控系統(tǒng)主要由單片機(jī)、SAM(Secure Access Module)模塊、CPU IC卡接口、計量電路、保護(hù)檢測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)用戶將含有一定購氣量的CPU型IC卡插入表內(nèi)時,控制閥在電控系統(tǒng)軟件控制下打開氣路閥門。用戶每使用一個微小的計量單位(如1/1000L,該值根據(jù)機(jī)械表的參數(shù)設(shè)定)的氣體時,計量電路便發(fā)出1個計量脈沖,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,當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目(如1/100L)時可以從存于SAM模塊中的已購氣量中減去1個計量單位。當(dāng)剩余氣量為某一設(shè)定值時,燃?xì)獗磉M(jìn)入報警狀態(tài),并關(guān)閉控制閥,切斷氣路以便提醒用戶購氣。用戶此時按一次按鍵后,仍然可以打開閥門繼續(xù)用氣;當(dāng)剩余氣量為零時,控制閥再次關(guān)閉,用戶只有將存儲一定購氣量的卡插入后才能打開閥門。

2預(yù)付費型智能IC卡燃?xì)獗韺崿F(xiàn)的功能

　　(1)計量和控制功能:充分利用單片機(jī)計量各種煤氣用量;通過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)限才可實現(xiàn)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(tǒng)狀態(tài)顯示,如電池欠壓、報警狀態(tài)、氣體過流等。

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

　　(5)報警功能:電池欠壓報警、防止管道破裂的氣體過流報警、閥門打開及關(guān)閉故障報警、外接可燃?xì)怏w報警器接口的報警、卡非正常操作報警、燃?xì)獗黹_蓋報警等。在發(fā)生報警情況時,首先關(guān)閉控制閥,然后蜂鳴器發(fā)聲、LCD顯示。每次報警事件都會記錄在SAM模塊中,在用戶下次購氣時返寫到用戶購氣卡,再由購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、無電池檢測、選用不怕強(qiáng)磁場的特殊脈沖傳感器等。

3預(yù)付費型智能IC卡燃?xì)獗淼挠布O(shè)計

　　因為本預(yù)付費型IC卡燃?xì)獗硎且环N面向家庭的民用產(chǎn)品,因此,在設(shè)計硬件時要兼顧以下的原則:低成本;低功耗,盡量延長電池壽命;高可靠型,不允許死機(jī)以及已購氣數(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副時鐘、6個定時器、4個外部中斷等資源,在掩模后具有非常低的成本。

3.2 時鐘電路的設(shè)計

　　本設(shè)計使用了uPD789167單片機(jī)的3.58MHz的主時鐘和32kHz的副時鐘。前者在單片機(jī)高速工作時運行,并經(jīng)過內(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SAM模塊和IC卡以外的時間里,3.58MHz的主時鐘停止振蕩,而32kHz晶體則一直振蕩,完成內(nèi)部軟件走時、氣量的累計和統(tǒng)計,并協(xié)助對單位時間內(nèi)的用氣量進(jìn)行判斷,確定是否氣體過流,必要時驅(qū)動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(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)存儲和傳輸?shù)慕橘|(zhì)。該產(chǎn)品擁有自主知識產(chǎn)權(quán),符合ISO7816、PBOC等國際標(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)長記錄、錢包記錄等多種文件類型;包含可擦寫50萬次的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。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)計中CLOCK為1.79MHz;在不訪問SAM模塊時,SAM模塊的電源被切斷,同時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)按照固定時間間隔檢測1次電壓,當(dāng)發(fā)現(xiàn)低于3.3V時LCD顯示低壓告警;低于3V時則關(guān)閉閥門。此外,電源電路還提供了電池拔去或短路檢測電路。當(dāng)出現(xiàn)此類情況時,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>