一種面向預(yù)付費(fèi)儀表的光耦合IC卡和卡座

一、引言  

　　由于我國人口眾多，隨著家居和物業(yè)管理現(xiàn)代化水平的提高，預(yù)付費(fèi)類儀表顯現(xiàn)出巨大的市場潛力。近幾年預(yù)付費(fèi)控制技術(shù)發(fā)展很快，IC卡式智能水表、電度表、燃?xì)獗?、熱量表正迅速走進(jìn)千家萬戶，對(duì)IC卡的需求量越來越大，對(duì)卡和卡座的技術(shù)要求也在不斷提高。這類儀表通常采用符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的接觸式IC卡，因?yàn)槠涑杀镜?、開發(fā)周期短、使用方便，被絕大多數(shù)廠家采納。而非接觸式IC卡(射頻卡)因功耗、體積、價(jià)格、可靠性等原因，在電池供電、結(jié)構(gòu)小巧、廉價(jià)的戶用表中較少使用；TM卡也是接觸式的，跟磁卡一樣，在競爭中不占優(yōu)勢.。幾年前，關(guān)于接觸式IC卡在預(yù)付費(fèi)儀表中的應(yīng)用，曾有過激烈爭論，有關(guān)專家指出：電度表“一戶一表”、水、氣、熱“一卡通”等工程因而放慢了腳步，“原因在于IC卡表安全性能頻頻受到置疑，本身存在重大的隱患。IC卡的插卡口存在向用戶開放的問題,使用戶在不受監(jiān)視的環(huán)境下，可采用諸多方法操作卡口：不需破壞電表就可不繳費(fèi)而長期用電。有鑒于此，再加上熱量表的工作條件（熱水、蒸氣、冷凝等等）也必須注意；在研制開發(fā)預(yù)收費(fèi)熱量表時(shí)，應(yīng)研究比卡片式IC卡更好的、適于熱量表的設(shè)計(jì)，否則會(huì)給熱力公司和國家造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失”注①。IC卡水表、燃?xì)獗砉ぷ鳝h(huán)境同樣較差，潮濕、灰塵、油污、鹽霧、卡口磨損及人為因素，都有可能使儀表出現(xiàn)問題。盡管接觸式IC卡存在卡口，卡和卡座的電極裸露，不安全癥狀明顯，但因?yàn)楣┬桦p方感到使用方便，而且又沒有更合適的替代品，所以接觸式IC卡表的市場又漸興旺。  
　 
二、預(yù)付費(fèi)儀表對(duì)IC卡和卡座的基本要求  

　　用于預(yù)付費(fèi)儀表的IC卡、卡座，最好能具備以下特點(diǎn)：  

　　1、卡、卡座應(yīng)該是封閉的，不應(yīng)裸露任何金屬電極。卡式水表即使在戶外雨天或浸在井水中，也可以用卡充值、抄表等操作。在南方，水表安裝在戶外、走廊、大口徑水表安裝在管道井中的情形很多，電度表、熱量表、燃?xì)獗硪餐瑯颖仨毧紤]防水、防潮、防鹽霧、防霉以及要耐受灰塵、油污的影響，卡口外設(shè)密封門，效果差異較大，使用時(shí)也遠(yuǎn)不如非接觸卡方便。  

　　2、卡座在非操作期間，不應(yīng)消耗電能，在工作時(shí)動(dòng)態(tài)電流要盡可能小。卡座不應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性產(chǎn)生不利影響。雖然射頻卡解決了卡面無觸點(diǎn)問題，但是射頻頭的工作電壓、電流一般都遠(yuǎn)大于表芯電子模塊，必須額外采取措施，才能降低功耗。射頻模塊比起接觸式卡座，獲得EMC認(rèn)證有更大的難度和代價(jià)。  

　　3、卡、卡座成本要低，以利于降低整表造價(jià)。讀寫速度、存儲(chǔ)容量夠用即可。畢竟戶用儀表要由老百姓買單，如果所使用的卡座（含射頻模塊），其價(jià)格比表芯模塊價(jià)格還要貴，就不應(yīng)看成是好的選擇。由于射頻模塊迅速普及，射頻卡應(yīng)用也越來越容易，公交、考勤、食堂等公共場合到處可見。在這些場所，射頻頭是公用的，價(jià)格高低、體積、功耗大小都容易被使用單位接受，但在一戶一表甚至一戶多表中，就應(yīng)考慮用戶的承受能力。  

　　4、卡座體積要小，盡可能少占用或不單獨(dú)占用表內(nèi)空間。目前接觸式IC卡卡座的尺寸，與表芯模塊的尺寸大小相近，射頻模塊尺寸更大。如果能夠減少卡座體積，將更有利于美化儀表外觀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也將更加可人。智能表IC卡不象公交、電話、銀行卡那樣經(jīng)常攜帶，所以對(duì)卡片尺寸要求靈活，并非必須得達(dá)到0.8mm不可，但美觀、實(shí)用才會(huì)對(duì)用戶有吸引力。  

　　5、具有比同類IC卡（存儲(chǔ)、加密、CPU）更高的安全性，真正使解密或從中竊取數(shù)據(jù)流更加困難。現(xiàn)有的某些IC卡，因卡口開放，其中數(shù)據(jù)或密碼很容易被截取，生產(chǎn)廠在研發(fā)階段切莫大意，不要以為讀寫過程使用了多少字節(jié)的密碼或分區(qū)就萬事大吉。在嚴(yán)格管理和使用密鑰的同時(shí)，有必要通過算法做進(jìn)一步認(rèn)證，否則可能損失慘重。  

　　6、卡座應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，尤其是在農(nóng)村或其它面向公眾的場合（多塊儀表共用一個(gè)卡座、公用電話，門鎖等），應(yīng)當(dāng)具備拒絕異物、更強(qiáng)的抗受攻擊能力。  

　　7、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和可以逐漸被國際接受的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。積極吸收國外先進(jìn)技術(shù)和引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)自己也要大膽創(chuàng)新，不斷提高自己產(chǎn)品的檔次，使本企業(yè)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，贏得別人認(rèn)同，并且不失時(shí)機(jī)地爭取專業(yè)化合作機(jī)會(huì)。  
　 
三、光耦合IC卡和卡座的原理  

　　光耦合IC卡根據(jù)上面的設(shè)想，盡量體現(xiàn)應(yīng)當(dāng)具備的7個(gè)特點(diǎn)。那么，光耦合IC卡和卡座在技術(shù)上是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？接觸式IC卡表面通常有8個(gè)彼此絕緣的片狀金屬電極，分別跟后面的芯片引腳相連，工作時(shí)觸點(diǎn)與卡座上的電刷接通，在MCU操控下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在上述電極中，除兩個(gè)電源腳外，其余都是信號(hào)端，參見圖1。  

圖1  

　　當(dāng)IC卡插進(jìn)卡座之后，電刷與觸點(diǎn)一一接觸，構(gòu)成通路，這是接觸式IC卡的典型特征。如果采用光隔離的方法，即信號(hào)可以通過光電方式耦合，發(fā)射方控制發(fā)光二極管亮暗傳遞0、1，接收方用光電接收管獲得數(shù)據(jù)，目前常見的接觸式IC卡，利用2到4對(duì)光電器件，都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)（SUART、I2C、SPI、QSPI方式）的非接觸傳送。面向預(yù)付費(fèi)表的IC卡允許內(nèi)裝電池，如扣式鋰電池、堿性電池等，增加電池并不意味技術(shù)倒退，而是面向?qū)ｉT領(lǐng)域的一種實(shí)用化的選擇，采用“表內(nèi)電源懸浮端口”或采用射頻供電，卡片也可以做得很薄（1.2mm），只是成本增加了，卡座體積、表內(nèi)功耗相應(yīng)變大。預(yù)付費(fèi)卡不須經(jīng)常攜帶，所以薄厚并不重要，重要的是：安全、美觀、使用維護(hù)方便。卡內(nèi)設(shè)電池后，增加了感應(yīng)開關(guān)SK，當(dāng)卡壓靠在卡座上，SK、SZ同時(shí)導(dǎo)通，卡離開卡座后，SK、SZ自動(dòng)斷開，卡在非工作期間，也不消耗電能，電池允許用戶更換。通過光耦合、內(nèi)設(shè)電源等措施，可以徹底不用原接觸式IC卡的全部觸點(diǎn)，使新卡成為全封閉、非接觸式的光耦合IC卡，卡座成為光卡座。這種卡使用方法簡單，卡與卡座間象手拍手一樣，就能完成數(shù)據(jù)交換。光耦合IC卡和卡座，是由“封閉式IC卡及卡座”發(fā)展而來，顧名思義：光電耦合，即是其基本工作原理，其核心全部符合ZL00210795.3注②和ZL00252812.6注③兩項(xiàng)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。  

　　目前，采用多種芯片的光耦合IC卡，分別進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和試用。圖2是采用光耦合IC卡和卡座的預(yù)付費(fèi)表部分電路圖。  

圖2  

四、光耦合IC卡和卡座的應(yīng)用  

　 雖然光耦合IC卡無觸點(diǎn)，但是它的使用方法仍然保留了接觸式IC卡的風(fēng)格，如編程方法就十分相似，當(dāng)用口線模擬I2C操作時(shí)，程序幾乎可原樣移植，只是讀、寫線要分開，對(duì)于SPI結(jié)構(gòu)的芯片，程序結(jié)構(gòu)完全相同，參見表1。當(dāng)卡芯片使用CPU時(shí)，既可以模擬I2C、SPI方式，也可以使用串口，這時(shí)只要有兩對(duì)光電管，就可以交換數(shù)據(jù)。圖2 是使用PHILIPS P87LPC764 為MCU的IC卡表的部分實(shí)際電路，卡座由LZ1~LZ3、PZ1、R1~R4、SZ組成，CPU、E2PROM以及卡座在內(nèi)的全部元器件貼焊（或部分綁定）在同一塊PCB上，它可以跟多種加密卡芯片、存儲(chǔ)卡芯片、CPU芯片構(gòu)成的光耦合IC卡進(jìn)行通訊，若使用存儲(chǔ)卡，那么LZ3、R4、PK3以及卡中的RST線都可以省略。  

　 目前眾多MCU 的IO腳都具有足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力，可直接外掛LED，本例中，P87LPC764設(shè)置為上電后內(nèi)部復(fù)位、引腳為高電平，所以P1.5(/RESET)引腳作為IO 腳使用，內(nèi)含的施密特觸發(fā)器，可對(duì)PZ1輸入信號(hào)整形。感應(yīng)開關(guān)SZ的作用是：當(dāng)IC卡壓靠在卡座上時(shí)，SZ導(dǎo)通，使PZ1上電，也向INT0引腳提供中斷信號(hào)，當(dāng)卡離開卡座之后，SZ斷開，顯然卡座空閑時(shí)不消耗電流。  

　 當(dāng)圖2中的光電元件固定在PCB上之后，為了能跟光電IC卡通信，表殼對(duì)應(yīng)光電元件的位置應(yīng)預(yù)留透光孔，當(dāng)然表殼可以使用透光（紅外）材料制造，也可以用透光樹脂對(duì)光孔填封。本圖中的發(fā)光管與卡中的接收管一一對(duì)應(yīng)，接收管P1應(yīng)與IC卡中的發(fā)射管相互對(duì)應(yīng)，幾何位置相對(duì)固定，才能保證多條光路分別暢通。表殼上應(yīng)當(dāng)有對(duì)IC卡限位的凹口或凸面，以利于操作時(shí)一步到位，把卡輕輕壓靠在表殼的指定位置，瞬時(shí)即可完成讀寫任務(wù)。  
　 
五、結(jié)論  

　　目前，光耦合IC卡、卡座的成本很低，穩(wěn)定可靠，安全性能比接觸式結(jié)構(gòu)有明顯提高，在卡式智能儀表中有較好的應(yīng)用前景。  
　 
　　注① ：《關(guān)于熱量表的設(shè)計(jì)和選用》 中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員　王樹鐸  
　　注② ：《封閉式IC卡及卡座》ZL00210795.3　佩皮尼昂大學(xué)（法） 王鵬　 
　　注③ ：《封閉式IC卡及卡座中的開關(guān)》ZL00252812.6　　 吉林市大泰科技開發(fā)有限公司 王傳發(fā)　 
　  
【參考文獻(xiàn)】：王愛英 主編《智能卡技術(shù)　—IC卡—》 清華大學(xué)出版社　2000年10月第二版