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一种面向预付费仪表的光耦合IC卡和卡座
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一、引言
由于我国人口众多，随着家居和物业管理现代化水平的提高，预付费类仪表显现出巨大的市场潜力。近几年预付费控制技术发展很快，IC卡式智能水表、电度表、燃气表、热量表正迅速走进千家万户，对IC卡的需求量越来越大，对卡和卡座的技术要求也在不断提高。这类仪表通常采用符合ISO7816标准的接触式IC卡，因为其成本低、开发周期短、使用方便，被绝大多数厂家采纳。而非接触式IC卡(射频卡)因功耗、体积、价格、可靠性等原因，在电池供电、结构小巧、廉价的户用表中较少使用；TM卡也是接触式的，跟磁卡一样，在竞争中不占优势.。几年前，关于接触式IC卡在预付费仪表中的应用，曾有过激烈争论，有关专家指出：电度表“一户一表”、水、气、热“一卡通”等工程因而放慢了脚步，“原因在于IC卡表安全性能频频受到置疑，本身存在重大的隐患。IC卡的插卡口存在向用户开放的问题,使用户在不受监视的环境下，可采用诸多方法操作卡口：不需破坏电表就可不缴费而长期用电。有鉴于此，再加上热量表的工作条件（热水、蒸气、冷凝等等）也必须注意；在研制开发预收费热量表时，应研究比卡片式IC卡更好的、适于热量表的设计，否则会给热力公司和国家造成难以估量的经济损失”注①。IC卡水表、燃气表工作环境同样较差，潮湿、灰尘、油污、盐雾、卡口磨损及人为因素，都有可能使仪表出现问题。尽管接触式IC卡存在卡口，卡和卡座的电极裸露，不安全症状明显，但因为供需双方感到使用方便，而且又没有更合适的替代品，所以接触式IC卡表的市场又渐兴旺。
二、预付费仪表对IC卡和卡座的基本要求
用于预付费仪表的IC卡、卡座，最好能具备以下特点：
1、卡、卡座应该是封闭的，不应裸露任何金属电极。卡式水表即使在户外雨天或浸在井水中，也可以用卡充值、抄表等操作。在南方，水表安装在户外、走廊、大口径水表安装在管道井中的情形很多，电度表、热量表、燃气表也同样必须考虑防水、防潮、防盐雾、防霉以及要耐受灰尘、油污的影响，卡口外设密封门，效果差异较大，使用时也远不如非接触卡方便。
2、卡座在非操作期间，不应消耗电能，在工作时动态电流要尽可能小。卡座不应对系统的电磁兼容性产生不利影响。虽然射频卡解决了卡面无触点问题，但是射频头的工作电压、电流一般都远大于表芯电子模块，必须额外采取措施，才能降低功耗。射频模块比起接触式卡座，获得EMC认证有更大的难度和代价。
3、卡、卡座成本要低，以利于降低整表造价。读写速度、存储容量够用即可。毕竟户用仪表要由老百姓买单，如果所使用的卡座（含射频模块），其价格比表芯模块价格还要贵，就不应看成是好的选择。由于射频模块迅速普及，射频卡应用也越来越容易，公交、考勤、食堂等公共场合到处可见。在这些场所，射频头是公用的，价格高低、体积、功耗大小都容易被使用单位接受，但在一户一表甚至一户多表中，就应考虑用户的承受能力。
4、卡座体积要小，尽可能少占用或不单独占用表内空间。目前接触式IC卡卡座的尺寸，与表芯模块的尺寸大小相近，射频模块尺寸更大。如果能够减少卡座体积，将更有利于美化仪表外观，内部结构也将更加可人。智能表IC卡不象公交、电话、银行卡那样经常携带，所以对卡片尺寸要求灵活，并非必须得达到0.8mm不可，但美观、实用才会对用户有吸引力。
5、具有比同类IC卡（存储、加密、CPU）更高的安全性，真正使解密或从中窃取数据流更加困难。现有的某些IC卡，因卡口开放，其中数据或密码很容易被截取，生产厂在研发阶段切莫大意，不要以为读写过程使用了多少字节的密码或分区就万事大吉。在严格管理和使用密钥的同时，有必要通过算法做进一步认证，否则可能损失惨重。
6、卡座应有足够的机械强度，尤其是在农村或其它面向公众的场合（多块仪表共用一个卡座、公用电话，门锁等），应当具备拒绝异物、更强的抗受攻击能力。
7、具有自主知识产权和可以逐渐被国际接受的产品标准。积极吸收国外先进技术和引进先进的生产设备，同时自己也要大胆创新，不断提高自己产品的档次，使本企业的产品标准，赢得别人认同，并且不失时机地争取专业化合作机会。
三、光耦合IC卡和卡座的原理
光耦合IC卡根据上面的设想，尽量体现应当具备的7个特点。那么，光耦合IC卡和卡座在技术上是怎样实现的呢？接触式IC卡表面通常有8个彼此绝缘的片状金属电极，分别跟后面的芯片引脚相连，工作时触点与卡座上的电刷接通，在MCU操控下进行数据交换。在上述电极中，除两个电源脚外，其余都是信号端，参见图1。
由于我国人口众多，随着家居和物业管理现代化水平的提高，预付费类仪表显现出巨大的市场潜力。近几年预付费控制技术发展很快，IC卡式智能水表、电度表、燃气表、热量表正迅速走进千家万户，对IC卡的需求量越来越大，对卡和卡座的技术要求也在不断提高。这类仪表通常采用符合ISO7816标准的接触式IC卡，因为其成本低、开发周期短、使用方便，被绝大多数厂家采纳。而非接触式IC卡(射频卡)因功耗、体积、价格、可靠性等原因，在电池供电、结构小巧、廉价的户用表中较少使用；TM卡也是接触式的，跟磁卡一样，在竞争中不占优势.。几年前，关于接触式IC卡在预付费仪表中的应用，曾有过激烈争论，有关专家指出：电度表“一户一表”、水、气、热“一卡通”等工程因而放慢了脚步，“原因在于IC卡表安全性能频频受到置疑，本身存在重大的隐患。IC卡的插卡口存在向用户开放的问题,使用户在不受监视的环境下，可采用诸多方法操作卡口：不需破坏电表就可不缴费而长期用电。有鉴于此，再加上热量表的工作条件（热水、蒸气、冷凝等等）也必须注意；在研制开发预收费热量表时，应研究比卡片式IC卡更好的、适于热量表的设计，否则会给热力公司和国家造成难以估量的经济损失”注①。IC卡水表、燃气表工作环境同样较差，潮湿、灰尘、油污、盐雾、卡口磨损及人为因素，都有可能使仪表出现问题。尽管接触式IC卡存在卡口，卡和卡座的电极裸露，不安全症状明显，但因为供需双方感到使用方便，而且又没有更合适的替代品，所以接触式IC卡表的市场又渐兴旺。
二、预付费仪表对IC卡和卡座的基本要求
用于预付费仪表的IC卡、卡座，最好能具备以下特点：
1、卡、卡座应该是封闭的，不应裸露任何金属电极。卡式水表即使在户外雨天或浸在井水中，也可以用卡充值、抄表等操作。在南方，水表安装在户外、走廊、大口径水表安装在管道井中的情形很多，电度表、热量表、燃气表也同样必须考虑防水、防潮、防盐雾、防霉以及要耐受灰尘、油污的影响，卡口外设密封门，效果差异较大，使用时也远不如非接触卡方便。
2、卡座在非操作期间，不应消耗电能，在工作时动态电流要尽可能小。卡座不应对系统的电磁兼容性产生不利影响。虽然射频卡解决了卡面无触点问题，但是射频头的工作电压、电流一般都远大于表芯电子模块，必须额外采取措施，才能降低功耗。射频模块比起接触式卡座，获得EMC认证有更大的难度和代价。
3、卡、卡座成本要低，以利于降低整表造价。读写速度、存储容量够用即可。毕竟户用仪表要由老百姓买单，如果所使用的卡座（含射频模块），其价格比表芯模块价格还要贵，就不应看成是好的选择。由于射频模块迅速普及，射频卡应用也越来越容易，公交、考勤、食堂等公共场合到处可见。在这些场所，射频头是公用的，价格高低、体积、功耗大小都容易被使用单位接受，但在一户一表甚至一户多表中，就应考虑用户的承受能力。
4、卡座体积要小，尽可能少占用或不单独占用表内空间。目前接触式IC卡卡座的尺寸，与表芯模块的尺寸大小相近，射频模块尺寸更大。如果能够减少卡座体积，将更有利于美化仪表外观，内部结构也将更加可人。智能表IC卡不象公交、电话、银行卡那样经常携带，所以对卡片尺寸要求灵活，并非必须得达到0.8mm不可，但美观、实用才会对用户有吸引力。
5、具有比同类IC卡（存储、加密、CPU）更高的安全性，真正使解密或从中窃取数据流更加困难。现有的某些IC卡，因卡口开放，其中数据或密码很容易被截取，生产厂在研发阶段切莫大意，不要以为读写过程使用了多少字节的密码或分区就万事大吉。在严格管理和使用密钥的同时，有必要通过算法做进一步认证，否则可能损失惨重。
6、卡座应有足够的机械强度，尤其是在农村或其它面向公众的场合（多块仪表共用一个卡座、公用电话，门锁等），应当具备拒绝异物、更强的抗受攻击能力。
7、具有自主知识产权和可以逐渐被国际接受的产品标准。积极吸收国外先进技术和引进先进的生产设备，同时自己也要大胆创新，不断提高自己产品的档次，使本企业的产品标准，赢得别人认同，并且不失时机地争取专业化合作机会。
三、光耦合IC卡和卡座的原理
光耦合IC卡根据上面的设想，尽量体现应当具备的7个特点。那么，光耦合IC卡和卡座在技术上是怎样实现的呢？接触式IC卡表面通常有8个彼此绝缘的片状金属电极，分别跟后面的芯片引脚相连，工作时触点与卡座上的电刷接通，在MCU操控下进行数据交换。在上述电极中，除两个电源脚外，其余都是信号端，参见图1。
图1
当IC卡插进卡座之后，电刷与触点一一接触，构成通路，这是接触式IC卡的典型特征。如果采用光隔离的方法，即信号可以通过光电方式耦合，发射方控制发光二极管亮暗传递0、1，接收方用光电接收管获得数据，目前常见的接触式IC卡，利用2到4对光电器件，都可以实现信号（SUART、I2C、SPI、QSPI方式）的非接触传送。面向预付费表的IC卡允许内装电池，如扣式锂电池、碱性电池等，增加电池并不意味技术倒退，而是面向专门领域的一种实用化的选择，采用“表内电源悬浮端口”或采用射频供电，卡片也可以做得很薄（1.2mm），只是成本增加了，卡座体积、表内功耗相应变大。预付费卡不须经常携带，所以薄厚并不重要，重要的是：安全、美观、使用维护方便。卡内设电池后，增加了感应开关SK，当卡压靠在卡座上，SK、SZ同时导通，卡离开卡座后，SK、SZ自动断开，卡在非工作期间，也不消耗电能，电池允许用户更换。通过光耦合、内设电源等措施，可以彻底不用原接触式IC卡的全部触点，使新卡成为全封闭、非接触式的光耦合IC卡，卡座成为光卡座。这种卡使用方法简单，卡与卡座间象手拍手一样，就能完成数据交换。光耦合IC卡和卡座，是由“封闭式IC卡及卡座”发展而来，顾名思义：光电耦合，即是其基本工作原理，其核心全部符合ZL00210795.3注②和ZL00252812.6注③两项自有知识产权。
目前，采用多种芯片的光耦合IC卡，分别进行了大量实验和试用。图2是采用光耦合IC卡和卡座的预付费表部分电路图。
图2
四、光耦合IC卡和卡座的应用
虽然光耦合IC卡无触点，但是它的使用方法仍然保留了接触式IC卡的风格，如编程方法就十分相似，当用口线模拟I2C操作时，程序几乎可原样移植，只是读、写线要分开，对于SPI结构的芯片，程序结构完全相同，参见表1。当卡芯片使用CPU时，既可以模拟I2C、SPI方式，也可以使用串口，这时只要有两对光电管，就可以交换数据。图2 是使用PHILIPS P87LPC764 为MCU的IC卡表的部分实际电路，卡座由LZ1~LZ3、PZ1、R1~R4、SZ组成，CPU、E2PROM以及卡座在内的全部元器件贴焊（或部分绑定）在同一块PCB上，它可以跟多种加密卡芯片、存储卡芯片、CPU芯片构成的光耦合IC卡进行通讯，若使用存储卡，那么LZ3、R4、PK3以及卡中的RST线都可以省略。
目前众多MCU 的IO脚都具有足够的电流驱动能力，可直接外挂LED，本例中，P87LPC764设置为上电后内部复位、引脚为高电平，所以P1.5(/RESET)引脚作为IO 脚使用，内含的施密特触发器，可对PZ1输入信号整形。感应开关SZ的作用是：当IC卡压靠在卡座上时，SZ导通，使PZ1上电，也向INT0引脚提供中断信号，当卡离开卡座之后，SZ断开，显然卡座空闲时不消耗电流。
当图2中的光电元件固定在PCB上之后，为了能跟光电IC卡通信，表壳对应光电元件的位置应预留透光孔，当然表壳可以使用透光（红外）材料制造，也可以用透光树脂对光孔填封。本图中的发光管与卡中的接收管一一对应，接收管P1应与IC卡中的发射管相互对应，几何位置相对固定，才能保证多条光路分别畅通。表壳上应当有对IC卡限位的凹口或凸面，以利于操作时一步到位，把卡轻轻压靠在表壳的指定位置，瞬时即可完成读写任务。
五、结论
目前，光耦合IC卡、卡座的成本很低，稳定可靠，安全性能比接触式结构有明显提高，在卡式智能仪表中有较好的应用前景。
注① ：《关于热量表的设计和选用》 中国城镇供热协会技术委员会委员 王树铎
注② ：《封闭式IC卡及卡座》ZL00210795.3 佩皮尼昂大学（法） 王鹏
注③ ：《封闭式IC卡及卡座中的开关》ZL00252812.6 吉林市大泰科技开发有限公司 王传发
【参考文献】：王爱英 主编《智能卡技术 —IC卡—》 清华大学出版社 2000年10月第二版
