IC卡預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳式儀表設(shè)計(jì)

北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

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摘要

IC卡技術(shù)是以計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。本文是在對(duì)IC卡技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)具有邏輯加密功能的IC卡在儀表控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。論文首先總結(jié)了前人的研究成果，結(jié)合現(xiàn)在電表收費(fèi)中存在的弊端進(jìn)行了分析，介紹了IC卡技術(shù)的相關(guān)知識(shí)、發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用,并對(duì)IC卡在傳輸中的安全問題做了闡述。本文以電表為例對(duì)IC卡在儀表中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。IC卡電表預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)采用硬件和軟件相結(jié)合的方法，通過匯編語言編程實(shí)現(xiàn)IC卡在電表終端的刷卡消費(fèi)。本系統(tǒng)所涉及的主要內(nèi)容有：IC卡的基礎(chǔ)知識(shí)；硬件的選用、硬件設(shè)計(jì)和功能分析；主程序、插卡中斷子程序、用戶卡子程序、脈沖中斷子程序和顯示子程序的軟件設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)。通過對(duì)系統(tǒng)中涉及的硬件的選用和組合，使整個(gè)系統(tǒng)的功耗和穩(wěn)定性達(dá)到較好效果。通過對(duì)IC卡的選用和內(nèi)部存儲(chǔ)器的合理分配以及對(duì)程序的合理設(shè)計(jì)增強(qiáng)了IC卡中數(shù)據(jù)的安全性。本文對(duì)IC卡密碼安全和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了討論。

經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家現(xiàn)在都以信息產(chǎn)業(yè)，即由現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)所構(gòu)成的新興產(chǎn)業(yè)群，作為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)?？梢赃@樣說，在人類有史以來所形成的各種產(chǎn)業(yè)中，沒有哪一種能有這么迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，沒有哪一種能具有這么廣泛的滲透性，沒有哪一種能有這么深入地改變與影響人們的生活乃至思維方式。信息產(chǎn)業(yè)決定著本世紀(jì)的力量對(duì)比，世界各國(guó)無不向這個(gè)新的制高點(diǎn)沖擊。

關(guān)鍵詞：IC卡，電度表，ISO7816，單片機(jī)

Abstract

ThetechnologyabouttheICcardisarecentlyrisingtechnology,itbasedonthecomputerandcommunication.ThispaperistheapplicationandresearchforthelogiccryptographlcICcardinthemeterbasedonthefoundationintechniqueofICcard.Atfirst,thecurrentachievementsinthefieldaresummarized.Thispaperanalyzestheexistingabuseoftheelectrodynamicmeter’schargenowadays,introducestherelatedknowledge,decelopingstateandapplicationaboutICcardtechnology,andelaboratesthesecurityproblemaboutthetransmissionwithICcard.ThispapertakestheprepaidelectrodynamicmeterasanexampletothecardofICintheapplicationthoroughstudy.ThecontrollingsystemoftheprepaidelectrodynamicmeterwithICcardcombineshardwareandsoftwareknowledgeandaccomplishesconsumptionoftheelectrodynamicmeterterminalwithICcardthroughassemblylanguageprogramming.

Thissystem’smaincontentinvolvesthebaseknowledgeoftheICcard,thehardwarechoosestousewithdesign,systemofthehardwareprimarilytoanalyzewiththefunction;Themainprocedure,theICcardbreak－sub-procedure,thecustomercardsub-procedure,thepulsebreak－sub-procedureandthedisplay-sub-proceduredesignanddatasecurity.Thesysteminconsumptionandstabilityisoptinaleffectthroughselectionhardware.Thecard’ssecuritywithdataisenhancedthroughprogramminginreason.TheICciphercodesecurityanddatacheckarediscussedinthethesis.

Keywords:ICcard，theelectrodynamicmeter，ISO7816，microchipcomputer

北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

目錄

摘要

1

Abstract

2

引言

1

1.緒論

2

1.1本文研究的背景及目的

2

1.2本文研究的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)

3

2.IC卡的發(fā)展與應(yīng)用

4

2.1信息和金卡工程

4

2.1.1信息和信息社會(huì)

4

2.1.2金卡工程

4

2.2IC卡的興起

5

2.3國(guó)內(nèi)外IC卡的應(yīng)用狀況

6

3.IC卡技術(shù)與安全

8

3.1IC卡的物理特性

8

3.1.1IC卡的構(gòu)成

8

3.1.2IC卡的觸點(diǎn)功能

8

3.2IC卡存儲(chǔ)器

8

3.3IC卡的操作過程

9

3.4IC卡的安全性

10

4.IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)分析

12

4.1現(xiàn)狀分析

12

4.2IC卡預(yù)付費(fèi)電表工作過程

12

4.3設(shè)計(jì)功能

13

5.IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

15

5.1硬件選擇

15

5.1.1單片機(jī)選擇

15

5.1.2存儲(chǔ)芯片的選用

19

5.1.3IC卡的選用

21

5.1.4顯示驅(qū)動(dòng)芯片的選用

30

5.2硬件設(shè)計(jì)

33

5.3IC卡電度表的控制軟件

37

5.3.1IC卡的認(rèn)證

38

5.3.2程序設(shè)計(jì)控制軟件

38

5.4系統(tǒng)抗干擾分析

42

5.5系統(tǒng)安全性分析

46

結(jié)論

47

參考文獻(xiàn)

48

附錄系統(tǒng)總圖

50

致謝

51

北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

引言

IC卡作為信息載體在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中對(duì)人類信息技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的作用。IC卡一出現(xiàn)便受到了人們的重視，如今它的發(fā)展已經(jīng)歷存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡到現(xiàn)在的智能卡階段，并有取代磁卡的趨勢(shì)。所以，對(duì)IC卡的研究也成為信息技術(shù)研究中的重要部分。IC卡技術(shù)的不斷發(fā)展以及國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)服務(wù)意識(shí)的提高，在與居民用戶日常生活相關(guān)的計(jì)量表中使用IC卡技術(shù)已經(jīng)得到了迅速的推廣和廣泛的應(yīng)用。目前在電表、水表、燃?xì)獗硪约芭瘹鉄崃Ρ碇卸家呀?jīng)開始采用IC卡作為抄表收費(fèi)、控制以及數(shù)據(jù)管理的媒介。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡(jiǎn)稱，它是把具有存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理能力的芯片鑲嵌于塑料基片之中，這種既具有智能性，又便于攜帶的卡片，為現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種全新手段，它一出現(xiàn)就倍受重視。1987年起，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO專門為IC卡制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標(biāo)準(zhǔn)為IC卡在全世界范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡又被稱作開創(chuàng)市場(chǎng)之卡，也就是說，IC卡不僅改進(jìn)了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。帶微處理器的IC卡稱之為智能IC卡，它被認(rèn)為是世界上最小的個(gè)人計(jì)算機(jī)。正如同計(jì)算機(jī)或各種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，IC卡本身并不創(chuàng)造任何價(jià)值。即使是高度智能化的IC卡，和386、486的計(jì)算機(jī)的處理能力比較相差甚遠(yuǎn)，它僅僅具有部分計(jì)算機(jī)的功能。但是，如果把IC卡和其它設(shè)備組成系統(tǒng)就能提供非常豐富的服務(wù)功能。把這些功能和生產(chǎn)領(lǐng)域有機(jī)的結(jié)合起來，將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.緒論

1.1本文研究的背景及目的

當(dāng)今世界信息技術(shù)的發(fā)展已廣泛地滲透到社會(huì)各領(lǐng)域，并在世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于信息化建設(shè)，在美國(guó)提出“國(guó)信息基礎(chǔ)設(shè)施NII(NationalInformationInfrastructure)計(jì)劃”之后，歐共體、日本、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家也都相繼制定了信息高速公路計(jì)劃，以此來加速本國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。中國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的國(guó)家，作為加速發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略舉措，中國(guó)政府正在致力于國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化的建設(shè)，以“金橋”、“金卡”、“金關(guān)”、“金稅”工程為代表的“金系列”工程的實(shí)施，就是中國(guó)政府為推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化建設(shè)所采取的重要行動(dòng)。這些工程的建成，將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)信息化水平的提高作出積極的貢獻(xiàn)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)來改造和裝備各個(gè)部門，逐步建設(shè)一個(gè)比較發(fā)達(dá)的信息社會(huì)，對(duì)發(fā)展中國(guó)家來說，是一場(chǎng)全新的技術(shù)革命和社會(huì)改革，我們需要在實(shí)踐中努力探索和提高。如何將人類的社會(huì)活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)與現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)和流通手段聯(lián)系在一起是非常重要的，只有這樣才能更好地發(fā)揮人們的聰明才智，才能使人類享受到信息化帶來的高度精神文明和物質(zhì)文明。IC卡作為信息載體在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中對(duì)人類信息技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的作用。IC卡一出現(xiàn)便受到了人們的重視，如今它的發(fā)展已經(jīng)歷存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡到現(xiàn)在的智能卡階段，并有取代磁卡的趨勢(shì)。所以，對(duì)IC卡的研究也成為信息技術(shù)研究中的重要部分。IC卡技術(shù)的不斷發(fā)展以及國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)服務(wù)意識(shí)的提高，在與居民用戶日常生活相關(guān)的計(jì)量表中使用IC卡技術(shù)已經(jīng)得到了迅速的推廣和廣泛的應(yīng)用。目前在電表、水表、燃?xì)獗硪约芭瘹鉄崃Ρ碇卸家呀?jīng)開始采用IC卡作為抄表收費(fèi)、控制以及數(shù)據(jù)管理的媒介。

如今，IC卡技術(shù)在金融、交通、學(xué)校、醫(yī)療、通信、儀表等領(lǐng)域已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本文在研究IC卡的基礎(chǔ)上以IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例說明IC卡的應(yīng)用。IC卡預(yù)付費(fèi)電表是將IC卡技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的低成本、高性能的電能計(jì)量收費(fèi)裝置。該表不但實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)的電子化，而且還改變了先用電后收費(fèi)的不合理狀況，讓能源真正成為商品，變被動(dòng)為主動(dòng)，完善能源銷售環(huán)節(jié)，從根本上解決了人工抄表收費(fèi)費(fèi)工費(fèi)時(shí)的弊端，特別是杜絕了拖欠費(fèi)用現(xiàn)象，加速了資金回籠。

1.2本文研究的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)

本文共分為五個(gè)部分（即五章）。第一部分引言，介紹了課題背景和目的等；在第二章綜述中，介紹了IC卡的發(fā)展?fàn)顩r和分類以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)；第三章介紹了IC卡基本特性；第四章對(duì)IC卡預(yù)付費(fèi)電表的應(yīng)用現(xiàn)狀、工作原理和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了論述；第五章是本論文核心部分，即IC卡預(yù)付費(fèi)電表的設(shè)計(jì)，包括硬件選擇和設(shè)計(jì)，軟件控制的研究及其實(shí)現(xiàn)。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡(jiǎn)稱，它是把具有存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理能力的芯片鑲嵌于塑料基片之中，這種既具有智能性，又便于攜帶的卡片，為現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種全新手段，它一出現(xiàn)就倍受重視。1987年起，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO專門為IC卡制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標(biāo)準(zhǔn)為IC卡在全世界范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡具有突出的3S特點(diǎn)，即Standard(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化)，Smart（靈巧智能化）和Security（安全性），因而發(fā)展迅速。IC卡又被稱作開創(chuàng)市場(chǎng)之卡，也就是說，IC卡不僅改進(jìn)了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.IC卡的發(fā)展與應(yīng)用

2.1信息和金卡工程

2.1.1信息和信息社會(huì)

對(duì)于信息，很難給出確切統(tǒng)一的定義，我們只能在不同的領(lǐng)域中，從不同的角度來理解其內(nèi)含和外延。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，把信息定義為數(shù)據(jù)、消息中所包含的內(nèi)容。日常，人們把信息視作信號(hào)、數(shù)據(jù)、資料、情報(bào)、知識(shí)等等，而信息則被包含在各種信號(hào)及其組合的表達(dá)手段之中?？刂普摰旎薔.Wiener在《人有人的用處》一書中認(rèn)為：“信息這個(gè)名稱的內(nèi)容，就是我們對(duì)外界進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使我們的調(diào)節(jié)為外界所了解時(shí)而與外界交換來的東西?！边@個(gè)定義說明信息作為作用與反作用的表征存在于反映事物的相互聯(lián)系之中。

人類社會(huì)的發(fā)展在經(jīng)歷了茹毛飲血的上古時(shí)代之后，就進(jìn)入了開發(fā)綠色資源的畜牧和耕耘的農(nóng)業(yè)社會(huì)。而后則是開發(fā)鋼鐵、煤炭、石油等黑色資源的工業(yè)化社會(huì)。目前，正在向“后工業(yè)化社會(huì)”演變的階段之中。所謂“后工業(yè)化社會(huì)”，有人認(rèn)為就是開發(fā)灰色資源（大腦皮層）的信息社會(huì)。今天，大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已跨入“后工業(yè)化社會(huì)”或稱“信息化社會(huì)”。第三產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的比重已接近2/3。從前是“鋼鐵即國(guó)家”，如今“半導(dǎo)體成了工業(yè)的糧食”，“電子即國(guó)家”。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家現(xiàn)在都以信息產(chǎn)業(yè)，即由現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)所構(gòu)成的新興產(chǎn)業(yè)群，作為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。可以這樣說，在人類有史以來所形成的各種產(chǎn)業(yè)中，沒有哪一種能有這么迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，沒有哪一種能具有這么廣泛的滲透性，沒有哪一種能有這么深入地改變與影響人們的生活乃至思維方式。信息產(chǎn)業(yè)決定著本世紀(jì)的力量對(duì)比，世界各國(guó)無不向這個(gè)新的制高點(diǎn)沖擊。

2.1.2金卡工程

正是在世界各國(guó)對(duì)信息技術(shù)非常重視的背景下，出于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀而又迫切的需要，國(guó)家作出了加快我國(guó)信息化進(jìn)程的重大決策。而“三金工程”則是國(guó)家經(jīng)濟(jì)信息化的基礎(chǔ)，它們的出臺(tái)和實(shí)施標(biāo)志著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的信息化正走向一個(gè)新的高度?！叭鸸こ獭敝?，特別是“金卡工程”，只有它是直接面向廣大群眾的，和億萬人民生活息息相關(guān)的工程，它將影響和改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)觀念和消費(fèi)習(xí)慣，促進(jìn)市場(chǎng)繁榮，極大的方便人們的生活和消費(fèi)，未來將是“一卡在手，走遍天下”?！敖鹂üこ獭币簿褪恰半娮迂泿殴こ獭?，它首先是從銀行卡起步的，銀行卡以外的卡就是非銀行卡，非銀行卡可分為兩大類：其一是非金融機(jī)構(gòu)發(fā)行的并且不經(jīng)金融機(jī)構(gòu)結(jié)算的可以在有限范圍內(nèi)起支付作用的卡，例如，嵌入煤氣表或電表中作為收費(fèi)工具的IC卡；在公共汽車或出租汽車上用于支付交通費(fèi)的卡；其二是作為特定屬性證明的一種信息卡，例如，具有個(gè)人醫(yī)療信息的醫(yī)療卡。所有這些都是金卡工程的有機(jī)組成部分。所以，“金卡工程”又是一項(xiàng)跨地區(qū)跨行業(yè)的偉大工程，將起到促進(jìn)社會(huì)信息化和現(xiàn)代化的巨大作用。

2.2IC卡的興起

早在19世紀(jì)50年代，使用卡片作為交易憑證，就萌芽于英國(guó)，初期是使用紙制卡式憑證。1950年美國(guó)商人麥克拉馬納設(shè)計(jì)了第一張現(xiàn)代的塑料信用卡，1951年美國(guó)富蘭克林銀行作為金融機(jī)構(gòu)率先發(fā)行了信用卡，這種新型支付手段和商品流通系統(tǒng)與銀行的資金結(jié)算結(jié)合在一起。50年代出現(xiàn)了沖壓凸出字的塑料卡，如美國(guó)曾大量使用的用于金融交易的塑料金屬交易卡即FTI（FinancialTransactionCard）就屬于這種類型，可以用機(jī)械方法把帶有凸字的卡片的發(fā)行人和客戶帳號(hào)印到紙質(zhì)單據(jù)上。隨著卡應(yīng)用的擴(kuò)大，只有這些基本特性已顯得不夠了，另外，卡發(fā)行者因不斷增加的欺詐行為而蒙受損失，如何改進(jìn)卡的功能就變的越來越迫切了。60年代末隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和磁記錄技術(shù)的出現(xiàn)，人們很快在FTI卡的背面貼上磁條，發(fā)展成能自動(dòng)讀取信息并進(jìn)行在線計(jì)算和自動(dòng)處理的磁卡。磁卡因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，得以迅速推廣。

磁卡具有易讀寫，易修改，易復(fù)制的特點(diǎn)，但也正因?yàn)檫@些特征，使得磁卡本身的信息具有易消失，易偽造等不可靠和不安全因素。人們迫切需要新型卡片的出現(xiàn)。1972年法國(guó)新聞?dòng)浾吡_蘭莫雷諾提出了將一個(gè)集成電路芯片鑲嵌在一塊塑料片上的想法，此后法國(guó)布爾公司率先投入了這一潛力無窮的高新技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā)。1976年布爾公司高級(jí)研究員于貢所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先研制了世界上第一張由雙晶片（微處理器和存儲(chǔ)器）組成的智能卡，接著又于1978年制成了單晶片智能卡，取得了技術(shù)專利。1984年，當(dāng)時(shí)法國(guó)郵政和長(zhǎng)話服務(wù)PTT（PostalandTelecommunicationsservices）成功的進(jìn)行了電話卡的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)用驗(yàn)證中，智能卡迅速證明了能滿足涉及防止被篡改的所有預(yù)期功能并有著高度的可靠性。在此后的十幾年間，除法國(guó)的布爾公司之外，世界上先后有Thomson,Hitachi,OKI,Atmel,Phillips等十幾家公司相繼投入了智能卡芯片和卡片成品的開發(fā)與生產(chǎn)，形成了一個(gè)世界性的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡(jiǎn)稱，它是把具有存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理能力的芯片鑲嵌于塑料基片之中，這種既具有智能性，又便于攜帶的卡片，為現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種全新手段，它一出現(xiàn)就倍受重視。1987年起，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO專門為IC卡制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標(biāo)準(zhǔn)為IC卡在全世界范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡具有突出的3S特點(diǎn)，即Standard(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化)，Smart（靈巧智能化）和Security（安全性），因而發(fā)展迅速。IC卡又被稱作開創(chuàng)市場(chǎng)之卡，也就是說，IC卡不僅改進(jìn)了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

帶微處理器的IC卡稱之為智能IC卡，它被認(rèn)為是世界上最小的個(gè)人計(jì)算機(jī)。正如同計(jì)算機(jī)或各種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，IC卡本身并不創(chuàng)造任何價(jià)值。即使是高度智能化的IC卡，和386、486的計(jì)算機(jī)的處理能力比較相差甚遠(yuǎn)，它僅僅具有部分計(jì)算機(jī)的功能。但是，如果把IC卡和其它設(shè)備組成系統(tǒng)就能提供非常豐富的服務(wù)功能。把這些功能和生產(chǎn)領(lǐng)域有機(jī)的結(jié)合起來，將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.3國(guó)內(nèi)外IC卡的應(yīng)用狀況

美國(guó)是信用卡的發(fā)源地，從上個(gè)世紀(jì)60年代起開始應(yīng)用。到1988年，發(fā)卡量已超過10億張，消費(fèi)金額達(dá)到4695億美元。三種流行的非銀行卡是捷運(yùn)卡、狄納斯俱樂部卡和布蘭奇卡，它們被視為旅游與娛樂卡。金融卡一般可分為兩方卡（主要用于持卡人向發(fā)卡機(jī)構(gòu)購買物品）和三方卡（是在大量持卡人、發(fā)卡銀行和用卡商戶之間進(jìn)行采購和支付時(shí)使用）。上述金融卡及識(shí)別卡基本上均為磁卡。從上個(gè)世紀(jì)末，已開始用IC卡取代磁卡，比較成功的應(yīng)用有：

（1）校園IC卡：學(xué)校發(fā)行，除用作學(xué)生證外，還可用于學(xué)生宿舍管理、成績(jī)登記、食堂、圖書館使用計(jì)算機(jī)資源等。

（2）交通IC卡：用于公共汽車的電子車票。

（3）軍人身份證卡：美國(guó)軍方對(duì)全球各地的軍人及眷屬的身份證管理上經(jīng)常出現(xiàn)問題。后來建立了實(shí)時(shí)軍人身份識(shí)別系統(tǒng)，用IC卡作為軍人身份證用，減少了很多不必要的損失。

（4）作戰(zhàn)指揮：美國(guó)軍方已將智能卡技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于其作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。智能卡系統(tǒng)不僅能識(shí)別連隊(duì)指揮官的密碼及指紋信息，而且能根據(jù)其手指上體液的分泌情況準(zhǔn)確判斷是不是活人的指紋，大大提高了部隊(duì)作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性和正確性。

法國(guó)布爾公司的智能IC卡正在金融界全面地取代磁卡，并且已推廣到了世界各國(guó)。法國(guó)在IC卡應(yīng)用的廣泛程度和普及程度也都處于先進(jìn)行列，應(yīng)用的方面有：IC金融卡、電話卡、公共交通卡、購物卡、加油卡、會(huì)員卡、高速公路通行收費(fèi)卡等。

日本從1984年起銀行首先將IC卡用于資產(chǎn)管理。1985年醫(yī)療單位已將IC卡用于健康管理系統(tǒng)，日本從1990年開始逐漸實(shí)行健康保險(xiǎn)證IC卡，用于提高醫(yī)療單位看病效率和簡(jiǎn)化醫(yī)療保險(xiǎn)費(fèi)支付手續(xù)，IC卡上記錄病歷、血型、過敏史等資料，且有付款功能。

香港是世界上三大金融中心之一，信用卡的發(fā)卡量超過了200萬張，醫(yī)療上采用了4－6MBytes的光記錄卡，交通方面已使用了無接觸智能卡為基礎(chǔ)的乘客收費(fèi)系統(tǒng)。香港有兩個(gè)ATM自動(dòng)提款機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其中匯豐銀行系統(tǒng)有1300臺(tái)ATM機(jī)，銀通系統(tǒng)有1000多臺(tái)ATM機(jī)。另外還有大大小小的80多個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持著300萬臺(tái)閱讀器組成的信用卡/儲(chǔ)蓄卡網(wǎng)絡(luò)。

1993年7月我國(guó)電子工業(yè)部協(xié)同銀行、郵電及有關(guān)部門提出了命名為“金卡”的專項(xiàng)工程，總目標(biāo)是：用10年左右的時(shí)間，在全國(guó)400個(gè)大中城市及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)縣區(qū)推廣使用卡基支付工具，在這些覆蓋了3億城市人口的地區(qū)，發(fā)卡總量要達(dá)到2億張，年交易額達(dá)到1萬億元。

整個(gè)“金卡”工程分為試點(diǎn)、推廣和普及三個(gè)階段。國(guó)家對(duì)金卡工程的實(shí)施要求以“高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范化、國(guó)際化”為指導(dǎo)方針，堅(jiān)持“產(chǎn)業(yè)結(jié)合，遠(yuǎn)近期結(jié)合”的原則，強(qiáng)調(diào)“統(tǒng)籌兼顧、中斷突出、逐步推廣、整體普及”。另外，金卡工程對(duì)電子產(chǎn)品、軟件產(chǎn)業(yè)的需求將提供廣泛的市場(chǎng)，這對(duì)我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)是一個(gè)巨大的推動(dòng)力。

過去，卡基支付工具是以磁卡為主的，由于磁卡信息存儲(chǔ)量少，安全防范能力弱，人們研究過多種方法，但無論哪種方法都無法從根本上徹底克服磁卡在安全上存在的固有弱點(diǎn)，先天不足，后天難調(diào)。而IC卡的出現(xiàn)從根本上解決了磁卡所存在的問題，所以在金卡工程中，國(guó)家只是把磁卡作為過渡性的工具，最終將被IC卡所取代。

3.IC卡技術(shù)與安全

3.1IC卡的物理特性

3.1.1IC卡的構(gòu)成

接觸型IC卡的構(gòu)成分為半導(dǎo)體芯片、電極模片和塑料基片三大部分。

1．半導(dǎo)體芯片：它是IC卡的核心部分。在半導(dǎo)體芯片中包含：存儲(chǔ)器、譯碼電路、接口控制電路、邏輯加密電路，甚至微處理器單元（CPU）等各種功能電路。

2．電極模片：它是作為半導(dǎo)體芯片各輸入輸出信號(hào)引腳與外部設(shè)備接觸連接的導(dǎo)電體。電極模片上共有多個(gè)芯片電極，每個(gè)電極的中心位置和最小面積是有規(guī)定的。但各電極表面分割形狀沒有規(guī)定。

3．塑料基片：它是半導(dǎo)體芯片的電極模片的載體。由半導(dǎo)體芯片和電極模片封裝而成的IC卡模塊就可以實(shí)現(xiàn)IC卡的基本功能。

3.1.2IC卡的觸點(diǎn)功能

符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IC卡滿足ISO7816標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816-2對(duì)接觸型IC卡觸點(diǎn)尺寸和芯片位置以及功能做了具體的規(guī)定。接觸型IC卡有8個(gè)觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)的功能定義見表3.1。

表3.1觸點(diǎn)功能定義

觸點(diǎn)編號(hào)

功能

觸點(diǎn)編號(hào)

功能

C1

Vcc(電源電壓)

C5

GND（地）

C2

RST（復(fù)位信號(hào)）

C6

保留使用

C3

CLK（時(shí)鐘信號(hào)）

C7

I/O(數(shù)據(jù)輸入/輸出)

C4

保留使用

C8

保留使用

RST端為復(fù)位信號(hào)端，允許兩種復(fù)位方式：由接口設(shè)備提供復(fù)位信號(hào)或由IC卡內(nèi)部附加的復(fù)位控制電路在加電時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號(hào)。I/O端為IC卡集成電路與外部接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入或輸出端。

3.2IC卡存儲(chǔ)器

1．在IC卡中使用的存儲(chǔ)器類型主要有易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇，使得系統(tǒng)的成本和性能達(dá)到最佳。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，IC卡生產(chǎn)廠家一般都設(shè)計(jì)開發(fā)多種存儲(chǔ)容量的IC卡產(chǎn)品，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量從幾十位到幾十K位不等。從應(yīng)用的角度而言，1K字位容量以下的存儲(chǔ)卡或加密存儲(chǔ)卡一般用于單數(shù)值型應(yīng)用。1K字位至4K字位的存儲(chǔ)卡或加密存儲(chǔ)卡一般用于文件型與數(shù)值型的混合應(yīng)用，即在卡的各個(gè)不同的存儲(chǔ)區(qū)中，一部分用于文檔文件信息的存儲(chǔ)；一部分用于計(jì)帳或計(jì)數(shù)的應(yīng)用。4K字位以上的存儲(chǔ)卡或加密存儲(chǔ)卡一般用于文件型的應(yīng)用或作為數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用。

2．在存儲(chǔ)型IC卡中，一般非加密型IC卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)沒有進(jìn)行分區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)數(shù)據(jù)的分區(qū)管理，只能通過存儲(chǔ)單元地址空間的人為劃分來設(shè)置多個(gè)功能區(qū)。在加密存儲(chǔ)型IC卡中，不僅數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)被分成2個(gè)或4個(gè)甚至8個(gè)功能區(qū)，在芯片內(nèi)還分配了多個(gè)控制標(biāo)志功能區(qū)（生產(chǎn)廠商標(biāo)志區(qū)、發(fā)行商標(biāo)志區(qū)、用戶密碼區(qū)、擦除密碼區(qū)、錯(cuò)誤密碼區(qū)等等）。這些功能區(qū)的劃分方法，并不是統(tǒng)一規(guī)定的，其容量大小、地址分配、操作方式都隨廠家不同而各異。一般對(duì)一種產(chǎn)品來說，其功能分區(qū)是確定的。在帶CPU的智能型IC卡中，整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是一個(gè)沒有邏輯分區(qū)的整體。其功能分區(qū)是由發(fā)行單位根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，在初始的開發(fā)階段將分區(qū)功能的劃分要求設(shè)計(jì)在監(jiān)控程序之中。

3.3IC卡的操作過程

這里說的IC卡的用卡過程指的是正常用卡過程，這個(gè)過程分為以下幾個(gè)階段：

1.接口設(shè)備連接卡并“激活”電路。即把IC卡插入IFD（接口設(shè)備InterfaceDevice）并接通各觸點(diǎn)。IC卡插入前，IFD的各個(gè)觸點(diǎn)沒有加電，所以，插入時(shí)插卡上的IC卡的引腳僅僅是和各觸點(diǎn)接觸而已，之后才加上電源。

2.使IC卡復(fù)位并在終端和IC卡間建立通訊。

3.進(jìn)行交易（IC卡與終端間的信息交換）。

4.“釋放”電路并取出IC卡。即接口設(shè)備將其各觸點(diǎn)去電，持卡人可拔出IC卡而結(jié)束用卡過程。接口設(shè)備“激活”電路由以下操作順序?qū)崿F(xiàn)：

——RST處于L狀態(tài)（低電平）；

——VCC加電；

——接口設(shè)備的I/O處于接收方式；

——提供穩(wěn)定的CLK。

當(dāng)信息交換結(jié)束和異常終止時(shí)，接口設(shè)備“釋放”電路，電路的釋放操作應(yīng)在IC卡的觸點(diǎn)與接口觸點(diǎn)機(jī)械斷開之前結(jié)束。接口設(shè)備“釋放”電路由以下操作順序?qū)崿F(xiàn)：

——RST為狀態(tài)L（低電平）；

——CLK為狀態(tài)L（低電平）；

——I/O為空狀態(tài)；

——VCC不起作用。

3.4IC卡的安全性

在IC卡應(yīng)用系統(tǒng)中，IC卡中信息的安全問題是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。針對(duì)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，其安全性的關(guān)鍵在于卡中信息的安全。對(duì)多數(shù)攻擊者而言，復(fù)制IC卡或竊取、更改卡中的信息才是其最終目的。為了更有效地保護(hù)卡中的信息，采用一種有效的、安全可靠的加密算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)卡中信息的加密存儲(chǔ)是相當(dāng)必要的。

所有的密碼系統(tǒng)都按相同的基本方式工作：把一個(gè)原本的消息（稱之為普通電文）通過加密算法和加密密鑰轉(zhuǎn)換成編碼的消息（密碼電文）。它僅是被解密算法和解密密鑰所譯碼。密碼通常保留在密鑰上，不在算法上。

密碼系統(tǒng)可分為不同的兩類，即保密密鑰系統(tǒng)和公開密鑰系統(tǒng)。兩者都要使用保密的密鑰。

加密/解密密鑰

普通電文

加密/解密

密碼電文

密碼電文

圖3.1保密密鑰系統(tǒng)

圖3.1所示為保密密鑰系統(tǒng)的工作原理，關(guān)鍵點(diǎn)在于算法是完全可逆的（即對(duì)稱的），如果對(duì)密碼電文執(zhí)行加密操作，將再次獲得原本的普通電文。保密密鑰系統(tǒng)的核心是密鑰，它有著高度的機(jī)密性。一旦密鑰被獲取，就可以輕易的破解密文。當(dāng)有著許多對(duì)的發(fā)送者和接收者時(shí)，由于每一對(duì)都需要一個(gè)單獨(dú)的相互同意的密鑰，密鑰的數(shù)量可能達(dá)到人數(shù)的平方的數(shù)量級(jí)。

解決這一問題的方法是采用不對(duì)稱的密碼系統(tǒng)，即加密和解密算法是不同的。使密碼電文再次通過加密系統(tǒng)時(shí)，不能產(chǎn)生出原文的消息，因而系統(tǒng)是不對(duì)稱的。這種情況下，需用兩個(gè)不同的密鑰，一個(gè)用于加密系統(tǒng)中，另一個(gè)用于解密。這些密鑰有著數(shù)學(xué)上的聯(lián)系，并可能設(shè)計(jì)出一種算法使得加密密鑰可以公開，用這種方法確定的解密密鑰不能公開。具有這種性能的密碼系統(tǒng)稱為公開密鑰系統(tǒng)(圖3.2)。在這種系統(tǒng)中要發(fā)送一則加密的消息時(shí)，發(fā)送者應(yīng)先從一張公開的表中查到接收人的加密密鑰，并用此密鑰對(duì)消息加密。然后發(fā)送者可用不保密的通訊方法發(fā)送這份密碼電文，接收者則用他保密的解密密鑰予以解密。

公開密鑰有兩個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，首先是大大地簡(jiǎn)化了密鑰的公布和管理，因?yàn)槊總€(gè)人只須記住自己的解密密鑰就可以了。其次是它提供了實(shí)現(xiàn)“電子簽名”的可能性。

加密密鑰

加密

加密密鑰

解密密鑰

公開的

保密的

普通電文

密碼電文

普通電文

解密

圖3.2公開密碼系統(tǒng)的工作方式

4.IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)分析

4.1現(xiàn)狀分析

長(zhǎng)期以來,供電部門對(duì)用戶用電量都是依靠人工抄表,然后由收費(fèi)員到各家收費(fèi)或令各用戶去銀行(或其他指定地點(diǎn))交費(fèi)的方式。這種傳統(tǒng)收費(fèi)的做法需要的工作人員多,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率低且易出錯(cuò),常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳費(fèi)等問題。電力部門一直在尋求一種方便、實(shí)用的收費(fèi)方法。為適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對(duì)儀表實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控,減輕供電部門因“先消費(fèi)后收費(fèi)”造成的資金壓力,減少每月抄表收費(fèi)帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛,用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段改變管理體制的落后現(xiàn)狀勢(shì)在必行。

現(xiàn)行抄表收費(fèi)管理模式有：

人工抄表收費(fèi)方式：為用戶安裝普通計(jì)量?jī)x表，按固定的時(shí)間由管理人員上門抄表和收費(fèi)。需要管理人員多，工作量大；優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量?jī)x表成本低，采用付費(fèi)方式容易被用戶接受，基本不存在用戶能源被切斷問題。

自動(dòng)抄表收費(fèi)方式：為用戶安裝具有通訊能力的計(jì)量?jī)x表，通過通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)完成用戶計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)抄收，再通過金融網(wǎng)點(diǎn)方式以自動(dòng)或人工方式完成繳費(fèi)。這種方式技術(shù)難度高，通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護(hù)成本大；優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，節(jié)省人力，并很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

IC卡收費(fèi)方式：為用戶安裝具有IC卡接口的計(jì)量?jī)x表，通過IC卡作為傳輸介質(zhì)，在用戶和管理部門之間傳輸信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表的抄收以及繳費(fèi)工作。這種方式成本較高，信息傳輸不及時(shí)，同時(shí)讓用戶充當(dāng)了信息通道的角色，未體現(xiàn)管理部門服務(wù)的宗旨。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了抄表、收費(fèi)、控制的三位一體，杜絕了欠費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生，管理人員和管理費(fèi)用少。

4.2IC卡預(yù)付費(fèi)電表工作過程

IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)包括發(fā)卡系統(tǒng)，充值系統(tǒng)，終端消費(fèi)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。發(fā)卡系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)IC卡的發(fā)行信息，完成卡的初始化首次充值、撤卡和掛失。充值系統(tǒng)是將指定面額加上卡上的余額寫入IC卡中。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)建立用戶檔案(開戶)、收費(fèi)管理、統(tǒng)計(jì)和查詢、報(bào)表打印等。本設(shè)計(jì)主要對(duì)終端消費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

IC卡預(yù)付費(fèi)電表的工作過程是用戶先買IC卡(用戶卡)，用戶攜IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購電，工作人員將購電量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡電表(以下簡(jiǎn)稱卡表),卡表內(nèi)單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無誤后,將卡中購電量與表內(nèi)剩余電量相加后寫入卡表內(nèi)存儲(chǔ)器。進(jìn)而控制開關(guān)開啟。然后將總用電量回讀到卡中。用戶用電過程中,卡表內(nèi)剩余電量相應(yīng)減小。當(dāng)剩余電量低于某一設(shè)定值時(shí),卡表報(bào)警,提示用戶購電。當(dāng)電量用完時(shí),允許用戶透支使用,當(dāng)透支量達(dá)到某限量時(shí),卡表自動(dòng)關(guān)閉,停止供電。在用戶重新購電,讀卡存入后,卡表會(huì)自動(dòng)扣除透支數(shù),并打開開關(guān)供電。

IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、采樣、存儲(chǔ)、執(zhí)行、顯示等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。

電量采樣

IC卡系統(tǒng)

LED顯示

單片機(jī)系統(tǒng)

電源系統(tǒng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

存儲(chǔ)系統(tǒng)

面板系統(tǒng)

圖4.1IC卡電表硬件系統(tǒng)

4.3設(shè)計(jì)功能

本設(shè)計(jì)是在原有家用機(jī)械電表的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其完成如下功能：

1.購電信息讀入功能：將購得電量的IC卡插入已安裝的IC卡電表的IC卡插座中，并按下信息讀入按鈕，電表將在單片機(jī)的控制下把IC卡中的購電量寫入存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

2.用電量采樣與累計(jì)功能：正常用電時(shí)，電表每轉(zhuǎn)一圈，采樣電路就向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下對(duì)用戶的用電量和剩余電量進(jìn)行處理。

3.自動(dòng)控制功能：系統(tǒng)能在一定的條件下（剩余電量低于斷電限值）自動(dòng)斷電或供電（剩余電量不低于斷電限值）。

4.數(shù)字顯示功能：當(dāng)用戶想要了解剩余電量情況時(shí)，按下顯示按鈕，將顯示表中的剩余電量。

5.報(bào)警功能：表中剩余電量低于報(bào)警限值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)購電。

6.信息辯識(shí)功能：系統(tǒng)能辨識(shí)用戶插入的卡是否是偽卡，并辨別是參數(shù)卡還是用戶卡。此外，還要區(qū)分是否是該表所對(duì)應(yīng)的卡，以做到一塊表對(duì)應(yīng)一張用戶卡。當(dāng)讀出卡中信息時(shí)，通過解密，確定卡中信息是否正確。

7.回讀功能：系統(tǒng)在將卡中信息讀入存儲(chǔ)系統(tǒng)中時(shí)，還要把用戶的總用電量讀入IC卡中，以便用戶在下次購電時(shí)，把總用電量讀入上微機(jī)中，供供電部門統(tǒng)計(jì)，也可用于判斷用戶是否有盜電的可能。

8.防盜電功能：如果用戶私自拆表，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄拆表次數(shù)并自動(dòng)斷電。

5.IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1硬件選擇

5.1.1單片機(jī)選擇

在本IC卡預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要求系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)算速度快，功耗低。所以應(yīng)盡量選用CMOS工藝的單片機(jī)，由于在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用中斷喚醒方式，盡量減少單片機(jī)的工作時(shí)間，以降低系統(tǒng)的功耗，所以所選單片機(jī)應(yīng)具有省電工作方式。同時(shí)，設(shè)計(jì)中包含脈沖中斷、插卡中斷和顯示中斷。并考慮到程序的大小，所以本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為控制芯片。

AT89C51采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC-51兼容，功能強(qiáng)，靈活性高。圖5.1是AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖。

1.主要性能:

·4KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器（可經(jīng)受1000次的寫入/擦除）。

·全靜態(tài)工作：0Hz～24MHz。

·3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密。

·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM。

·32條可編程I/O線。

·2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

·6個(gè)中斷源。

·可編程串行通道。

·片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。

圖5.1AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖

另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可供軟件來選擇的省電方式——空閑方式（IdleMode）和掉電方式（PowerDownMode）。

2．AT89C51有雙列直插封裝方式和方形封裝方式。在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中采用雙列直插封裝方式的AT89C51單片機(jī)，它共有40引腳，分為電源和地引腳、外接晶體引腳、控制或與其它電源復(fù)用引腳、輸入/輸出引腳。下面對(duì)輸入/輸出引腳P0.0～P0.7,P1.0～P1.7,P2.0～P2.7和P3.0～P3.7作簡(jiǎn)單說明。

·P0端口（P0.0～P0.7）：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。

·P1端口（P1.0～P1.7）：P1口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址。

·P2端口（P2.0～P2.7）：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。在訪問外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P2口接收高8位地址。

·P3端口（P3.0～P3.7）：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。P1，P2，P3口作輸入端口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。另外，在AT89C51中，P3端口還用于一些復(fù)用功能。復(fù)用功能如表5.1.

表5.1P3各端口引腳與復(fù)用功能表

端口引腳

復(fù)用功能

P3.0

RXD(串行輸入口)

P3.1

TXD(串行輸出口)

P3.2

INT0（外部中斷0）

P3.3

INT1（外部中斷1）

P3.4

T0(定時(shí)器0的外部輸入)

P3.5

T1(定時(shí)器1的外部輸入)

P3.6

WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7

RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

3.省電方式

AT89C51單片機(jī)提供了2種省電工作方式：空閑方式和掉電方式。目的是盡可能地降低系統(tǒng)地功耗。在空閑工作方式中，振蕩器繼續(xù)工作，時(shí)鐘脈沖繼續(xù)輸出到中斷系統(tǒng)、串行口以及定時(shí)器，但卻不提供給CPU。在掉電工作方式中，振蕩器停止工作。兩種工作方式都是由特殊功能寄存器中地電源控制寄存器PCON地控制位來定義，PCON寄存器的控制格式如圖5.2所示。

SMOD：串行口波特率倍率控制位

GF1：通用標(biāo)志位。

GF2：通用標(biāo)志位。

PD：掉電方式控制位。PD＝1，進(jìn)入掉電工作方式。

IDL：空閑方式控制位。IDL＝1，進(jìn)入空閑工作方式。

如同時(shí)將PD和IDL置1，則進(jìn)入掉電工作方式。PCON寄存器的復(fù)位值為0XXX000。

表5.2PCON寄存器

(MSB)(LSB)

SMOD

保留位

保留位

保留位

GF1

GF0

PD

IDL

（1）空閑工作方式

當(dāng)CPU執(zhí)行完IDL＝1的指令后，系統(tǒng)進(jìn)入了空閑工作方式。這時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘不向CPU提供脈沖，而只供給中斷、串行口和定時(shí)器部分。CPU的內(nèi)部狀態(tài)維持。

進(jìn)入空閑工作方式后，有兩種方法可以使系統(tǒng)退出空閑方式。一種使任何的中斷請(qǐng)求都可以由硬件將PCON.0清0而中止空閑工作方式。另一種退出空閑方式的方法是硬件復(fù)位，由于在空閑工作方式下振蕩器仍然工作，因此硬件復(fù)位僅需2個(gè)機(jī)器周期便可完成。復(fù)位信號(hào)直接將PCON.0清0。

（2）掉電工作方式

在掉電工作方式下，由于振蕩器停止工作，沒有振蕩時(shí)鐘，因此，系統(tǒng)將停止工作。但內(nèi)部RAM區(qū)和特殊功能寄存器的內(nèi)容被保留。退出調(diào)電方式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將所有的特殊功能寄存器的內(nèi)容初始化，但不改變內(nèi)部RAM區(qū)的數(shù)據(jù)。

在掉電工作方式下，Vcc可以降到2V，但在進(jìn)入掉電工作方式前，Vcc不能降低。而在準(zhǔn)備退出掉電方式之前，Vcc必須恢復(fù)正常的工作電壓值，并維持一段時(shí)間，使振蕩器重新啟動(dòng)并穩(wěn)定后方可退出掉電方式。

5.1.2存儲(chǔ)芯片的選用

存儲(chǔ)芯片是一種用可電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器為核心的，能多次重復(fù)使用的芯片，它本身就是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。目前，市場(chǎng)上流行的存儲(chǔ)芯片很多，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)電表的重要參數(shù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)。AT24C02是采用低功耗CMOS工藝制造，片內(nèi)采用的高壓泵升電路，使芯片可采用單一電源方式工作。它的容量為2K位，內(nèi)部組態(tài)為256個(gè)8位字節(jié)，隨機(jī)尋址時(shí)需一個(gè)8位地址。支持ISO/IEC7816-3同步協(xié)議，芯片數(shù)據(jù)的擦寫次數(shù)超過100000個(gè)周期，數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10年以上。芯片的觸點(diǎn)配置符合ISO/IEC7816-2標(biāo)準(zhǔn)，它是6引腳芯片，引腳圖說明如圖5.2和表5.3所示。

SDA

NC

GND

SCL

NC

VCC

C1

C5

C2

C6

C3

C7

圖5.2AT24C02的引腳觸點(diǎn)

表5.3AT24C02的引腳功能表

引腳端名

功能

引出端名

功能

VCC

工作電壓

GND

地

NC

未連接

NC

未連接

SCL

串行時(shí)鐘

SDA

串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）

1．引腳說明：

（1）SCL（串行時(shí)鐘端）。在SCL的上升沿時(shí)將SDA端上的串行數(shù)據(jù)輸入到EEPROM芯片中。在SCL的下降沿時(shí)將EEPROM中的數(shù)據(jù)通過SDA端輸出到外部。

（2）SDA（串行數(shù)據(jù)I/O端）。此端為雙向串行數(shù)據(jù)傳送端，一般采用漏極開路驅(qū)動(dòng)方式。

2．內(nèi)部邏輯單元及其說明

在AT24C02芯片中，與邏輯有關(guān)的信號(hào)線只有兩條：SCL（時(shí)鐘信號(hào)線）和SDA（數(shù)據(jù)信號(hào)I/O線），其中SCL為同步時(shí)鐘輸入端，SDA為雙向數(shù)據(jù)端。所有的地址、數(shù)據(jù)和讀/寫控制命令等信號(hào)均從此端輸入或輸出。為了區(qū)分SDA線上的數(shù)據(jù)、地址、操作命令以及各種狀態(tài)的“開始”與“結(jié)束”，芯片內(nèi)設(shè)計(jì)了多個(gè)邏輯控制單元。

（1）啟動(dòng)與停止邏輯單元：即產(chǎn)生控制讀/寫操作的“開始”或“結(jié)束”標(biāo)識(shí)信號(hào)的邏輯單元?！伴_始”狀態(tài)：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從高電平轉(zhuǎn)向低電平，將產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)識(shí)信號(hào)。表示一種操作的“開始”?！伴_始”狀態(tài)應(yīng)在操作命令之前建立。“結(jié)束”狀態(tài)：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從低電平轉(zhuǎn)向高電平，將產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)識(shí)信號(hào)。表示一種操作的“結(jié)束”。其后將結(jié)束所有相關(guān)的通信?！伴_始”狀態(tài)和“結(jié)束”狀態(tài)的定義如圖5.3所示。

開始結(jié)束

圖5.3操作狀態(tài)“開始”和結(jié)束的定義

SDA和SCL端通常各接一個(gè)上拉電阻拉到高電平。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的SDA的數(shù)據(jù)為有效。當(dāng)SCL為低電平時(shí)，允許SDA上的數(shù)據(jù)變化。SDA和SCL兩線上傳輸數(shù)據(jù)有效性的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5.4所示。

數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定

數(shù)據(jù)變化

圖5.4數(shù)據(jù)的有效性關(guān)系

（2）串行控制邏輯單元：根據(jù)SCL、SDA以及“啟動(dòng)”與“停止”邏輯單元發(fā)出的各種信號(hào)進(jìn)行區(qū)分并排列出有關(guān)“尋址”、“讀數(shù)據(jù)”和“寫數(shù)據(jù)”等邏輯，將它們傳送到相應(yīng)的操作單元。

（3）數(shù)據(jù)輸入/輸出應(yīng)答邏輯單元：產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸入/輸出操作應(yīng)答信號(hào)的邏輯單元。所有的地址和數(shù)據(jù)均以8位碼串行輸入/輸出于AT24C02。任何外部接收數(shù)據(jù)的設(shè)備在收到一個(gè)字節(jié)以后，都應(yīng)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，即將SDA線置于低電平。同樣，當(dāng)AT24C02芯片收到每一個(gè)地址碼或數(shù)據(jù)字（8位長(zhǎng)）之后，也以置SDA線為低電平的方式來予以“確認(rèn)”應(yīng)答信號(hào)。

5.1.3IC卡的選用

本設(shè)計(jì)對(duì)IC卡品種的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面：卡片類型、存儲(chǔ)模式、存儲(chǔ)容量、安全性要求和綜合價(jià)格因素。

對(duì)卡片類型的選用:本設(shè)計(jì)的電表系統(tǒng)是安裝在用戶家里和放于比較安全的地方，周圍環(huán)境條件較好，受到的外界干擾因素很少，所以選擇接觸式IC卡為宜。并且接觸式IC卡與非接觸式IC卡比較，可選擇的品種要豐富的多，另外，接觸式IC卡使用中無輻射干擾問題。

對(duì)IC卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模式的選擇：一般說來，計(jì)數(shù)型IC卡是一次性使用品，而IC卡電表所需的IC卡必須是能多次重復(fù)使用的。本設(shè)計(jì)選擇邏輯加密存儲(chǔ)型的IC卡，這種卡的特點(diǎn)是：品種多，易于選擇性能價(jià)格比高的卡片，控制操作簡(jiǎn)單。

IC卡容量的選擇：由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的IC卡是一種數(shù)據(jù)傳遞的媒介，并且數(shù)據(jù)可能會(huì)在IC卡保留一段時(shí)間，所以所選IC卡要有非易失性EEPROM存儲(chǔ)器?？ㄖ写鎯?chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和其它信息加密后的密文以及廠家代碼、卡標(biāo)識(shí)等信息，所以結(jié)合卡的價(jià)格方面，選擇存儲(chǔ)容量為2K的IC卡芯片。

安全性要求的選擇：如果存儲(chǔ)在IC卡中的數(shù)據(jù)是公開的，那可以選擇存儲(chǔ)卡。但預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)的IC卡中數(shù)據(jù)必須保密，并且在消費(fèi)時(shí)還要進(jìn)行IC卡的認(rèn)證。所以可選擇帶CPU的IC卡或邏輯加密型存儲(chǔ)卡。但兩者相比較，雖然邏輯加密型存儲(chǔ)卡的安全性沒有帶CPU的IC卡好，但邏輯加密型存儲(chǔ)卡要便宜的多，并且也具有較好的數(shù)據(jù)保密性能，可選品種多，使用簡(jiǎn)單方便。

邏輯加密存儲(chǔ)卡主要是由EEPROM存儲(chǔ)單元陣列和密碼控制邏輯單元所構(gòu)成。由于采用密碼控制邏輯來控制對(duì)EEPROM存儲(chǔ)器的訪問和改寫，因此，它不像存儲(chǔ)卡那樣可以被任意的復(fù)制或改寫。正是因?yàn)檫@種卡具有安全保密，使用靈活和價(jià)格低廉等多種優(yōu)點(diǎn)，因而使用這種卡在目前的IC卡應(yīng)用中，特別是在非金融領(lǐng)域里的應(yīng)用占主導(dǎo)地位。邏輯加密存儲(chǔ)卡是一種可多次使用的IC卡，由于可以比較自由地進(jìn)行各種分區(qū)設(shè)置和管理，因此能比較容易地在卡中實(shí)現(xiàn)多種用途，實(shí)現(xiàn)一卡多用。

綜合以上因素，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)上流行的IC卡的使用，考慮到預(yù)付費(fèi)電表推廣所受到的價(jià)格方面的影響，本設(shè)計(jì)采用邏輯加密型存儲(chǔ)卡。并以德國(guó)西門子（SIEMENS）公司設(shè)計(jì)的邏輯加密存儲(chǔ)卡SLE4442為所選IC卡。

1.基本概念

（1）寫入操作：是指將存儲(chǔ)單元原來為“1”的數(shù)據(jù)寫成“0”的操作。輸入數(shù)據(jù)“0”在芯片內(nèi)部就是將“0”與單元中的原有數(shù)據(jù)進(jìn)行“邏輯與”。因此，寫入就是指寫“0”的操作。寫入操作有按位寫，按字節(jié)寫和按頁面寫。

（2）擦除操作：是指將存儲(chǔ)單元原來為“0”的數(shù)據(jù)寫成“1”的操作。輸入數(shù)據(jù)（全1）在芯片內(nèi)部就是將“1”與單元中的原有數(shù)據(jù)進(jìn)行“邏輯或”。因此擦除就是指寫“1”的操作。擦除操作一般只是按字節(jié)擦除和按頁面擦除。即使是對(duì)字節(jié)中的某一位進(jìn)行擦除，其結(jié)果也將會(huì)使此字節(jié)全部被寫成“1”。

2.邏輯加密存儲(chǔ)卡SLE4442的結(jié)構(gòu)和工作原理

SLE4442由德國(guó)西門子（SIEMENS）公司設(shè)計(jì)，它具有2K的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程加密代碼存儲(chǔ)器（PSC）。內(nèi)部電壓提升電路保證了芯片能夠以單＋5V電壓供電，2K的存儲(chǔ)容量能夠保證滿足電表數(shù)據(jù)的要求。

（1）芯片特點(diǎn):

1）采用多存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

2）2線連接協(xié)議，串行接口滿足ISO7816同步傳輸協(xié)議。

3）芯片采用NMOS工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/寫入時(shí)間為2.5ms。

4）存儲(chǔ)器具有至少10000次的擦除/寫入周期，數(shù)據(jù)保持時(shí)間至少10年。SLE4442芯片的引腳配置和功能符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)，其引腳配置和引腳功能見圖3.1和表3.1。

（2）芯片功能

SLE4442IC卡芯片主要包括三個(gè)存儲(chǔ)器：

256×8位EEPROM型主存儲(chǔ)器。

32×1位PROM型保護(hù)存儲(chǔ)器。

4×8位EEPROM型加密存儲(chǔ)器。

SLE4442IC卡的存儲(chǔ)器分配如圖5.5所示。

主存儲(chǔ)器

1FH

保護(hù)存儲(chǔ)器

加密存儲(chǔ)器4×8位EEPROM

00H

00H

1FH

20H

FFH

應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)

224×8位

EEPROM

保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)

32×8位

EEPROM

31×1

PROM

校驗(yàn)參照數(shù)據(jù)字3

校驗(yàn)參照數(shù)據(jù)字2

校驗(yàn)參照數(shù)據(jù)字1

錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器

圖5.5邏輯加密卡SLE4442存儲(chǔ)器分配圖

1）主存儲(chǔ)器：主存儲(chǔ)器為可重復(fù)擦除使用的EEPROM型存儲(chǔ)器。按字節(jié)尋址，擦除/寫入。在擦除時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的所有8位被全部置為1。在寫入時(shí)，在EEPROM單元中的信息則根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，按字位方式變換成邏輯“0”。通常，要改變一個(gè)數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行擦除，再進(jìn)行寫入兩項(xiàng)操作。如果在被尋址的字節(jié)里8位中沒有一個(gè)字位需要從0變到1，則可以不進(jìn)行擦除處理。寫入或擦除操作一次至少需2.5ms時(shí)間。

主存儲(chǔ)器的地址是從00H到FFH。但主存儲(chǔ)器又可分為兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)：保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)和應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)。

保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲(chǔ)器前32各字節(jié)為保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)。其地址從00H到31H。這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入操作受到保護(hù)數(shù)據(jù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。當(dāng)保護(hù)存儲(chǔ)器中第n（n=0～31）位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)主存儲(chǔ)器中第n各字節(jié)允許進(jìn)行擦除和寫入操作。當(dāng)保護(hù)存儲(chǔ)器中第n位為0時(shí)，對(duì)應(yīng)主存儲(chǔ)器中第n各字節(jié)不允許進(jìn)行擦除和寫入操作。根據(jù)這一特性，我們將主存儲(chǔ)器的保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)作為IC卡片的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標(biāo)識(shí)參數(shù)。

應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲(chǔ)器后224個(gè)字節(jié)為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)。其地址從20H到FFH。這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入均受加密存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)校驗(yàn)比較結(jié)果的影響。當(dāng)需要修改應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容時(shí)，必須首先輸入一個(gè)3字節(jié)長(zhǎng)的“校驗(yàn)字”。這個(gè)“校驗(yàn)字”與原來存在加密存儲(chǔ)器中的“參照字”一對(duì)一進(jìn)行比較。只有當(dāng)兩者完全一致時(shí)，芯片的加密控制邏輯才打開芯片的主存儲(chǔ)器，允許后面的擦除和寫入操作。芯片允許在有限的次數(shù)內(nèi)（一般為三次）重試比較操作。如果在有限的次數(shù)內(nèi)比較不能通過，整個(gè)主存儲(chǔ)器變成一個(gè)只讀存儲(chǔ)器。

2）保護(hù)存儲(chǔ)器：保護(hù)存儲(chǔ)器是一個(gè)32×1位的一次性可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）。它是按字位方式尋址和寫入，保護(hù)存儲(chǔ)器每一位對(duì)應(yīng)著主存儲(chǔ)器地址從0到31的每一個(gè)字節(jié)。保護(hù)存儲(chǔ)器的出廠狀態(tài)為全“1”。保護(hù)存儲(chǔ)器每個(gè)被寫“0”的單元所對(duì)應(yīng)的主存儲(chǔ)器的字節(jié)單元將不再接受任何擦除和寫入操作命令，從而使得該字節(jié)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)不可再改變。

保護(hù)存儲(chǔ)器本身的讀出操作不受限制。但對(duì)其寫入操作受加密存儲(chǔ)器比較校驗(yàn)操作結(jié)果的控制。當(dāng)輸入的“校驗(yàn)字”與芯片內(nèi)原來存有的“參照字”一致，則可以執(zhí)行后續(xù)的寫入操作。如果比較不成功，則控制邏輯將鎖死保護(hù)存儲(chǔ)器。

加密存儲(chǔ)器：加密存儲(chǔ)器是一個(gè)4×8位的EEPROM型存儲(chǔ)器。第0字節(jié)為“密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器”（EC）。密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的有效位是低3位。芯片初始化時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置成“111”。這一字節(jié)是可讀的。每次比較密碼時(shí)，先要判定計(jì)數(shù)器中是否還有“1”，如有，則將一個(gè)“1”寫成“0”，然后進(jìn)行比較“校驗(yàn)字”操作。如果比較結(jié)果一致，密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將允許進(jìn)行擦除操作，同時(shí)打開主存儲(chǔ)器、保護(hù)存儲(chǔ)器和加密存儲(chǔ)器，并允許進(jìn)行擦除和寫入操作。如果比較結(jié)果不一致，則密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中“1”的個(gè)數(shù)少1位。只要計(jì)數(shù)器的內(nèi)容不全為“0”，則芯片的比較“校驗(yàn)字”操作可再次進(jìn)行。當(dāng)連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤密碼后，則芯片的存儲(chǔ)單元將全部被鎖死。但只要有一次比較通過，則密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的低3位將被恢復(fù)為“111”。所以，加密存儲(chǔ)器可以理解為進(jìn)入整個(gè)芯片的“關(guān)卡”。

加密存儲(chǔ)器的第1，2，3字節(jié)為“參照字”存儲(chǔ)區(qū)。這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容作為一個(gè)整體被稱為可編程加密代碼（PSC），也就是密碼存儲(chǔ)區(qū)。這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在PSC比較成功前是不可讀的，只能進(jìn)行比較操作。寫入和擦除操作也受自身比較結(jié)果的控制。只有當(dāng)比較成功，加密存儲(chǔ)器的內(nèi)容才可以進(jìn)行讀出、寫入和擦除。

3．傳送協(xié)議

傳送協(xié)議是在單片機(jī)與IC卡的集成電路之間的兩線連接協(xié)議。SLE4442芯片的I/O線上數(shù)據(jù)變化只在CLK信號(hào)的下降沿才有效。

傳送協(xié)議包括4種模式：

·復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)模式

·命令模式

·輸出數(shù)據(jù)模式

·處理數(shù)據(jù)模式

（1）復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)

復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)是根據(jù)ISO7816－3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的。在操作期間的任意時(shí)候都可以復(fù)位。開始，地址計(jì)數(shù)器隨一個(gè)時(shí)鐘脈沖而被設(shè)置為0。當(dāng)RST線從高狀態(tài)（H狀態(tài)）置到低狀態(tài)（L狀態(tài)）時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)位（LSB）的內(nèi)容被送到I/O上。若連續(xù)輸入32個(gè)時(shí)鐘脈沖，主存儲(chǔ)器中的前4個(gè)字節(jié)地址單元中的內(nèi)容被讀出。在第33個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿，I/O線被置成高狀態(tài)（H狀態(tài)）而關(guān)閉。

圖5.6為SLE4442IC卡的復(fù)位及復(fù)位響應(yīng)的時(shí)序關(guān)系，在復(fù)位響應(yīng)期間，“啟動(dòng)”和“停止”狀態(tài)都被忽略。

圖5.6SLE4442復(fù)位及復(fù)位響應(yīng)的時(shí)序關(guān)系

（2）命令模式

復(fù)位響應(yīng)以后，芯片等待著命令。每一條命令都以一個(gè)“啟動(dòng)狀態(tài)”開始。整個(gè)命令包括3個(gè)字節(jié)。隨后緊跟著一個(gè)附加脈沖并用一個(gè)“停止?fàn)顟B(tài)”來結(jié)束操作。圖5.7為命令模式的時(shí)序關(guān)系。

從IFD開始從IFD停止

圖5.7SLE4442命令模式的時(shí)序關(guān)系

（3）輸出數(shù)據(jù)模式

這種模式是將IC卡芯片中的數(shù)據(jù)傳送給外部接口設(shè)備（IFD）的一種操作。圖5.8為輸出數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系。

在第一個(gè)CLK脈沖的下降沿之后，I/O線上的第一位數(shù)據(jù)變?yōu)橛行?。隨后每增加一個(gè)時(shí)鐘脈沖，芯片內(nèi)部的一位數(shù)據(jù)被送到I/O線上。其輸出的順序是從每個(gè)字節(jié)的最低位（LSB）開始。當(dāng)所需要的最后一個(gè)數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖來把I/O線置成高狀態(tài)（H狀態(tài)）,以便準(zhǔn)備接收新的命令。

在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動(dòng)狀態(tài)”和“停止?fàn)顟B(tài)”均被屏蔽掉。

從IFD開始從IFD停止

圖5.8SLE4442輸出數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系

（4）處理數(shù)據(jù)模式

這種模式是對(duì)IC卡芯片作內(nèi)部處理。圖5.9是處理數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系。

芯片在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿，將I/O線從高狀態(tài)（H狀態(tài)）拉到低狀態(tài)（L狀態(tài)）并開始處理。此后芯片在內(nèi)部連續(xù)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，直到第n個(gè)時(shí)鐘脈沖之后的附加一個(gè)脈沖的下降沿I/O線被再次置高，完成芯片的處理過程。在整個(gè)處理過程中I/O線被鎖定成低狀態(tài)。

處理過程開始處理過程結(jié)束

圖5.9處理數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系

4．芯片的操作命令

（1）命令的格式

每條命令包含三個(gè)字節(jié)：控制字、地址字和數(shù)據(jù)字。其排列順序如下：

控制字

LSB

數(shù)據(jù)字

LSB

MSB

地址字

LSB

MSB

LSB

MSB

B7B6B5B4B3B2B1B0

A7A6A5A4A3A2A1A0

D7D6D5D4D3D2D1D0

命令的傳送總是從控制字節(jié)開始。首先傳送字節(jié)的最低位LSB（即B0位）?？刂谱止?jié)傳送完畢之后，依次傳送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，傳送順序均從各字節(jié)的最低位（LSB）開始。在最后一位D7傳送完成之后，需要增加一個(gè)附加時(shí)鐘脈沖把I/O線置成高狀態(tài)。

SLE4442芯片具有七種命令，其格式和功能見表5.4。

表5.4命令格式及功能

控制字節(jié)

B7B6B5B4B3B2B1B0

地址字節(jié)

A7--A0

數(shù)據(jù)字節(jié)

A7--A0

功能

命令模式

0110000

0111000

0110100

0111100

0110001

0111001

00110011

地址數(shù)

地址數(shù)

無效

地址數(shù)

無效

地址數(shù)

地址數(shù)

無效

輸入數(shù)據(jù)

無效

輸入數(shù)據(jù)

無效

輸入數(shù)據(jù)

輸入數(shù)據(jù)

讀主存儲(chǔ)器

修改主存儲(chǔ)器

讀保護(hù)存儲(chǔ)器

寫保護(hù)存儲(chǔ)器

讀加密存貯器

修改加密存貯器

比較校驗(yàn)數(shù)據(jù)

輸出數(shù)據(jù)模式

處理模式

輸出數(shù)據(jù)模式

處理模式

輸出數(shù)據(jù)模式

處理模式

處理模式

（2）有關(guān)命令的說明：

1）讀主存儲(chǔ)器：該命令是指讀出主存儲(chǔ)器的內(nèi)容。該命令的控制字為（30H）。對(duì)于每個(gè)字節(jié)來說總是從最低位開始讀出，從給定的字節(jié)地址（N）開始，直到整個(gè)存儲(chǔ)器的末尾。在該命令輸入以后，接口設(shè)備IFD必須提供足夠的時(shí)鐘脈沖。對(duì)于從地址（N）開始讀數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘脈沖的數(shù)量M=(256-N)×8+1。對(duì)主存儲(chǔ)器作讀操作不受限制。

2）讀保護(hù)存儲(chǔ)器：該命令的控制字為（34H）。在連續(xù)輸入32個(gè)時(shí)鐘脈沖情況下，芯片將保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)容傳送到I/O線上。最后一個(gè)附加時(shí)鐘脈沖將I/O線置為高狀態(tài)。對(duì)主存儲(chǔ)器作讀操作不受限制。

3）讀加密存儲(chǔ)器：該命令類似于讀保護(hù)存儲(chǔ)器，可以讀出4個(gè)字節(jié)加密存儲(chǔ)器的內(nèi)容。該命令的控制字為（31H）。在輸出數(shù)據(jù)的模式下，所需時(shí)鐘脈沖的數(shù)量為32。其后再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖將I/O線置成高狀態(tài)。如果可編程加密代碼（PSC）的校驗(yàn)不成功，I/O線總保持為低狀態(tài)（即輸出總是“0”）。

4）修改主存儲(chǔ)器：該命令就是根據(jù)所傳送的字節(jié)數(shù)據(jù)，尋址主存儲(chǔ)器的EEPROM然后修改字節(jié)內(nèi)容。該命令的控制字為（38H）。在處理模式期間，可能發(fā)生下列情況之一：

·擦除和寫入；

·只寫入不擦除；

·只擦除不寫入。

5）修改加密存儲(chǔ)器：該命令是根據(jù)所傳送的字節(jié)數(shù)和要修改的數(shù)據(jù)，將加密存儲(chǔ)器中的響應(yīng)字節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行修改。該命令的控制字為（39H），該命令只能在可編程加密代碼（PSC）比較成功之后才能進(jìn)行。

6）寫保護(hù)存儲(chǔ)器：這一命令的執(zhí)行過程包含一個(gè)被輸入的數(shù)據(jù)與在EEPROM中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的過程。在確認(rèn)一致的情況下，保護(hù)字位被寫0。從而使得主存儲(chǔ)器中的信息不可更改。如果比較結(jié)果不一致，則保護(hù)字位的寫操作被禁止執(zhí)行。

7）比較校驗(yàn)數(shù)據(jù)：該命令把輸入的“校驗(yàn)數(shù)據(jù)”的各個(gè)字節(jié)與相對(duì)應(yīng)的參照數(shù)據(jù)（存放在加密存儲(chǔ)器中）進(jìn)行比較。如果比較不成功（即兩組數(shù)據(jù)不相同），則密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的一個(gè)字位將只會(huì)被從“1”寫成“0”。

首先用一個(gè)修改命令將密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中的一位寫0。然后緊跟三條比較校驗(yàn)命令。比較從參照數(shù)據(jù)的字節(jié)1開始整個(gè)比較過程成功與否是用能否擦除密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器來證實(shí)。如果比較成功，則擦除操作執(zhí)行有效，這時(shí)只要不下電，對(duì)整個(gè)芯片各存儲(chǔ)器的各區(qū)域的寫入/擦除處理都可以進(jìn)行；如果比較不成功，擦除工作執(zhí)行無效，密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將不會(huì)恢復(fù)為“111”。但只要（EC）不全為0，就允許外部接口設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行重試。當(dāng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)比較成功，加密存儲(chǔ)器也同樣被打開，其單元中的參照數(shù)據(jù)也可以像主存儲(chǔ)器（EEPROM）中的其它單元一樣進(jìn)行修改變換。芯片在出廠時(shí)，根據(jù)用戶的專門安排，常將可編程加密代碼（PSC）中編入一個(gè)專用代碼，這樣，在使用時(shí)，要打開卡片就必須合法得到這個(gè)代碼，這也是防止非法竊用的一種方法。

5.SLE4442卡的安全防護(hù)

SLE4442卡的安全防護(hù)主要有三方面：

（1）復(fù)位應(yīng)答檢測(cè)(ATR檢測(cè))

SLE4442上電后,讀寫器使IC卡復(fù)位,接著讀取復(fù)位應(yīng)答信息。應(yīng)答信息中,包含卡的芯片信息,由于這些信息組成是唯一的,即在全球范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生相同標(biāo)志,所以讀寫器讀到這些信息后,可以初步確定此卡是否是同類型芯片的卡。

（2）保護(hù)區(qū)固化信息檢測(cè)

保護(hù)區(qū)固化信息包括復(fù)位應(yīng)答信息、芯片制造廠家信息和芯片信息以及應(yīng)用標(biāo)識(shí)三部分。通過檢測(cè)保護(hù)區(qū)固化信息,不僅可以確定IC卡的生產(chǎn)廠家,而且可以確定發(fā)行商信息及持卡人信息,從而確定IC卡的唯一性。通常情況下,SLE4442保護(hù)存儲(chǔ)器中固化信息如下:

00H-03H復(fù)位應(yīng)答信息(ATR),

04H-07H芯片生產(chǎn)廠家代碼和卡型編碼,

15H-1AH應(yīng)用標(biāo)示。

（3）密碼校驗(yàn)檢測(cè)

密碼校驗(yàn)檢測(cè)是SLE4442芯片安全體制的關(guān)鍵。它通過對(duì)密碼存儲(chǔ)器的操作來實(shí)現(xiàn)。其中包括3個(gè)命令：讀密碼、寫密碼和校驗(yàn)密碼。其中最常用的是校驗(yàn)密碼,該密碼如果校驗(yàn)成功則對(duì)主存儲(chǔ)器的寫操作使能,以及對(duì)密碼存儲(chǔ)器的讀寫使能;若校驗(yàn)密碼失敗,計(jì)數(shù)器則將失敗的校驗(yàn)次數(shù)記錄下來,為了防止通過多次校驗(yàn)以獲得密碼的可能性,設(shè)計(jì)了連續(xù)3次錯(cuò)誤校驗(yàn),芯片自鎖功能。

5.1.4顯示驅(qū)動(dòng)芯片的選用

一般電表的顯示只須5位數(shù)字電量(4位整數(shù)和1位小數(shù))即可滿足要求,所以本設(shè)計(jì)中顯示部分我們選用的是MC14489和5個(gè)7段共陰極LED數(shù)碼管。

MC14489是7段LED直接驅(qū)動(dòng)的芯片，它可以驅(qū)動(dòng)5個(gè)7段LED。MC14489可以用串行接口和單片機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)是以共陰極方式進(jìn)行的，故顯示器件應(yīng)采用共陰極7段LED。

MC14489的典型應(yīng)用如圖5.10所示。圖中表示的是單片機(jī)對(duì)MC14489的控制以及MC14489對(duì)7段LED顯示器的驅(qū)動(dòng)情況。其中，MCU/MPU是單片機(jī)或微處理器，它通過串行接口和MC14489的DATAIN，CLOCK以及ENABLE連接，同時(shí)，也可以接收MC14489的數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT的信號(hào)數(shù)據(jù)。從圖中看出：MC14489可以驅(qū)動(dòng)5個(gè)7段的LED顯示器。在MC14489內(nèi)部，配置寄存器和顯示寄存器的有關(guān)功能說明如下。

配置寄存器的作用和功能用于確定顯示的方式。顯示方式有低電源方式和一般方式，在一般方式中又分成十六進(jìn)制譯碼顯示、特殊譯碼顯示和不譯碼顯示3種情況。

圖5.10MC14489的典型應(yīng)用

配置寄存器各位分別用C7～C0表示，其中C7為最高有效位，當(dāng)數(shù)據(jù)串行輸入MC14489時(shí)，最高有效位MSB先輸入。在數(shù)據(jù)輸入時(shí)，ENABLE先變成低電平，串行數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的作用下，先為最高有效位MSB輸入，最后為最低有效位LSB輸入，送入移位寄存器中。在8位數(shù)據(jù)移入移位寄存器之后，ENABLE信號(hào)變?yōu)楦唠娖健Ｓ捎谳斎氲氖?位數(shù)據(jù)，故這個(gè)數(shù)據(jù)被存入配置寄存器中。配置寄存器的各位意義如下：

C0：C0=0，MC14489以低電源工作方式工作，通電復(fù)位時(shí)會(huì)強(qiáng)制令C0=0；C0=1時(shí)，MC14489以一般方式工作。在低電源工作方式時(shí)MC14489處于靜態(tài)狀態(tài)，并使顯示器熄滅。在一般工作方式中，還有十六進(jìn)制譯碼，特殊譯碼和不譯碼3種情況，這些情況由C1～C7決定。

C1：用于控制BANK1端對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。C1=0時(shí)，BANK1對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行十六進(jìn)制譯碼顯示；C1=1時(shí)，取決于C6的狀態(tài)。

C2：用于控制BANK2端對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。C2=0時(shí)，BANK2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制譯碼顯示；C2=1時(shí)，取決于C6的狀態(tài)。

C3：用于控制BANK3端對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。C3=0時(shí)，BANK3對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制譯碼顯示；C3=1時(shí)，取決于C6的狀態(tài)。

C4：用于控制BANK4端對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。C4=0時(shí)，以十六進(jìn)制譯碼顯示；C4=1時(shí)，取決于C7的狀態(tài)。

C5：用于控制BANK5端對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。C5=0時(shí)，以十六進(jìn)制譯碼顯示；C5=1時(shí)，取決于C7的狀態(tài)。

C6：在C1～C3為“1”時(shí)，決定BANK1~BANK3對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的譯碼方式。C6=0時(shí)，不進(jìn)行譯碼顯示；C6=1時(shí)，實(shí)行特殊譯碼顯示。

C7：在C4，C5為“1”時(shí)，決定BANK4，BANK5的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的譯碼方式。C7=0時(shí)，不進(jìn)行譯碼顯示；C7=1時(shí)，實(shí)行特殊譯碼顯示。

顯示寄存器用于存放顯示數(shù)據(jù)和顯示控制碼。顯示寄存器有24位，分別用D23～D0表示，其中，D23是最高有效位MSB。顯示寄存器的24位數(shù)據(jù)輸入和配置寄存器8位數(shù)據(jù)輸入類同，在24位數(shù)據(jù)輸入移位寄存器之后，則ENABLE又變?yōu)楦唠娖剑?4位數(shù)據(jù)從移位寄存器送入顯示寄存器中。

在顯示寄存器中，含3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，分成6組，每組數(shù)據(jù)4位。低5組是顯示數(shù)據(jù)，最高1組是顯示控制碼。各組數(shù)據(jù)及其含義如下：

D0～D3：對(duì)應(yīng)BANK1端的顯示數(shù)據(jù)組1，其中D3是最高有效位。

D4～D7：對(duì)應(yīng)BANK2端的顯示數(shù)據(jù)組2，其中D7是最高有效位。

D8～D11：對(duì)應(yīng)BANK3端的顯示數(shù)據(jù)組3，其中D11是最高有效位。

D12～D15：對(duì)應(yīng)BANK4端的顯示數(shù)據(jù)組4，其中D15是最高有效位。

D16～D19：對(duì)應(yīng)BANK5端的顯示數(shù)據(jù)組5，其中D19是最高有效位。

D20～D23：這4位是顯示控制碼。其中D23是亮滅控制位，D23＝0，熄滅LED；D23＝1，開亮LED。D22～D20用于控制各組顯示數(shù)據(jù)的顯示，其控制作用如表5.5所示。

表5.5D22，D21，D20的含義

D22

D21

D20

含義

0

0

0

所有1輸出無效

0

0

1

BANK1中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

0

1

0

BANK2中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

0

1

1

BANK3中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

1

0

0

BANK4中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

1

0

1

BANK5中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

1

1

0

BANK1和BANK2中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

1

1

1

BANK1~5中的數(shù)據(jù)為1輸出有效

5.2硬件設(shè)計(jì)

IC卡電表預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)的原理圖見圖5.11。

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)思想是：在保證系統(tǒng)功能及運(yùn)行可靠的前提下，盡可能降低成本。故本系統(tǒng)是以原有家用機(jī)械電表為基表改裝而成，以單片機(jī)構(gòu)成控制和處理信息的核心部分。

1.電量計(jì)數(shù)輸入電路

電量計(jì)數(shù)輸入電路由光電耦合器S1和與非施密特觸發(fā)器CD4093組成。IC卡電度表不損壞原來機(jī)械電度表的結(jié)構(gòu)，而只是由反射式光電耦合器S1對(duì)機(jī)械電度表的電度計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤上的反光標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果再由與非施密特觸發(fā)器CD4093進(jìn)行整型，然后以中斷方式送入到單片機(jī)AT89C51內(nèi)部。

光電耦合器S1的初級(jí)發(fā)光二極管長(zhǎng)期通電發(fā)光，當(dāng)電度表的轉(zhuǎn)盤的反光標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)到發(fā)光二極管所在位置時(shí)，則通過反光標(biāo)志將光反射到光敏三極管上，所以光敏三極管會(huì)導(dǎo)通，則與非型施密特觸發(fā)器CD4093就會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)的INT0中斷端口。當(dāng)電度表的轉(zhuǎn)盤的反光標(biāo)準(zhǔn)偏離發(fā)光二極管所在位置，則沒有光線反射給光敏三極管，所以光敏三極管截止，則CD4093就會(huì)輸出高電平到單片機(jī)的INT0端口。

圖5.11IC卡電表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的原理圖

2.通電復(fù)位電路

通電復(fù)位電路由集成電路MAX708構(gòu)成，它是通電斷電監(jiān)視電路，在通電和斷電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)輸出。

MAX708對(duì)電源電壓的監(jiān)視門檻為4.4V。內(nèi)部由上電比較器，復(fù)位比較器，反相器以及失電比較器組成。其引腳及功能說明如下：

引腳1：MR,手動(dòng)復(fù)位輸入。當(dāng)其輸入信號(hào)低于0.8V時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號(hào)輸出。當(dāng)其輸出低電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部拉出電流，該拉出電流可以驅(qū)動(dòng)連接在MR端的TTL或CMOS邏輯門。一般引腳1輸入的手動(dòng)復(fù)位是由開關(guān)或邏輯門產(chǎn)生，這時(shí)，手動(dòng)開關(guān)應(yīng)接到地，或邏輯門應(yīng)輸出低電平。

引腳2：Vcc,+5V電源。

引腳3：GND，信號(hào)地。

引腳4：PFI，電源電壓下降監(jiān)視輸入端。當(dāng)PFI端輸入低于1.25V時(shí)，就會(huì)使PFO端輸出低電平。如果PFI端不用時(shí)，接到GND或Vcc端。

引腳5：PFO，電源電壓下降監(jiān)視輸入端。當(dāng)PFI端輸入低