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一种面向预付费仪表的光耦合IC卡和卡座

来源:中国一卡通网  作者:王传发  发布时间:2007-09-24 15:09:56  字体:[ ]

关键字:预付费仪表  光耦合  卡座  智能仪表  ic卡表  光耦合ic卡  

摘   要:介绍一种面向预付费仪表的IC卡和卡座,由于采用了光耦合及双向感应开关,使接触式IC卡和卡座成为全封闭结构,实现了非接触读写,安全、可靠性能明显增强。

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。  

光耦合IC卡和卡座的原理

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。   

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