智能热量表中常用的三种智能卡

    0 引言

    随着我国供热体制的改革，智能热量表已越来越多地用于供暖和采暖收费。智能热量表是一种采用智能卡技术的热量计量仪表，它由流量传感器、温度传感器、阀门及其控制单元、IC 卡操作系统以及积分仪处理单元等组成。通过智能卡进行数据传递，即可完成供热系统的预付费管理。

    智能卡是将一个专用的集成电路芯片镶嵌于基片中，封装成卡。智能卡芯片具有写入数据和存储数据的能力。智能卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取和供内部信息处理和判定之用。

    智能卡根据卡与外界数据传送的形式可分为：接触型IC卡、非接触型IC 卡和TM 卡。

    由于智能卡采用了当今最先进的半导体制造技术和信息安全技术，智能卡相对于其它种类的卡具有存储容量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、便于携带、易于使用、安全性高，对网络要求不高等特点。

    1 接触式IC 卡

    接触式IC 卡的外型由一块塑料或PVC 材料制成，通常还有各种印刷图案、文字和号码在上面，称作“卡基”；在“卡基”的固定位置上，嵌装一种特定的IC 芯片就成为我们通常所说的IC 卡，其外形和尺寸都遵循国际标准（ISO）。芯片一般采用不易挥发性的存储器（ROM、EEPROM）、保护逻辑电路、甚至带微处理器CPU[2]。根据嵌装的芯片不同，产生了各种类型的IC 卡。接触式IC 卡卡片上有8 个触点，目前一般用到5个，另外3 个触点留作将来使用。

    接触式IC 卡从其功能上分为3 种： 存储器卡、 带加密逻辑的存储器卡和 CPU 卡。存储器卡采用存储器芯片作为卡芯，只有“硬件”组成，包括数据存储器和安全逻辑控制等；CPU 卡采用微处理器芯片作为卡芯，由硬件和软件共同组成，包括硬件单片机MPU（微处理器）、RAM（随机存取存储器）、ROM（ 只读存储器）、EEPROM（ 用户数据存储器），软件芯片操作系统COS（IC Card Operating System）等。

    2 非接触式IC卡

    非接触式IC 卡，又称射频卡，是近几年发展起来的一项新技术，在卡片靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作，它成功地将射频识别技术和IC 技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

    非接触式IC 卡在卡片内藏有微小的集成电路芯片和线圈。对应的卡表或读卡器内有一套电路，如一座可发射和接收无线信号的微型电台。当射频卡工作时，先在很短瞬间内，由卡表发射的电磁波在射频卡内通过电磁感应形成一个低压电源，射频卡同样变成一座微型电台，与卡表高速地进行一系列复杂的数据交换和信息传递，一瞬间，数据即交换完毕。

    射频卡是通过射频信号来传递数据的，其寿命主要取决于芯片的寿命。而接触式IC 卡的使用寿命不仅取决于芯片的寿命，而且主要取决于卡片的寿命。由于其触点反复插接，有可能损坏芯片的集成电路。而射频卡无需接触和磨擦，所以相对来说，射频卡的寿命要长得多。

    非接触式IC 卡的尺寸为长85mm、宽54mm、厚0.76 ～ 0.84mm。在芯片设计中除了接触式IC 卡用芯片要求外，增加了射频接口电路、稳压电路、防冲突电路和低功耗技术。综上所述，非接触卡用芯片是一块数模混合的集成电路，这使非接触卡用芯片设计和制造均比数字电路的接触卡用芯片的设计制造复杂。

    3 TM 卡

    TM 卡是美国DALLAS 公司的专利产品，它采用单线协议通讯，通过瞬间碰触完成数据读写，既具有非接触式IC 卡的易操作性，又具有接触式IC 卡的廉价性，也在我国智能热量表行业中得到应用。

    TM 卡外形类似于一个钮扣（Button）电池，可镶嵌于卡片、钥匙扣等物体上。TM 卡通过一个多功能器来实现将数据线、地址线、控制线和电源线减为一根线，一般TM 卡都具有RAM 存储器，为了保持RAM 中的内容不丢失，卡中要安置长寿锂电池。当主机加电时，TM 卡通过500 000Ω 和50Ω 阻抗之间的切换来响应主机，用信号被拉低的时长（长或短）来表示数字逻辑（长为1，短为0），由于阻抗切换的幅度为10 000 ：1，因此，触点的接触电阻不会影响数字信号的辨识。

    另外，根据TM 卡存储器的加密性，TM 卡可分为加密TM 卡和非加密TM 卡。绝大部分TM 卡都是非加密的，只有DS1991 是加密的，并分为3 个独立的加密区，每个加密区都有独立口令。因此，可以作为3 个独立的用途。考虑到TM 卡的特点，TM 卡的加密方式与接触式加密IC 卡不同，后者密码位数小，并有误码计算功能，前者密码多达64 位，不设误码计数，如果因某种原因忘记密码，可按卡重新初始化后使用，但卡中原有信息将被自动擦除。 

    4 3 种卡的性能比较

    接触式IC 卡、非接触式IC 卡和TM 卡，这3 种卡各有自己的优缺点。

    1）接触式IC 卡有以下优点：

    （1）结构比较简单，通用性好；

    （2）功耗低，读写的电压较低，速度较快；

    （3）造价低，IC 卡的读写设备简单可靠、造价便宜、维护方便。

    2）接触式IC 卡缺点：

    （1）接触式IC 卡表使用时要将IC 卡插入卡口，依靠多个触点，才能完成信息的传递，其金属触点易磨损和沾污；
    （2）防水、防尘性能略差；
    （3）由于具有暴露的卡口，给人为破坏造成方便。

    3）非接触式IC 卡具有以下优点：

    （1）可靠性高，使用寿命长。非接触式IC 卡避免了由于接触读写而产生的各种故障。此外，非接触式IC 卡便于卡片的印刷，又提高了卡片使用的可靠性。

    （2）操作方便、快捷。由于使用射频通讯技术，读写器在10cm 范围内就可以对卡片进行读写，没有插拔卡的动作。非接触IC 卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，读写时间不大于0.1s。

    （3）安全防冲突。非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰。因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC 卡，提高了应用的并行性。

    4）非接触式卡也存在功耗大，成本高的缺点：

    5）TM 卡有如下优点：

    （1）不锈钢封装，耐用性好；
    （2）使用方便性，瞬间接触，无需对准 4 个不同插卡方向，只有1 个方向是正确的； 
    （3）携带方便性，不怕高温、磨损、碰摔，耐腐，不易丢失。

    6）TM 卡的缺点：对应于TM 卡的热量表内必须有相应的解码模块，来对卡的信号传送进行处理，所以它的通用性要差一些；由于它的触点更暴露在外，所以防攻击性能也要差一些。这三种智能卡综合比较情况如下表1 ：

    表1 三种智能卡的性能比较 

    从以上比较来看，这几种卡各有其优缺点。非接触式IC卡虽然成本较高，但如果批量生产，成本与接触式IC 卡相差不大，并且它的寿命比接触式IC 卡要高得多。对于在智能热量表中的应用来说，非接触式IC 卡从综合功能上有更大的优势。

    5 结论

    本文介绍了智能热量表目前常用的3 种智能卡，介绍了它们的结构组成和工作原理，并对它们的性能进行了综合比较。

    由于热量表常使用在比较潮湿、灰尘大、温度高等较恶劣的环境下，所以从综合功能上考虑，非接触式IC 卡有更大的优势。

    (文/1. 义马新源化工能源有限责任公司，2. 郑州大学节能中心，陈海伟 付卫东)