基于低功耗CPU卡智能预付费水表设计

    1 序言

    IC卡按其工作方式分为接触式IC卡和非接触式IC卡两大类。在接触IC卡中，按其工作原理，一般可分为存储IC卡和智能卡即CPU卡两类。存储卡内部不含CPU，只能由硬件逻辑完成密码校验，具有一定的安全性但其密码容易在线路中被跟踪破译，一般在安全性要求不高的情况下使用。CPU卡由于内部带有微处理器在性能上比存储卡有很大提高，CPU卡的这些优势使其在智能卡表、通信设备、交通收费、网络安全、金融设备等领域得到越来越广泛的应用。主要表现为：

    安全性：CPU卡采用密钥管理机制，认证过程通过加密算法运算动态进行，在实际应用中被破译和攻击的可能性很小。

    兼容性：CPU卡信息传输方式遵循ISO7816．3国际标准，这样芯片升级时不需要对系统内的微控制器程序进行改动，这是存储卡和逻辑加密卡所不能做到的。

    可扩展性：由于CPU卡采用文件方式对数据进行存储，并且可以对不同应用的数据文件进行目录管理，这样很容易实现一卡多用的方案。规范性：采用CPU卡的COS操作系统一般都满足金融卡规范， 如SMARTCOS符合中国人民银行PBOC金融卡规范，这样就可以很方便地实现收费管理与金融系统的接轨。

    2 CPU卡智能水表系统的总体设计

    CPU卡智能水表采用了超低功耗的微处理器MSP430F413，采用低功耗模式和晶振设置，使得工作功耗进一步降低。CPU卡不同于普通的IC存储卡，是一种自带COS(CardOperation System)嵌入式操作系统的做控制器。COS系统由文件管理、传输管理、安全管理和命令解释四个功能模块组成。

    CPU卡智能水表系统由缴费系统，读卡器，CPU卡智能水表构成。CPU卡智能水表是通过CPU充值卡在缴费系统和水表间进行数据交换。用户将CPU卡在缴费点对卡进行充值后，再使用CPU卡对水表进行充值。智能水表模块对用户的用水量进行计费，扣除相应金额。且液晶屏实时显示用水量，剩余金额，阀门控制状态等。

    CPU卡较IC逻辑加密卡而言，增添了密钥管理机制认证系统，通过加密算法(采用DES加密算法)运算在用户卡和ISAM 卡／ESAM 模块之问动态进行。用户卡与ISAM 卡／EsAM 模块之间传递的是一种动态的伪随即码。在实际应用过程中被破译和攻击的可能性非常小。在性能上比IC存储卡有较好的安全性，兼容性和扩展性，并且升级不需要对MSP430F413芯片内的程序进行改动，只需对上位机发卡系统上对CPU卡内的数据文件进行改动。

    3 CPU卡硬件设计框图

    CPU卡智能水表硬件采用TI公司的超低功耗16位微处理器MSP430F413及其外围电路组成。硬件框图如图1所示，主要包括：控制芯片MCU、电源管理模块、流量检测电路、阀门控制电路、LCD显示电路、CPU卡接口电路、ESAM模块接口电路。 

    4 CPU卡智能水表各模块的硬件及软件设计

    4．1控制芯片MCU

    单片机采用MSP430F413，它采用了FLASH存储器，并具有以下一些特点：

    1)超低功耗：MSP430F413运行在2．2V，1MHz时钟条件下，其工作电流根据工作模式的不同在0．1 A～300~A之间，其工作电压范围1．8V～3、6V。 

    2)处理能力强大：采用RISC指令集，核心指令27条，并具有丰富的寻址方式。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法。

    3)片上外围模块丰富：MSP430F413具有FLL+(频率锁相环)时钟系统，看门狗带，有三个捕获／比较寄存器的16位定时器(Timer A)，片内比较器，96段LCD驱动器，48个通用I／O引脚，并且端口P1和P2具有中断能力，每一引脚都可以单独选择中断触沿、单独允许中断。

    4)开发方式简便高效：MSP430F413具有JTAG接口，可以方便的通过JTAG控制器实现程序的下载和调试。

    5)具有5种节电模式，掉电电流(RAM数据保持)最低可为0．1uA，提供从待机模式中快速唤醒功能，唤醒时间小于6um。平时单片机处于低功耗模式3，流量检测，CPU卡数据操作等都以中断方式唤醒，以节省功耗。

    4．2电源管理

    采用3．6V的电池对系统供电， 当电池电压小于3v时，由于利用MSP430F413内部的比较器，以中断方式唤醒单片机，及时关闭水表阀门并保存相应数据，提示用户更换电池。对LCD显示，CPU卡接口电路等的供电在需要操作时才打开，以减小不必要的电流损失。原理图如图2所示。

    比较器内寄存器设置如下：CACTL2=P2CA1；／／CA1选择外部信号输入，CA0不选择外部信号输入CACTL1=CAREF 3+CAON；11基准电压采用第三种模式CAPD：CAPD6+CAPD7 

    4．3流量检测

    将用水量转换为脉冲信号，采用两个脉冲传感器对脉冲信号进行接收，防止抖动产生的多计数现象。通过一定的程序设置，判断两个传感器是否正常工作，若不正常，则认为是外界强磁干扰，关闭阀门。原理图如图3所示。 

    4．4 阀门控制电路

    特殊情况下，控制水表阀门的开关，选用饱和压降为0．2V的三极管8550和8050的对管构成电机驱动电路，既可以保证电机的驱动电流又可在故障时限制最大电流<500mA。原理图如图4所示。 

    4．5 CPU卡以及ESAM模块接口

    CPU卡的外部引脚有8根，实际用到的有5根，即VCC、RST、CLK、GND和I／o。MSP430是64脚QFP封、蟪有48个通用I／O口。这里采用P1．2／TA1，利用定时器A模拟实现与CPU卡通信，原理图见图5。 

    模块工作的时钟，由于MSP430单片机独特的性能，可以利用P1．1／MCLOCK 口输出1M 到5M 的时钟，利用此时钟可以很好地实现MSP430和CPU卡的通讯时钟同步。

    单片机的P1．2口用来实现单片机和CPU卡的双向数据通信，由于CPU卡的VO口采用的是集电极开路方式，使用时要在口线上外接上拉电阻。

    单片机的P1．3口用来控制CPU卡的复位CPU卡采用的是低电平复位方式P1-3口平时为低电平。CPU卡工作时为高电平。

    5 结束语

    智能预付费水表是智能小区抄表系统的一个重要组成部分，彻底地改变了传统的抄表模式。高性能的智能水表的设计是基于低功耗和数据安全性的，低功耗设计使得水表在电池供电情况下也能正常工作长达数年时间(>8a)。本文所介绍硬件设计已通过实际的开发和运行，达到预期效果，并提出了用CPU卡替代IC逻辑加密卡的新观点，增添了密钥管理机制认证系统，在实际应用过程中被破译和攻击的可能性非常小。另外，在传统抄表系统的基础上增加了电源管理及流量监测，避免了电流损失和外界干扰。

    (文/武汉理工大学，芦博，郭金旭)