智能CPU卡式电能表卡口防攻击电路分析

来源：中国一卡通网作者：韩诚发布时间：2012-02-06 09:21:56 字体:[大中小]

摘要：CPU卡式电能表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、IC卡技术对用电量进行计量并采用预付费结算方式( 费控) 的新型电能表。在国家智能电网的建设中，今后将逐步实现“全覆盖、全采集、全费控”的“三全”目标，智能卡式电能表的安装与更换就是适应这一目标的基础工作。智能卡式电能表不仅具有传统的计量功能，同时还可通过电力载波传输数据，尤其CPU卡的应用彻底转变了传统的缴费模式。随着该类电能表的普及，电能表安全问题突出显现，尤其对电能表卡口的攻击就是重要的一方面，为此，针对电能表卡口的攻击方式及防攻击电路进行了研究与分析。

　　 2． 1． 3 防攻击电路存在的问题

　　( 1) 通过专用引线板的引线，将外部220V 交流电源叠加至卡座电源后，时间一长就会把双二极管烧掉( 耐压不够) ，使插卡不起作用( 没有破坏卡座以外的电路) ，没有起到防攻击效果。此电路设计不够合理，没必要使用双二极管，防攻击专用模块完全可以抵抗卡口攻击，存在质量隐患。

　　( 2) 表计在高温下工作时，防攻击专用模块的热敏电阻阻值会变大，而此时用户去售电插卡，就有可能使卡座的电源被拉底，从而导致表计售电不成功。挂网运行的部分表计已经出现过此类情况，有些地区表计是挂在户外的，当中午太阳暴晒时去插卡，怎么插卡读卡都不能成功。另外一方面，每张IC卡存在其内阻不同的现象，有些内阻比较大的IC卡，也会使卡座的电源被拉底，导致插卡不成功。

　　2． 2 改进后的IC卡卡口防攻击电路

　　针对第一种IC卡卡口防攻击电路存在的问题，进行改进，经过测试验证，提出了第二种IC卡卡口防攻击电路，并对电路和防攻击模块都进行了优化。

　　2． 2． 1 防攻击原理

　　改进后的IC卡卡口防攻击电路，去掉了起不到防攻击效果的双二极管保护电路，并对防攻击模块进行优化，由原先的热敏电阻( 300 ～ 500Ω) + 稳压管( 5． 6V) 五组完全相同的通道，更改为卡座电源采用热敏电阻( 30 ～ 60Ω) + TVS 管( 6． 8V) 通道，其他四组通道与原先相同。

　　2． 2． 2 防攻击优点

　　( 1) 降低了成本，去掉了双二极管等器件，同时减小了卡板PCB 面积。

　　( 2) 能够抗击高压交流和直流攻击，短路攻击，静电攻击等。

　　( 3) 卡座电源采用热敏电阻( 30 ～ 60Ω) + TVS管( 6． 8V) 通道方式，减小卡座电源的限流电阻，同时采用TVS 管( 电阻减小，使导通速度加快，通过TVS 管瞬间吸收大电流，使表计内部电路不致于被破坏。) ，无论表计在高温下工作，还是IC卡自生内阻偏大，都能使表计正常售电读卡。
　
　　2． 2． 3 存在的问题及处理办法

　　上述防攻击电路已经可以抵抗卡口受到的攻击，但对于不同的表计电路有可能还会使表计受到攻击损坏，因此还需对电路进行优化改进。如图2 所示，此电路的IC卡信号线是通过74HC08D 与门芯片与防攻击专用模块相连。当瞬间对卡座电源加220V 交流电压时，74HC08D 芯片( CMOS 管) 很容易被击穿( 其他信号线加220V 交流电压，不会把芯片烧坏) 。由于卡座电源端的热敏电阻减小到30 ～ 60Ω，虽然有TVS 管保护，但瞬间还是有尖电压进去，击穿与门芯片。后来在卡座电源VAA 上加一个0． 1μF 电容，在TVS 管保护的同时增加电容的滤波功能，把尖脉冲滤掉，从而达到保护的效果。

　　图2 改进优化后的电路

　　2． 3 新型的IC卡卡口防攻击电路

　　上述采用防攻击专用模块电路价格相对较高。如何在保证质量的前提下，设计一个电路与防攻击专用模块功能相同，而价格又相对较低的电路。经过理论和实践论证，可以采用热敏电阻+ 稳压管( 或TVS 管) 电路方式来取代防攻击专用模块，具体电路如图3 所示。

　　图3 新型IC卡卡口防攻击电路

　　此电路采用五组通道来防攻击，其中卡座电源通道采用热敏电阻( 30 ～ 60Ω) + TVS 管( 6． 8V) ，其他组通道采用热敏电阻( 300 ～ 500Ω) + 稳压管( 5. 1V) 。经过试验，其防攻击效果与防攻击专用模块完全相同。

　　3 结束语

　　按国网坚强智能电网发展战略，智能CPU卡式电能表将会进入千家万户，如何保证智能电能表的运行安全，不仅是安全管理的要求，更重要的是在技术层面提供支持。本文就是针对智能电能表最易受到攻击的CPU卡口，从硬件技术层面进行了研究，并特别给出了几种防攻击电路设计，分析了技术性能，对智能电能表实用化应用将会起到一定作用。

　　参考文献:

　　［1］宗建华，闫华光，史树冬，等．智能电能表［M］．北京:中国电力出版社， 2010．
　　［2］郑尧，李兆华，谭金超，等．电能计量技术手册［M］．北京: 中国电力出版社， 2001．

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