IC卡預付費遠傳式儀表設計

北華大學畢業(yè)設計（論文）

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摘要

IC卡技術是以計算機、通信技術等現(xiàn)代化科學技術為基礎發(fā)展起來的一項新技術。本文是在對IC卡技術研究的基礎上，對具有邏輯加密功能的IC卡在儀表控制系統(tǒng)中的應用進行研究。論文首先總結了前人的研究成果，結合現(xiàn)在電表收費中存在的弊端進行了分析，介紹了IC卡技術的相關知識、發(fā)展狀況和應用,并對IC卡在傳輸中的安全問題做了闡述。本文以電表為例對IC卡在儀表中的應用進行了深入研究。IC卡電表預付費控制系統(tǒng)采用硬件和軟件相結合的方法，通過匯編語言編程實現(xiàn)IC卡在電表終端的刷卡消費。本系統(tǒng)所涉及的主要內容有：IC卡的基礎知識；硬件的選用、硬件設計和功能分析；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計以及數(shù)據(jù)安全設計。通過對系統(tǒng)中涉及的硬件的選用和組合，使整個系統(tǒng)的功耗和穩(wěn)定性達到較好效果。通過對IC卡的選用和內部存儲器的合理分配以及對程序的合理設計增強了IC卡中數(shù)據(jù)的安全性。本文對IC卡密碼安全和數(shù)據(jù)校驗等幾個方面進行了討論。

經(jīng)濟發(fā)達的國家現(xiàn)在都以信息產(chǎn)業(yè)，即由現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)、計算機產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)所構成的新興產(chǎn)業(yè)群，作為整個社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎?？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)決定著本世紀的力量對比，世界各國無不向這個新的制高點沖擊。

關鍵詞：IC卡，電度表，ISO7816，單片機

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

北華大學畢業(yè)設計（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本文研究的主要內容及組織結構

3

2.IC卡的發(fā)展與應用

4

2.1信息和金卡工程

4

2.1.1信息和信息社會

4

2.1.2金卡工程

4

2.2IC卡的興起

5

2.3國內外IC卡的應用狀況

6

3.IC卡技術與安全

8

3.1IC卡的物理特性

8

3.1.1IC卡的構成

8

3.1.2IC卡的觸點功能

8

3.2IC卡存儲器

8

3.3IC卡的操作過程

9

3.4IC卡的安全性

10

4.IC卡預付費電表系統(tǒng)分析

12

4.1現(xiàn)狀分析

12

4.2IC卡預付費電表工作過程

12

4.3設計功能

13

5.IC卡預付費電表系統(tǒng)設計

15

5.1硬件選擇

15

5.1.1單片機選擇

15

5.1.2存儲芯片的選用

19

5.1.3IC卡的選用

21

5.1.4顯示驅動芯片的選用

30

5.2硬件設計

33

5.3IC卡電度表的控制軟件

37

5.3.1IC卡的認證

38

5.3.2程序設計控制軟件

38

5.4系統(tǒng)抗干擾分析

42

5.5系統(tǒng)安全性分析

46

結論

47

參考文獻

48

附錄系統(tǒng)總圖

50

致謝

51

北華大學畢業(yè)設計（論文）

引言

IC卡作為信息載體在近半個世紀的發(fā)展中對人類信息技術的發(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。所以，對IC卡的研究也成為信息技術研究中的重要部分。IC卡技術的不斷發(fā)展以及國內相關行業(yè)服務意識的提高，在與居民用戶日常生活相關的計量表中使用IC卡技術已經(jīng)得到了迅速的推廣和廣泛的應用。目前在電表、水表、燃氣表以及暖氣熱力表中都已經(jīng)開始采用IC卡作為抄表收費、控制以及數(shù)據(jù)管理的媒介。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡稱，它是把具有存儲、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，國際標準化組織ISO專門為IC卡制定了國際標準，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標準為IC卡在全世界范圍內的推廣和應用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡又被稱作開創(chuàng)市場之卡，也就是說，IC卡不僅改進了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應用領域。帶微處理器的IC卡稱之為智能IC卡，它被認為是世界上最小的個人計算機。正如同計算機或各種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡一樣，IC卡本身并不創(chuàng)造任何價值。即使是高度智能化的IC卡，和386、486的計算機的處理能力比較相差甚遠，它僅僅具有部分計算機的功能。但是，如果把IC卡和其它設備組成系統(tǒng)就能提供非常豐富的服務功能。把這些功能和生產(chǎn)領域有機的結合起來，將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益。

1.緒論

1.1本文研究的背景及目的

當今世界信息技術的發(fā)展已廣泛地滲透到社會各領域，并在世界經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，各個發(fā)達國家都在致力于信息化建設，在美國提出“國信息基礎設施NII(NationalInformationInfrastructure)計劃”之后，歐共體、日本、韓國、新加坡等國家也都相繼制定了信息高速公路計劃，以此來加速本國經(jīng)濟的發(fā)展。中國是一個發(fā)展中的國家，作為加速發(fā)展國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略舉措，中國政府正在致力于國民經(jīng)濟信息化的建設，以“金橋”、“金卡”、“金關”、“金稅”工程為代表的“金系列”工程的實施，就是中國政府為推進國民經(jīng)濟信息化建設所采取的重要行動。這些工程的建成，將對國民經(jīng)濟發(fā)展和社會信息化水平的提高作出積極的貢獻。利用現(xiàn)代信息技術來改造和裝備各個部門，逐步建設一個比較發(fā)達的信息社會，對發(fā)展中國家來說，是一場全新的技術革命和社會改革，我們需要在實踐中努力探索和提高。如何將人類的社會活動和生產(chǎn)活動與現(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文明。IC卡作為信息載體在近半個世紀的發(fā)展中對人類信息技術的發(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。所以，對IC卡的研究也成為信息技術研究中的重要部分。IC卡技術的不斷發(fā)展以及國內相關行業(yè)服務意識的提高，在與居民用戶日常生活相關的計量表中使用IC卡技術已經(jīng)得到了迅速的推廣和廣泛的應用。目前在電表、水表、燃氣表以及暖氣熱力表中都已經(jīng)開始采用IC卡作為抄表收費、控制以及數(shù)據(jù)管理的媒介。

如今，IC卡技術在金融、交通、學校、醫(yī)療、通信、儀表等領域已獲得越來越廣泛的應用。本文在研究IC卡的基礎上以IC卡預付費電表系統(tǒng)的設計為例說明IC卡的應用。IC卡預付費電表是將IC卡技術與計算機技術相結合的低成本、高性能的電能計量收費裝置。該表不但實現(xiàn)了收費的電子化，而且還改變了先用電后收費的不合理狀況，讓能源真正成為商品，變被動為主動，完善能源銷售環(huán)節(jié)，從根本上解決了人工抄表收費費工費時的弊端，特別是杜絕了拖欠費用現(xiàn)象，加速了資金回籠。

1.2本文研究的主要內容及組織結構

本文共分為五個部分（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)展狀況和分類以及它們的優(yōu)缺點；第三章介紹了IC卡基本特性；第四章對IC卡預付費電表的應用現(xiàn)狀、工作原理和設計目標進行了論述；第五章是本論文核心部分，即IC卡預付費電表的設計，包括硬件選擇和設計，軟件控制的研究及其實現(xiàn)。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡稱，它是把具有存儲、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，國際標準化組織ISO專門為IC卡制定了國際標準，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標準為IC卡在全世界范圍內的推廣和應用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡具有突出的3S特點，即Standard(國際標準化)，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)市場之卡，也就是說，IC卡不僅改進了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應用領域。

2.IC卡的發(fā)展與應用

2.1信息和金卡工程

2.1.1信息和信息社會

對于信息，很難給出確切統(tǒng)一的定義，我們只能在不同的領域中，從不同的角度來理解其內含和外延。在計算機系統(tǒng)中，把信息定義為數(shù)據(jù)、消息中所包含的內容。日常，人們把信息視作信號、數(shù)據(jù)、資料、情報、知識等等，而信息則被包含在各種信號及其組合的表達手段之中。控制論奠基人N.Wiener在《人有人的用處》一書中認為：“信息這個名稱的內容，就是我們對外界進行調節(jié)，并使我們的調節(jié)為外界所了解時而與外界交換來的東西。”這個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。

人類社會的發(fā)展在經(jīng)歷了茹毛飲血的上古時代之后，就進入了開發(fā)綠色資源的畜牧和耕耘的農(nóng)業(yè)社會。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。目前，正在向“后工業(yè)化社會”演變的階段之中。所謂“后工業(yè)化社會”，有人認為就是開發(fā)灰色資源（大腦皮層）的信息社會。今天，大多數(shù)發(fā)達國家已跨入“后工業(yè)化社會”或稱“信息化社會”。第三產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的比重已接近2/3。從前是“鋼鐵即國家”，如今“半導體成了工業(yè)的糧食”，“電子即國家”。經(jīng)濟發(fā)達的國家現(xiàn)在都以信息產(chǎn)業(yè)，即由現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)、計算機產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)所構成的新興產(chǎn)業(yè)群，作為整個社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎。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)決定著本世紀的力量對比，世界各國無不向這個新的制高點沖擊。

2.1.2金卡工程

正是在世界各國對信息技術非常重視的背景下，出于我國社會經(jīng)濟發(fā)展的客觀而又迫切的需要，國家作出了加快我國信息化進程的重大決策。而“三金工程”則是國家經(jīng)濟信息化的基礎，它們的出臺和實施標志著我國經(jīng)濟的信息化正走向一個新的高度。“三金工程”中，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的工程，它將影響和改變人們的傳統(tǒng)觀念和消費習慣，促進市場繁榮，極大的方便人們的生活和消費，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：其一是非金融機構發(fā)行的并且不經(jīng)金融機構結算的可以在有限范圍內起支付作用的卡，例如，嵌入煤氣表或電表中作為收費工具的IC卡；在公共汽車或出租汽車上用于支付交通費的卡；其二是作為特定屬性證明的一種信息卡，例如，具有個人醫(yī)療信息的醫(yī)療卡。所有這些都是金卡工程的有機組成部分。所以，“金卡工程”又是一項跨地區(qū)跨行業(yè)的偉大工程，將起到促進社會信息化和現(xiàn)代化的巨大作用。

2.2IC卡的興起

早在19世紀50年代，使用卡片作為交易憑證，就萌芽于英國，初期是使用紙制卡式憑證。1950年美國商人麥克拉馬納設計了第一張現(xiàn)代的塑料信用卡，1951年美國富蘭克林銀行作為金融機構率先發(fā)行了信用卡，這種新型支付手段和商品流通系統(tǒng)與銀行的資金結算結合在一起。50年代出現(xiàn)了沖壓凸出字的塑料卡，如美國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，可以用機械方法把帶有凸字的卡片的發(fā)行人和客戶帳號印到紙質單據(jù)上。隨著卡應用的擴大，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，如何改進卡的功能就變的越來越迫切了。60年代末隨著計算機的應用和磁記錄技術的出現(xiàn)，人們很快在FTI卡的背面貼上磁條，發(fā)展成能自動讀取信息并進行在線計算和自動處理的磁卡。磁卡因其結構簡單，價格低廉，得以迅速推廣。

磁卡具有易讀寫，易修改，易復制的特點，但也正因為這些特征，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年法國新聞記者羅蘭莫雷諾提出了將一個集成電路芯片鑲嵌在一塊塑料片上的想法，此后法國布爾公司率先投入了這一潛力無窮的高新技術產(chǎn)品的研究和開發(fā)。1976年布爾公司高級研究員于貢所領導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，取得了技術專利。1984年，當時法國郵政和長話服務PTT（PostalandTelecommunicationsservices）成功的進行了電話卡的現(xiàn)場試驗，在實用驗證中，智能卡迅速證明了能滿足涉及防止被篡改的所有預期功能并有著高度的可靠性。在此后的十幾年間，除法國的布爾公司之外，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)，形成了一個世界性的新興技術產(chǎn)業(yè)。

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitCard）的簡稱，它是把具有存儲、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，國際標準化組織ISO專門為IC卡制定了國際標準，ISO/IEC［1］7816－1，2，3，4，5，6。這些標準為IC卡在全世界范圍內的推廣和應用創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。

IC卡具有突出的3S特點，即Standard(國際標準化)，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)市場之卡，也就是說，IC卡不僅改進了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應用領域。

帶微處理器的IC卡稱之為智能IC卡，它被認為是世界上最小的個人計算機。正如同計算機或各種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡一樣，IC卡本身并不創(chuàng)造任何價值。即使是高度智能化的IC卡，和386、486的計算機的處理能力比較相差甚遠，它僅僅具有部分計算機的功能。但是，如果把IC卡和其它設備組成系統(tǒng)就能提供非常豐富的服務功能。把這些功能和生產(chǎn)領域有機的結合起來，將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益。

2.3國內外IC卡的應用狀況

美國是信用卡的發(fā)源地，從上個世紀60年代起開始應用。到1988年，發(fā)卡量已超過10億張，消費金額達到4695億美元。三種流行的非銀行卡是捷運卡、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)卡機構購買物品）和三方卡（是在大量持卡人、發(fā)卡銀行和用卡商戶之間進行采購和支付時使用）。上述金融卡及識別卡基本上均為磁卡。從上個世紀末，已開始用IC卡取代磁卡，比較成功的應用有：

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

（2）交通IC卡：用于公共汽車的電子車票。

（3）軍人身份證卡：美國軍方對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。后來建立了實時軍人身份識別系統(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：美國軍方已將智能卡技術實際應用于其作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。智能卡系統(tǒng)不僅能識別連隊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確判斷是不是活人的指紋，大大提高了部隊作戰(zhàn)的機動性和正確性。

法國布爾公司的智能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。法國在IC卡應用的廣泛程度和普及程度也都處于先進行列，應用的方面有：IC金融卡、電話卡、公共交通卡、購物卡、加油卡、會員卡、高速公路通行收費卡等。

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年開始逐漸實行健康保險證IC卡，用于提高醫(yī)療單位看病效率和簡化醫(yī)療保險費支付手續(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的乘客收費系統(tǒng)。香港有兩個ATM自動提款機網(wǎng)絡，其中匯豐銀行系統(tǒng)有1300臺ATM機，銀通系統(tǒng)有1000多臺ATM機。另外還有大大小小的80多個網(wǎng)絡支持著300萬臺閱讀器組成的信用卡/儲蓄卡網(wǎng)絡。

1993年7月我國電子工業(yè)部協(xié)同銀行、郵電及有關部門提出了命名為“金卡”的專項工程，總目標是：用10年左右的時間，在全國400個大中城市及經(jīng)濟發(fā)達縣區(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)卡總量要達到2億張，年交易額達到1萬億元。

整個“金卡”工程分為試點、推廣和普及三個階段。國家對金卡工程的實施要求以“高起點、高標準、規(guī)范化、國際化”為指導方針，堅持“產(chǎn)業(yè)結合，遠近期結合”的原則，強調“統(tǒng)籌兼顧、中斷突出、逐步推廣、整體普及”。另外，金卡工程對電子產(chǎn)品、軟件產(chǎn)業(yè)的需求將提供廣泛的市場，這對我國電子信息產(chǎn)業(yè)是一個巨大的推動力。

過去，卡基支付工具是以磁卡為主的，由于磁卡信息存儲量少，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，先天不足，后天難調。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卡技術與安全

3.1IC卡的物理特性

3.1.1IC卡的構成

接觸型IC卡的構成分為半導體芯片、電極模片和塑料基片三大部分。

1．半導體芯片：它是IC卡的核心部分。在半導體芯片中包含：存儲器、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：它是作為半導體芯片各輸入輸出信號引腳與外部設備接觸連接的導電體。電極模片上共有多個芯片電極，每個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：它是半導體芯片的電極模片的載體。由半導體芯片和電極模片封裝而成的IC卡模塊就可以實現(xiàn)IC卡的基本功能。

3.1.2IC卡的觸點功能

符合國際標準的IC卡滿足ISO7816標準協(xié)議。國際標準ISO7816-2對接觸型IC卡觸點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個觸點，每個觸點的功能定義見表3.1。

表3.1觸點功能定義

觸點編號

功能

觸點編號

功能

C1

Vcc(電源電壓)

C5

GND（地）

C2

RST（復位信號）

C6

保留使用

C3

CLK（時鐘信號）

C7

I/O(數(shù)據(jù)輸入/輸出)

C4

保留使用

C8

保留使用

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

3.2IC卡存儲器

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

2．在存儲型IC卡中，一般非加密型IC卡數(shù)據(jù)存儲區(qū)沒有進行分區(qū)。在實際應用中，對數(shù)據(jù)的分區(qū)管理，只能通過存儲單元地址空間的人為劃分來設置多個功能區(qū)。在加密存儲型IC卡中，不僅數(shù)據(jù)存儲區(qū)被分成2個或4個甚至8個功能區(qū)，在芯片內還分配了多個控制標志功能區(qū)（生產(chǎn)廠商標志區(qū)、發(fā)行商標志區(qū)、用戶密碼區(qū)、擦除密碼區(qū)、錯誤密碼區(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，整個數(shù)據(jù)存儲區(qū)是一個沒有邏輯分區(qū)的整體。其功能分區(qū)是由發(fā)行單位根據(jù)實際的應用需要，在初始的開發(fā)階段將分區(qū)功能的劃分要求設計在監(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，這個過程分為以下幾個階段：

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

2.使IC卡復位并在終端和IC卡間建立通訊。

3.進行交易（IC卡與終端間的信息交換）。

4.“釋放”電路并取出IC卡。即接口設備將其各觸點去電，持卡人可拔出IC卡而結束用卡過程。接口設備“激活”電路由以下操作順序實現(xiàn)：

——RST處于L狀態(tài)（低電平）；

——VCC加電；

——接口設備的I/O處于接收方式；

——提供穩(wěn)定的CLK。

當信息交換結束和異常終止時，接口設備“釋放”電路，電路的釋放操作應在IC卡的觸點與接口觸點機械斷開之前結束。接口設備“釋放”電路由以下操作順序實現(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卡應用系統(tǒng)中，IC卡中信息的安全問題是人們關注的焦點問題。針對IC卡應用系統(tǒng)的特點，其安全性的關鍵在于卡中信息的安全。對多數(shù)攻擊者而言，復制IC卡或竊取、更改卡中的信息才是其最終目的。為了更有效地保護卡中的信息，采用一種有效的、安全可靠的加密算法，實現(xiàn)對卡中信息的加密存儲是相當必要的。

所有的密碼系統(tǒng)都按相同的基本方式工作：把一個原本的消息（稱之為普通電文）通過加密算法和加密密鑰轉換成編碼的消息（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，關鍵點在于算法是完全可逆的（即對稱的），如果對密碼電文執(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，它有著高度的機密性。一旦密鑰被獲取，就可以輕易的破解密文。當有著許多對的發(fā)送者和接收者時，由于每一對都需要一個單獨的相互同意的密鑰，密鑰的數(shù)量可能達到人數(shù)的平方的數(shù)量級。

解決這一問題的方法是采用不對稱的密碼系統(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，不能產(chǎn)生出原文的消息，因而系統(tǒng)是不對稱的。這種情況下，需用兩個不同的密鑰，一個用于加密系統(tǒng)中，另一個用于解密。這些密鑰有著數(shù)學上的聯(lián)系，并可能設計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，發(fā)送者應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。

公開密鑰有兩個非常重要的優(yōu)點，首先是大大地簡化了密鑰的公布和管理，因為每個人只須記住自己的解密密鑰就可以了。其次是它提供了實現(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卡預付費電表系統(tǒng)分析

4.1現(xiàn)狀分析

長期以來,供電部門對用戶用電量都是依靠人工抄表,然后由收費員到各家收費或令各用戶去銀行(或其他指定地點)交費的方式。這種傳統(tǒng)收費的做法需要的工作人員多,費時費力,效率低且易出錯,常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳費等問題。電力部門一直在尋求一種方便、實用的收費方法。為適應國家經(jīng)濟的發(fā)展,研究和利用現(xiàn)代化智能技術對儀表實行自動監(jiān)控,減輕供電部門因“先消費后收費”造成的資金壓力,減少每月抄表收費帶來的麻煩和因收費問題帶來的糾紛,用現(xiàn)代化科學技術手段改變管理體制的落后現(xiàn)狀勢在必行。

現(xiàn)行抄表收費管理模式有：

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

自動抄表收費方式：為用戶安裝具有通訊能力的計量儀表，通過通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)自動完成用戶計量儀表的數(shù)據(jù)抄收，再通過金融網(wǎng)點方式以自動或人工方式完成繳費。這種方式技術難度高，通訊網(wǎng)絡建設及維護成本大；優(yōu)點是自動化程度高，節(jié)省人力，并很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

IC卡收費方式：為用戶安裝具有IC卡接口的計量儀表，通過IC卡作為傳輸介質，在用戶和管理部門之間傳輸信息，自動實現(xiàn)計量儀表的抄收以及繳費工作。這種方式成本較高，信息傳輸不及時，同時讓用戶充當了信息通道的角色，未體現(xiàn)管理部門服務的宗旨。優(yōu)點是實現(xiàn)了抄表、收費、控制的三位一體，杜絕了欠費現(xiàn)象的發(fā)生，管理人員和管理費用少。

4.2IC卡預付費電表工作過程

IC卡預付費電表系統(tǒng)包括發(fā)卡系統(tǒng)，充值系統(tǒng)，終端消費系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。發(fā)卡系統(tǒng)主要負責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)主要負責建立用戶檔案(開戶)、收費管理、統(tǒng)計和查詢、報表打印等。本設計主要對終端消費系統(tǒng)進行設計。

IC卡預付費電表的工作過程是用戶先買IC卡(用戶卡)，用戶攜IC卡至收費工作站交費購電，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(以下簡稱卡表),卡表內單片機識別IC卡密碼并確認無誤后,將卡中購電量與表內剩余電量相加后寫入卡表內存儲器。進而控制開關開啟。然后將總用電量回讀到卡中。用戶用電過程中,卡表內剩余電量相應減小。當剩余電量低于某一設定值時,卡表報警,提示用戶購電。當電量用完時,允許用戶透支使用,當透支量達到某限量時,卡表自動關閉,停止供電。在用戶重新購電,讀卡存入后,卡表會自動扣除透支數(shù),并打開開關供電。

IC卡預付費電表系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、采樣、存儲、執(zhí)行、顯示等部分構成，其結構圖如圖4.1所示。

電量采樣

IC卡系統(tǒng)

LED顯示

單片機系統(tǒng)

電源系統(tǒng)

執(zhí)行機構

存儲系統(tǒng)

面板系統(tǒng)

圖4.1IC卡電表硬件系統(tǒng)

4.3設計功能

本設計是在原有家用機械電表的基礎上重新進行設計，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，電表將在單片機的控制下把IC卡中的購電量寫入存儲系統(tǒng)中。

2.用電量采樣與累計功能：正常用電時，電表每轉一圈，采樣電路就向單片機發(fā)出一個信號，系統(tǒng)在單片機的控制下對用戶的用電量和剩余電量進行處理。

3.自動控制功能：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：當用戶想要了解剩余電量情況時，按下顯示按鈕，將顯示表中的剩余電量。

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

6.信息辯識功能：系統(tǒng)能辨識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)分是否是該表所對應的卡，以做到一塊表對應一張用戶卡。當讀出卡中信息時，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系統(tǒng)中時，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，把總用電量讀入上微機中，供供電部門統(tǒng)計，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)將自動記錄拆表次數(shù)并自動斷電。

5.IC卡預付費電表系統(tǒng)設計

5.1硬件選擇

5.1.1單片機選擇

在本IC卡預付費電表系統(tǒng)的設計中，要求系統(tǒng)穩(wěn)定，運算速度快，功耗低。所以應盡量選用CMOS工藝的單片機，由于在軟件設計時采用中斷喚醒方式，盡量減少單片機的工作時間，以降低系統(tǒng)的功耗，所以所選單片機應具有省電工作方式。同時，設計中包含脈沖中斷、插卡中斷和顯示中斷。并考慮到程序的大小，所以本設計采用AT89C51單片機作為控制芯片。

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

1.主要性能:

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

·全靜態(tài)工作：0Hz～24MHz。

·3級程序存儲器加密。

·128×8字節(jié)內部RAM。

·32條可編程I/O線。

·2個16位定時器/計數(shù)器。

·6個中斷源。

·可編程串行通道。

·片內時鐘振蕩器。

圖5.1AT89C51的引腳結構圖

另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設計的，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。在本設計的系統(tǒng)中采用雙列直插封裝方式的AT89C51單片機，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用引腳、輸入/輸出引腳。下面對輸入/輸出引腳P0.0～P0.7,P1.0～P1.7,P2.0～P2.7和P3.0～P3.7作簡單說明。

·P0端口（P0.0～P0.7）：P0是一個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)存儲器時，它是分時多路轉換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內部的上拉電阻。

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

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

·P3端口（P3.0～P3.7）：P3口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P1，P2，P3口作輸入端口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。另外，在AT89C51中，P3端口還用于一些復用功能。復用功能如表5.1.

表5.1P3各端口引腳與復用功能表

端口引腳

復用功能

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(定時器0的外部輸入)

P3.5

T1(定時器1的外部輸入)

P3.6

WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7

RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

3.省電方式

AT89C51單片機提供了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，時鐘脈沖繼續(xù)輸出到中斷系統(tǒng)、串行口以及定時器，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：通用標志位。

GF2：通用標志位。

PD：掉電方式控制位。PD＝1，進入掉電工作方式。

IDL：空閑方式控制位。IDL＝1，進入空閑工作方式。

如同時將PD和IDL置1，則進入掉電工作方式。PCON寄存器的復位值為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CPU執(zhí)行完IDL＝1的指令后，系統(tǒng)進入了空閑工作方式。這時，內部時鐘不向CPU提供脈沖，而只供給中斷、串行口和定時器部分。CPU的內部狀態(tài)維持。

進入空閑工作方式后，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位，由于在空閑工作方式下振蕩器仍然工作，因此硬件復位僅需2個機器周期便可完成。復位信號直接將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，沒有振蕩時鐘，因此，系統(tǒng)將停止工作。但內部RAM區(qū)和特殊功能寄存器的內容被保留。退出調電方式的唯一方法是硬件復位，復位后將所有的特殊功能寄存器的內容初始化，但不改變內部RAM區(qū)的數(shù)據(jù)。

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

5.1.2存儲芯片的選用

存儲芯片是一種用可電擦除的可編程只讀存儲器為核心的，能多次重復使用的芯片，它本身就是一種數(shù)據(jù)存儲介質。目前，市場上流行的存儲芯片很多，本設計采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02芯片作為數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲電表的重要參數(shù)和關鍵數(shù)據(jù)。AT24C02是采用低功耗CMOS工藝制造，片內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，內部組態(tài)為256個8位字節(jié)，隨機尋址時需一個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個周期，數(shù)據(jù)保存期可達10年以上。芯片的觸點配置符合ISO/IEC7816-2標準，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

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

串行時鐘

SDA

串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）

1．引腳說明：

（1）SCL（串行時鐘端）。在SCL的上升沿時將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動方式。

2．內部邏輯單元及其說明

在AT24C02芯片中，與邏輯有關的信號線只有兩條：SCL（時鐘信號線）和SDA（數(shù)據(jù)信號I/O線），其中SCL為同步時鐘輸入端，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“結束”，芯片內設計了多個邏輯控制單元。

（1）啟動與停止邏輯單元：即產(chǎn)生控制讀/寫操作的“開始”或“結束”標識信號的邏輯單元?！伴_始”狀態(tài)：當SCL處于高電平時，SDA從高電平轉向低電平，將產(chǎn)生一個標識信號。表示一種操作的“開始”。“開始”狀態(tài)應在操作命令之前建立?！敖Y束”狀態(tài)：當SCL處于高電平時，SDA從低電平轉向高電平，將產(chǎn)生一個標識信號。表示一種操作的“結束”。其后將結束所有相關的通信?！伴_始”狀態(tài)和“結束”狀態(tài)的定義如圖5.3所示。

開始結束

圖5.3操作狀態(tài)“開始”和結束的定義

SDA和SCL端通常各接一個上拉電阻拉到高電平。當SCL為高電平時，對應的SDA的數(shù)據(jù)為有效。當SCL為低電平時，允許SDA上的數(shù)據(jù)變化。SDA和SCL兩線上傳輸數(shù)據(jù)有效性的對應關系如圖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)的有效性關系

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

（3）數(shù)據(jù)輸入/輸出應答邏輯單元：產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸入/輸出操作應答信號的邏輯單元。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)的設備在收到一個字節(jié)以后，都應發(fā)出應答信號，即將SDA線置于低電平。同樣，當AT24C02芯片收到每一個地址碼或數(shù)據(jù)字（8位長）之后，也以置SDA線為低電平的方式來予以“確認”應答信號。

5.1.3IC卡的選用

本設計對IC卡品種的選擇主要考慮以下幾個方面：卡片類型、存儲模式、存儲容量、安全性要求和綜合價格因素。

對卡片類型的選用:本設計的電表系統(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IC卡數(shù)據(jù)存儲與處理模式的選擇：一般說來，計數(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使用的。本設計選擇邏輯加密存儲型的IC卡，這種卡的特點是：品種多，易于選擇性能價格比高的卡片，控制操作簡單。

IC卡容量的選擇：由于本設計系統(tǒng)所需的IC卡是一種數(shù)據(jù)傳遞的媒介，并且數(shù)據(jù)可能會在IC卡保留一段時間，所以所選IC卡要有非易失性EEPROM存儲器?？ㄖ写鎯﹃P鍵數(shù)據(jù)和其它信息加密后的密文以及廠家代碼、卡標識等信息，所以結合卡的價格方面，選擇存儲容量為2K的IC卡芯片。

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

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

綜合以上因素，結合當前市場上流行的IC卡的使用，考慮到預付費電表推廣所受到的價格方面的影響，本設計采用邏輯加密型存儲卡。并以德國西門子（SIEMENS）公司設計的邏輯加密存儲卡SLE4442為所選IC卡。

1.基本概念

（1）寫入操作：是指將存儲單元原來為“1”的數(shù)據(jù)寫成“0”的操作。輸入數(shù)據(jù)“0”在芯片內部就是將“0”與單元中的原有數(shù)據(jù)進行“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）在芯片內部就是將“1”與單元中的原有數(shù)據(jù)進行“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。即使是對字節(jié)中的某一位進行擦除，其結果也將會使此字節(jié)全部被寫成“1”。

2.邏輯加密存儲卡SLE4442的結構和工作原理

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

（1）芯片特點:

1）采用多存儲器結構。

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，每字節(jié)的擦除/寫入時間為2.5ms。

4）存儲器具有至少10000次的擦除/寫入周期，數(shù)據(jù)保持時間至少10年。SLE4442芯片的引腳配置和功能符合ISO7816標準，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存儲器：

256×8位EEPROM型主存儲器。

32×1位PROM型保護存儲器。

4×8位EEPROM型加密存儲器。

SLE4442IC卡的存儲器分配如圖5.5所示。

主存儲器

1FH

保護存儲器

加密存儲器4×8位EEPROM

00H

00H

1FH

20H

FFH

應用數(shù)據(jù)區(qū)

224×8位

EEPROM

保護數(shù)據(jù)區(qū)

32×8位

EEPROM

31×1

PROM

校驗參照數(shù)據(jù)字3

校驗參照數(shù)據(jù)字2

校驗參照數(shù)據(jù)字1

錯誤計數(shù)器

圖5.5邏輯加密卡SLE4442存儲器分配圖

1）主存儲器：主存儲器為可重復擦除使用的EEPROM型存儲器。按字節(jié)尋址，擦除/寫入。在擦除時，一個數(shù)據(jù)字節(jié)的所有8位被全部置為1。在寫入時，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，要改變一個數(shù)據(jù)需要先進行擦除，再進行寫入兩項操作。如果在被尋址的字節(jié)里8位中沒有一個字位需要從0變到1，則可以不進行擦除處理。寫入或擦除操作一次至少需2.5ms時間。

主存儲器的地址是從00H到FFH。但主存儲器又可分為兩個數(shù)據(jù)區(qū)：保護數(shù)據(jù)區(qū)和應用數(shù)據(jù)區(qū)。

保護數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲器前32各字節(jié)為保護數(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數(shù)據(jù)器內部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。當保護存儲器中第n（n=0～31）位為1時，對應主存儲器中第n各字節(jié)允許進行擦除和寫入操作。當保護存儲器中第n位為0時，對應主存儲器中第n各字節(jié)不允許進行擦除和寫入操作。根據(jù)這一特性，我們將主存儲器的保護數(shù)據(jù)區(qū)作為IC卡片的標識數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標識參數(shù)。

應用數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲器后224個字節(jié)為應用數(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器數(shù)據(jù)校驗比較結果的影響。當需要修改應用數(shù)據(jù)區(qū)的內容時，必須首先輸入一個3字節(jié)長的“校驗字”。這個“校驗字”與原來存在加密存儲器中的“參照字”一對一進行比較。只有當兩者完全一致時，芯片的加密控制邏輯才打開芯片的主存儲器，允許后面的擦除和寫入操作。芯片允許在有限的次數(shù)內（一般為三次）重試比較操作。如果在有限的次數(shù)內比較不能通過，整個主存儲器變成一個只讀存儲器。

2）保護存儲器：保護存儲器是一個32×1位的一次性可編程只讀存儲器（PROM）。它是按字位方式尋址和寫入，保護存儲器每一位對應著主存儲器地址從0到31的每一個字節(jié)。保護存儲器的出廠狀態(tài)為全“1”。保護存儲器每個被寫“0”的單元所對應的主存儲器的字節(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)單元內的數(shù)據(jù)不可再改變。

保護存儲器本身的讀出操作不受限制。但對其寫入操作受加密存儲器比較校驗操作結果的控制。當輸入的“校驗字”與芯片內原來存有的“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存儲器。

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

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

3．傳送協(xié)議

傳送協(xié)議是在單片機與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信號的下降沿才有效。

傳送協(xié)議包括4種模式：

·復位和復位響應模式

·命令模式

·輸出數(shù)據(jù)模式

·處理數(shù)據(jù)模式

（1）復位和復位響應

復位和復位響應是根據(jù)ISO7816－3標準來進行的。在操作期間的任意時候都可以復位。開始，地址計數(shù)器隨一個時鐘脈沖而被設置為0。當RST線從高狀態(tài)（H狀態(tài)）置到低狀態(tài)（L狀態(tài)）時，第一個數(shù)據(jù)位（LSB）的內容被送到I/O上。若連續(xù)輸入32個時鐘脈沖，主存儲器中的前4個字節(jié)地址單元中的內容被讀出。在第33個時鐘脈沖的下降沿，I/O線被置成高狀態(tài)（H狀態(tài)）而關閉。

圖5.6為SLE4442IC卡的復位及復位響應的時序關系，在復位響應期間，“啟動”和“停止”狀態(tài)都被忽略。

圖5.6SLE4442復位及復位響應的時序關系

（2）命令模式

復位響應以后，芯片等待著命令。每一條命令都以一個“啟動狀態(tài)”開始。整個命令包括3個字節(jié)。隨后緊跟著一個附加脈沖并用一個“停止狀態(tài)”來結束操作。圖5.7為命令模式的時序關系。

從IFD開始從IFD停止

圖5.7SLE4442命令模式的時序關系

（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)傳送給外部接口設備（IFD）的一種操作。圖5.8為輸出數(shù)據(jù)模式的時序關系。

在第一個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?。隨后每增加一個時鐘脈沖，芯片內部的一位數(shù)據(jù)被送到I/O線上。其輸出的順序是從每個字節(jié)的最低位（LSB）開始。當所需要的最后一個數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個時鐘脈沖來把I/O線置成高狀態(tài)（H狀態(tài)）,以便準備接收新的命令。

在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動狀態(tài)”和“停止狀態(tài)”均被屏蔽掉。

從IFD開始從IFD停止

圖5.8SLE4442輸出數(shù)據(jù)模式的時序關系

（4）處理數(shù)據(jù)模式

這種模式是對IC卡芯片作內部處理。圖5.9是處理數(shù)據(jù)模式的時序關系。

芯片在第一個時鐘脈沖的下降沿，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。此后芯片在內部連續(xù)計時計數(shù)，直到第n個時鐘脈沖之后的附加一個脈沖的下降沿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束

圖5.9處理數(shù)據(jù)模式的時序關系

4．芯片的操作命令

（1）命令的格式

每條命令包含三個字節(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，需要增加一個附加時鐘脈沖把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)

讀主存儲器

修改主存儲器

讀保護存儲器

寫保護存儲器

讀加密存貯器

修改加密存貯器

比較校驗數(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）有關命令的說明：

1）讀主存儲器：該命令是指讀出主存儲器的內容。該命令的控制字為（30H）。對于每個字節(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，直到整個存儲器的末尾。在該命令輸入以后，接口設備IFD必須提供足夠的時鐘脈沖。對于從地址（N）開始讀數(shù)據(jù)所需要的時鐘脈沖的數(shù)量M=(256-N)×8+1。對主存儲器作讀操作不受限制。

2）讀保護存儲器：該命令的控制字為（34H）。在連續(xù)輸入32個時鐘脈沖情況下，芯片將保護存儲器內容傳送到I/O線上。最后一個附加時鐘脈沖將I/O線置為高狀態(tài)。對主存儲器作讀操作不受限制。

3）讀加密存儲器：該命令類似于讀保護存儲器，可以讀出4個字節(jié)加密存儲器的內容。該命令的控制字為（31H）。在輸出數(shù)據(jù)的模式下，所需時鐘脈沖的數(shù)量為32。其后再附加一個時鐘脈沖將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)，尋址主存儲器的EEPROM然后修改字節(jié)內容。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)，將加密存儲器中的響應字節(jié)的內容進行修改。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行。

6）寫保護存儲器：這一命令的執(zhí)行過程包含一個被輸入的數(shù)據(jù)與在EEPROM中對應數(shù)據(jù)進行比較的過程。在確認一致的情況下，保護字位被寫0。從而使得主存儲器中的信息不可更改。如果比較結果不一致，則保護字位的寫操作被禁止執(zhí)行。

7）比較校驗數(shù)據(jù)：該命令把輸入的“校驗數(shù)據(jù)”的各個字節(jié)與相對應的參照數(shù)據(jù)（存放在加密存儲器中）進行比較。如果比較不成功（即兩組數(shù)據(jù)不相同），則密碼錯誤計數(shù)器的一個字位將只會被從“1”寫成“0”。

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

5.SLE4442卡的安全防護

SLE4442卡的安全防護主要有三方面：

（1）復位應答檢測(ATR檢測)

SLE4442上電后,讀寫器使IC卡復位,接著讀取復位應答信息。應答信息中,包含卡的芯片信息,由于這些信息組成是唯一的,即在全球范圍內不會產(chǎn)生相同標志,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）保護區(qū)固化信息檢測

保護區(qū)固化信息包括復位應答信息、芯片制造廠家信息和芯片信息以及應用標識三部分。通過檢測保護區(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保護存儲器中固化信息如下:

00H-03H復位應答信息(ATR),

04H-07H芯片生產(chǎn)廠家代碼和卡型編碼,

15H-1AH應用標示。

（3）密碼校驗檢測

密碼校驗檢測是SLE4442芯片安全體制的關鍵。它通過對密碼存儲器的操作來實現(xiàn)。其中包括3個命令：讀密碼、寫密碼和校驗密碼。其中最常用的是校驗密碼,該密碼如果校驗成功則對主存儲器的寫操作使能,以及對密碼存儲器的讀寫使能;若校驗密碼失敗,計數(shù)器則將失敗的校驗次數(shù)記錄下來,為了防止通過多次校驗以獲得密碼的可能性,設計了連續(xù)3次錯誤校驗,芯片自鎖功能。

5.1.4顯示驅動芯片的選用

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,所以本設計中顯示部分我們選用的是MC14489和5個7段共陰極LED數(shù)碼管。

MC14489是7段LED直接驅動的芯片，它可以驅動5個7段LED。MC14489可以用串行接口和單片機進行通信，對LED的驅動是以共陰極方式進行的，故顯示器件應采用共陰極7段LED。

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

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，當數(shù)據(jù)串行輸入MC14489時，最高有效位MSB先輸入。在數(shù)據(jù)輸入時，ENABLE先變成低電平，串行數(shù)據(jù)在時鐘的作用下，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信號變?yōu)楦唠娖?。由于輸入的?位數(shù)據(jù)，故這個數(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，通電復位時會強制令C0=0；C0=1時，MC14489以一般方式工作。在低電源工作方式時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端對應的顯示數(shù)據(jù)。C1=0時，BANK1對應的顯示數(shù)據(jù)進行十六進制譯碼顯示；C1=1時，取決于C6的狀態(tài)。

C2：用于控制BANK2端對應的顯示數(shù)據(jù)。C2=0時，BANK2對應的數(shù)據(jù)以十六進制譯碼顯示；C2=1時，取決于C6的狀態(tài)。

C3：用于控制BANK3端對應的顯示數(shù)據(jù)。C3=0時，BANK3對應的數(shù)據(jù)以十六進制譯碼顯示；C3=1時，取決于C6的狀態(tài)。

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

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

C6：在C1～C3為“1”時，決定BANK1~BANK3對應的數(shù)據(jù)的譯碼方式。C6=0時，不進行譯碼顯示；C6=1時，實行特殊譯碼顯示。

C7：在C4，C5為“1”時，決定BANK4，BANK5的對應數(shù)據(jù)的譯碼方式。C7=0時，不進行譯碼顯示；C7=1時，實行特殊譯碼顯示。

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：對應BANK1端的顯示數(shù)據(jù)組1，其中D3是最高有效位。

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

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

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

D16～D19：對應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硬件設計

IC卡電表預收費系統(tǒng)的原理圖見圖5.11。

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

1.電量計數(shù)輸入電路

電量計數(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械電度表的結構，而只是由反射式光電耦合器S1對機械電度表的電度計數(shù)轉盤上的反光標志進行檢測，檢測結果再由與非施密特觸發(fā)器CD4093進行整型，然后以中斷方式送入到單片機AT89C51內部。

光電耦合器S1的初級發(fā)光二極管長期通電發(fā)光，當電度表的轉盤的反光標準轉到發(fā)光二極管所在位置時，則通過反光標志將光反射到光敏三極管上，所以光敏三極管會導通，則與非型施密特觸發(fā)器CD4093就會輸出一個低電平到單片機的INT0中斷端口。當電度表的轉盤的反光標準偏離發(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就會輸出高電平到單片機的INT0端口。

圖5.11IC卡電表預付費系統(tǒng)的原理圖

2.通電復位電路

通電復位電路由集成電路MAX708構成，它是通電斷電監(jiān)視電路，在通電和斷電時產(chǎn)生復位信號輸出。

MAX708對電源電壓的監(jiān)視門檻為4.4V。內部由上電比較器，復位比較器，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,手動復位輸入。當其輸入信號低于0.8V時，產(chǎn)生復位脈沖信號輸出。當其輸出低電平時，會產(chǎn)生內部拉出電流，該拉出電流可以驅動連接在MR端的TTL或CMOS邏輯門。一般引腳1輸入的手動復位是由開關或邏輯門產(chǎn)生，這時，手動開關應接到地，或邏輯門應輸出低電平。

引腳2：Vcc,+5V電源。

引腳3：GND，信號地。

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

引腳5：PFO，電源電壓下降監(jiān)視輸入端。當PFI端輸入低