基于CPU卡的燃氣表控制系統(tǒng)設計

馬濤,高宇康,楊術明

(1.寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川　750021;2.銀川天佳能源科技股份有限公司技術研發(fā)中心，寧夏銀川　750200)

基于CPU卡的燃氣表控制系統(tǒng)設計

馬濤1,高宇康2,楊術明1

(1.寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021;2.銀川天佳能源科技股份有限公司技術研發(fā)中心，寧夏銀川750200)

摘要：針對采用邏輯加密卡的燃氣表安全保護措施缺乏、加密性差等問題，采用模塊化的設計方法，進行基于CPU卡的燃氣表系統(tǒng)設計，完成CPU卡接口模塊、ESAM模塊、顯示模塊的硬件電路設計及CPU卡的內部認證、外部認證等系統(tǒng)軟件的開發(fā)，實現(xiàn)智能燃氣表與CPU卡的信息交換、液晶顯示、閥門關斷、流量檢測、燃氣費用計算以及預付費等功能，提高了燃氣表用戶數(shù)據(jù)的安全性．

關鍵詞：燃氣表； CPU卡； ESAM 模塊； 認證

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.02.018

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：志碼：A

文章編號：編號：1000-1565(2015)02-0210-07

Abstract:Aiming at the problem that the gas meter, equipped with logic encryption cards, lacked safety protection measures and poor encryption, a CPU-card-based gas meter was designed with the help of modular design method. The hardware included CPU card interface circuit, ESAM module circuit and LCD display circuit. The software mainly included internal authentication and external authentication. The whole system realized the information exchanging between gas meter and CPU card, information display with LCD ,valve control，gas flow checking, gas costs calculation and prepayment. User data of the gas meter was well improved.

收稿日期:2014-10-09

基金項目：寧夏回族自治區(qū)科技支撐項目(4130196)

通信作者:楊術明(1974-)，男，回族，寧夏吳忠人，寧夏大學副教授，博士，主要從事智能化檢測與監(jiān)控技術的研究.

Design of a CPU-card-based gas meter control system

MA Tao1,GAO Yukang2,YANG Shuming1

(1.School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021, China;

2. Technology R & D Center，Yinchuan Tianjia Energy Technology Co., Ltd., Yinchuan 750200, China)

Key words: gas meter; CPU card; ESAM module; certification

第一作者:馬濤(1990-)，男，回族，寧夏吳忠人，寧夏大學在讀碩士研究生．

E-mail:shmyang@126.com

目前的燃氣表大多是存儲器卡和邏輯加密卡，其系統(tǒng)的密匙算法安全級別低，無法實現(xiàn)應用單位安全與開發(fā)廠商完全脫鉤，安全性只能依賴于廠家．邏輯加密卡具有防止對卡中信息隨意改寫的功能，但由于只進行1次認證，容易導致密碼的泄露和偽卡的產(chǎn)生，安全性較低．而裝有ESAM認證模塊的CPU卡，其安全等級較邏輯加密卡要高[1]．CPU卡中有微處理器和操作系統(tǒng)COS(chip operating system)，這使得CPU卡具有很高的數(shù)據(jù)處理和計算能力，大大提高了CPU卡和終端之間相互認證的速度，且當CPU卡進行交易或者對CPU進行讀/寫操作時，要進行加密和解密運算，其中算法和密鑰都很難破解，這保證了CPU卡的安全性[2]．這樣，整個卡系統(tǒng)的安全性有了質的飛躍，有效防止了偽卡的產(chǎn)生，完全可以滿足安全性要求較高的應用場合[3]．因此，設計出基于CPU卡的燃氣表可有效提高用戶數(shù)據(jù)的安全性．

1系統(tǒng)總體結構設計

CPU卡燃氣表以IC卡技術為基礎，采用先進的CPU智能卡以及嵌入式安全控制模塊 ESAM(embedded secure access model)作為認證數(shù)據(jù)信息存儲和傳遞的介質，具有很高的安全性和抗攻擊性．燃氣表總體結構包括硬件和軟件2部分．硬件部分主要包括單片機MSP430F4152，CPU卡、ESAM模塊、LCD模塊、流量檢測模塊等；軟件部分主要包括CPU卡底層驅動程序、內部認證程序，外部認證程序等．通過軟件和硬件聯(lián)合調試，最終實現(xiàn)CPU卡和燃氣表之間的信息交換、液晶以及閥門電路的驅動、流量檢測、燃氣費用的計算、預付費等功能[4]．整個系統(tǒng)的結構如圖1所示.

圖1　總體結構　Fig.1　Overall structure block diagram

單片機MSP430F4152是燃氣表的控制核心．CPU卡作為信息的載體，將存儲的數(shù)據(jù)與燃氣表中的單片機進行交換,在進行交換之前通過ESAM模塊進行安全認證．流量檢測模塊主要以干簧管作為傳感器，檢測用氣量．LCD為液晶顯示模塊，主要用來顯示剩余氣量、電池電壓等信息．電源管理模塊主要對系統(tǒng)的電源電壓進行實時監(jiān)測，當電源電壓低于正常工作電壓時,單片機會控制報警器報警從而提醒用戶更換電池．閥門電機驅動模塊主要用來實現(xiàn)燃氣表閥門的打開和關閉，當電池電壓過低或者剩余氣量不足時，單片機通過控制此模塊關閉閥門．

2系統(tǒng)的硬件電路設計

硬件電路設計包括CPU卡接口電路設計、LCD液晶顯示電路設計、電源電壓檢測電路設計、ESAM模塊電路設計、閥門電機驅動模塊的設計等．

2.1　單片機的選擇

目前基于MCS-51系列的8位單片機技術比較完善，應用廣泛，但由于其功耗比較大，內部可用的資源比較少，所以MCS-51系列單片機不適合作為以電池為動力的智能儀表主控芯片．由于本次設計的燃氣表采用電池供電，因此選用的單片機為MSP430系列超低功耗16位處理器MSP430F4152．這種單片機具有超低功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊和方便高效的開發(fā)調試環(huán)境[5-6]．

2.2　CPU卡接口電路

本次設計采用北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CPU卡(儲存用戶的個人信息和購氣量)作為信息的載體連接用戶和燃氣表公司．單片機P6.4口控制CPU卡電源是否上電，正常情況下，P6.4口為高電平,當它被拉低變?yōu)榈碗娖綍r，三極管Q3導通,CPU卡上電．卡座內設有一開關，開關的一端接單片機的P1.4口，一端接地．由于上拉電阻R3的作用，平時P1.4口為高電平,當卡插入卡座后,開關兩端短路，導致P1.4口直接接地使P1.4口被拉低置成低電平,從而使單片機判斷出有CPU卡插入．而CPU卡的復位信號由P6.3口提供,單片機的P6.1口和P1.0口分別連接接口電路的時鐘和I/O口, CPU卡和燃氣表之間的數(shù)據(jù)傳輸由單片機控制接口電路的這些引腳來完成．CPU卡與單片機的接口電路如圖2所示．

2.3　液晶顯示電路的設計

液晶顯示器件由于顯示信息非常豐富，且功耗比較低，滿足本次設計的低功耗要求．與此同時，液晶顯示器件的體積和質量都比較小，因此得到了普遍的應用[7]．本次設計選用的液晶顯示器是字符式液晶顯示器，在MSP430系列單片機中，不同的單片機型號有著不同的液晶驅動能力．MSP430F4152單片機內部設有144段液晶顯示驅動器．本次定制生產(chǎn)的液晶顯示器視屏尺寸59 mm×19 mm,模塊尺寸62 mm×22 mm．液晶顯示模塊如圖3所示．

圖2　CPU卡接口電路　Fig.2　CPU card interface circuit

圖3　LCD液晶顯示模塊　Fig.3　LCD liquid crystal display module

2.4　電源電壓監(jiān)測電路設計

本次設計中，采用4只1.5 V的堿性干電池作為系統(tǒng)電源，提供6 V的電源電壓．為了保證整個系統(tǒng)能夠正常工作,必須對電源電壓進行實時監(jiān)測,當電源電壓不滿足系統(tǒng)要求時,單片機會控制報警器報警從而提醒用戶更換電池．

供電電路和電壓監(jiān)測電路如圖4所示．供電電路采用TPS78233線性穩(wěn)壓器,輸出電壓為3.3 V,最大工作電流為0.15 A,完全滿足系統(tǒng)低功耗設計的要求．監(jiān)測電路通過2個接口，P1.7口監(jiān)測電源電壓，只是監(jiān)測系統(tǒng)是否有電，而P6.0口是監(jiān)測具體的電池電壓，當監(jiān)測到電源電壓小于4.7 V時，單片機會控制報警器報警來提醒用戶更換電池，并在屏幕上顯示“換電池”字樣．與此同時，為了保證系統(tǒng)在更換電池過程中仍能正常工作，在電路中加了1個大容量電容C1，為燃氣表存儲一定的電量,從而保證卡內數(shù)據(jù)的安全．

圖4　供電及電壓監(jiān)測電路設計　Fig.4　Power supply and voltage monitoring circuit

2.5　ESAM模塊電路

嵌入式安全控制模塊ESAM為一8引腳集成電路芯片,內部結構與CPU卡相同,只是個別指令不同．ESAM可以嵌入到任何對安全性要求比較高的智能設備中,完成數(shù)據(jù)的加密和解密、文件和密鑰的安全存儲以及應用終端的認證等[8]．

ESAM模塊和單片機的連接方式與CPU卡和單片機的連接方式一樣,但需要單片機的控制信號提供電源、時鐘和復位信號．ESAM模塊與單片機的連接如圖5所示．

圖5　ESAM模塊連接圖 　Fig.5　ESAM module connection diagram

2.6　閥門驅動電路

閥門驅動電路所用的閥門驅動芯片為DRV8832DGQ，該芯片具有安全啟動、控制過流、過溫和失壓控制等作用,其工作電壓為2.75~6 V，具有1 A的驅動能力、高達94%的PWM電壓管理、低熱效應、高的電流承載和更高的電源效率以及更少的CPU干預，因此帶來更高的可靠性．

DRV8832DGQ芯片的輸出端OUT2和OUT1接口和燃氣表閥門電機電源線連接，作為閥門電機的輸入端，DRV8832DGQ芯片的輸入端IN1和IN2與單片機MSP430F4152的P2.1口和P2.2口連接．通過DRV8832DGQ閥門驅動芯片，單片機將小電流變?yōu)榇箅娏鬏敵鰪亩寗与姍C閥[9]，具體電路如圖6所示．

圖6　閥門驅動電路　Fig.6　Valve driver circuit

3CPU卡燃氣表主程序流程設計

本次設計中，系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計方法,由不同的子程序來完成不同的功能[10]．不同的功能模塊必須明確其出口和入口，并確定子程序之間的相互調用關系,以供調用．軟件部分主要包括CPU卡底層驅動程序、內部認證程序、外部認證程序等．系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示．

圖7　主程序流程　Fig.7　Main program flow chart

通電后首先對系統(tǒng)進行復位操作，復位操作主要完成對特殊功能寄存器置初始值設置，將內部存儲器單元清零以及對液晶顯示進行設置．之后系統(tǒng)進入主循環(huán),首先判斷整個系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后判斷電源電壓是否滿足系統(tǒng)要求,若一切正常則開閥供氣．無論在任何情況下只要出現(xiàn)低電壓信號,單片機會控制報警器報警來提醒用戶更換電池．當燃氣表中剩余氣量低于系統(tǒng)設定值時,液晶會顯示“請購氣”來提醒用戶．若用戶沒有及時購氣，剩余氣量不足時,單片機控制閥門關閉,停止供氣．

4CPU卡的認證

CPU卡在整個應用過程中，首先由燃氣公司發(fā)卡,將用戶的個人信息通過寫卡器寫入卡中[11]．然后用寫卡器和PC機給用戶充值，將氣量信息寫入CPU卡中．用戶充值完畢需將CPU卡插入燃氣表中,燃氣表將CPU卡中的氣量信息讀出并與剩余氣量相加,并將交易信息進行存儲．而整個交易過程需要CPU卡和燃氣表進行相互安全認證,即外部認證和內部認證．

1)外部認證

外部認證是CPU卡對燃氣表的認證，認證流程如圖8所示．圖中，R為加密前CPU卡產(chǎn)生的一個8字節(jié)隨機數(shù)，例如‘1122334455667788’．D1為燃氣表用指定的DES加密密鑰對隨機數(shù)R進行DES加密運算時產(chǎn)生的鑒別數(shù)據(jù)．D2是CPU卡對D1進行DES解密運算時產(chǎn)生的8字節(jié)鑒別數(shù)據(jù)．

認證過程中，若D1,D2這2個數(shù)一致，則認證通過，安全狀態(tài)寄存器的值置為該密鑰規(guī)定的后續(xù)狀態(tài)值，且錯誤計數(shù)器置初值；否則認證失敗，再試，但此時可試錯誤數(shù)減1，且不能改變安全狀態(tài)寄存器的值.

2)內部認證

內部認證是燃氣表對CPU卡的認證，認證流程如圖9所示．圖中，W表示加密前燃氣表產(chǎn)生的一個8字節(jié)隨機數(shù)，例如“8877665544332211”．D1是CPU卡用指定的DES加密密鑰對隨機數(shù)W進行DES加密運算，產(chǎn)生的鑒別數(shù)據(jù)．D2是燃氣表對D1進行DES解密運算，產(chǎn)生的8字節(jié)鑒別數(shù)據(jù)．

認證過程中，若D1,W這2個數(shù)一致，則認證通過，否則認證失?。?/p>

圖8　外部認證過程　Fig.8　External certification process

圖9　內部認證過程　Fig.9　Internal certification process

5結束語

基于CPU卡的燃氣表系統(tǒng)設計，采用模塊化設計方法，完成了系統(tǒng)硬件的設計，以及系統(tǒng)軟件的開發(fā)．實現(xiàn)了內部認證、外部認證、預付費等功能，提高了燃氣表用戶數(shù)據(jù)的安全性．

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(責任編輯：王蘭英)