0 引 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。在接触式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，主要表现为：
(1)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；
(2)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；
(3)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；
(4)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。
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。
1 CPU卡智能水表系统的总体设计
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。
由于MSP430具有超低功耗、低电压、高速度等特性，且内部硬件资源丰富，根据智能水表模块的功能要求和成本的控制，我们选择了MSP430F413这款型号，充分利用了内部的硬件资源：8K的flash、16位定时器、24×4段的液晶驱动模块和比较器模块。
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模块之间动态进行。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。
2 CPU卡总体框图
CPU卡总体框图如图1所示。
图1 CPU卡总体框图
3 重要模块开发
(1)控制芯片MCU：单片机采用MSP430F413，MSP430F413是美国TI公司最新推出的超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，具有丰富的片内外围，是一款性价比极高的单片机，它采用了FLASH存储器，并具有以下一些特点：
a)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 μA～300μA之间，其工作电压范围为1．8V～3．6V；
b)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(源操作数7种目的操作数4种)。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法；
c)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；
d)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；
e)具有5种节电模式，掉电电流(RAM数据保持)最低可为0．1 μA，提供从待机模式中快速唤醒功能，唤醒时间小于6 μm。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。
(2)电源管理：采用3．6伏的电池对系统供电，当电池电压小于3伏时，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。
(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。
(4)阀门控制电路：特殊情况下控制水表阀门的开关，我们选用饱和压降为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。
(5)LCD显示：液晶显示采用笔段型TN液晶屏，显示用水量，剩余金额，水表阀门状态等信息。驱动采用MSP430F413内置液晶驱动模块进行驱动。
(6)CPU卡及其接口：CPU卡是用户和水表进行双向信息交流的中介，它的尺寸和接口设计完全符合ISO-7816的标准。我们采用的是深圳明华公司的CPU卡，它有多种存储容量可供选择，擦写次数大于50万次，数据保存期大于10年，卡内采用SMARTCOS操作系统，该系统符合《中国金融集成Ic卡规范》，其数据文件支持种类多，且支持DES、3DES等加密算法；支持线路加密，线路保密功能；防止通信数据被非法窃取或篡改。符合ISO一7816—3的标准T=0通讯协议。
(7)ESAM加密认证模块：ESAM模块也是一种智能CPU卡，ESAM模块是把智能卡芯片封装成标准DIP8普通集成电路模块的形状。该模块固定安装在卡表内部，存储卡表运行过程中的所有重要参数，并密藏发卡时生成的用户卡权限认证主工作密码，是水表较核心的部件，卡表和用户卡进行相互认证和信息交换实际上是水表内ESAM模块和用户卡进行相互认证及信息交换，水表内MSP430F413和CPU卡接口对于加密认证来说只是起传输数据作用。
(8)DP—R123读写器：我们可购买明华公司的DP—R123读写器，并用普通空白卡生成ISM卡，在对用户卡进行冲值时进行冲值认证主工作密码。无ISAM卡不能进行正常冲值。
(9)上位机Sybase管理系统的开发包括以下工作：
a)设计并建造应用系统中心数据库，库中保存系统公用数据和各持卡人专用数据；
b)开发CPU卡初始化软件，包括对卡上存储空间的初始规划分区，建立各级目录，规定各目录下的文件格式，加密方式，各级读、写密码等；
c)开发和编制各收费工作站的应用软件，提供用户使用CPU卡存取系统数据的应用界面；
d)开发系统维护和CPU卡发行与挂失软件，用于处理系统修改、备份、扩充及卡的发行与挂失。
(10)Sybase管理系统具体分以下模块：
a)用户管理模块：此模块包括用户开户发卡、补卡、换表、过户、销户以及用户信息的查询及修改等；
b)售水业务管理模块：此模块包括购水交易、买水统计查询每日结帐等功能。售水时，系统首先通过密钥管理体系检查该卡是否为合法卡，并与数据库内信息核对，当检查通过后，将用户的购水量(或购水金额)写入卡中，更新数据库，并将用户卡带回的水表信息一同写人数据库中。此模块要求可以对单个用户的一定时间的购水及用水状况进行记录和统计，通过输入姓名和水表号等用户个人信息可以查询该用户的购水、用水情况及水表运行状况；
c)操作员信息管理模块：该模块包括增加操作员功能、操作员授权功能、口令修改功能。系统记录操作员的每次登录及操作，操作员分级别进行操作，不同的操作员有不同的口令和安全级别，并且只能接触和岗位相关的数据；
d)各工具卡制作模块：此模块包括制作用户使用的用户卡、应急购水卡以及工作人员用于认证的ISAM卡、生产数据设置卡，修改密钥卡、回收转移卡等；
e)系统维护模块：包括密钥更新、水价维护、水表参数维护、数据库备份及恢复功能；
f)报表打印模块：每次操作员进行开户、售水、补卡等操作时，系统将自动打印出交易明细，另外，操作员也可以自行进行单一或综合统计查询后，打印出查询后的生成报表。
4 结束语
由于MSP430的低功耗、低电压、高速度等特性很适合用于采用工业电池(3．6V)供电的工作场合，用MSP430单片机来开发CPU卡的程序，在IC卡水电气三表的应用上具有广阔前景。本文所介绍方案设计已通过实际的开发和运行，达到预期效果。
