隨著IC卡技術(shù)的不斷成熟，在各行各業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。在眾多的IC卡中，接觸型CPU卡性價(jià)比較高，由于其售價(jià)低、保密性好、讀寫器價(jià)格低廉和易于嵌入終端產(chǎn)品而得到最廣泛的應(yīng)用。目前在國網(wǎng)系統(tǒng)無論量控，還是費(fèi)控電能表基本采用該種模式實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，由此改革了傳統(tǒng)用電體制，提高了用電管理水平。CPU卡作為專用電量、電價(jià)、電費(fèi)等參數(shù)的傳遞介質(zhì)，對(duì)應(yīng)于電能表卡座接口將進(jìn)行各類信息的接收，因此對(duì)卡座的攻擊成為一部分人獲得不法利益的途徑，為此從硬件方面采取必要的措施，設(shè)計(jì)一種防攻擊電路尤顯必要。

　　1 IC卡卡口攻擊方式

　　1． 1 IC卡卡口的安全狀況

　　現(xiàn)有的IC卡卡口線，主要有電源線( Vcc 及GND) 、信號(hào)線、時(shí)鐘線、復(fù)位線等幾類組成。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源線一般直接引至產(chǎn)品電源、時(shí)鐘線接至公共時(shí)鐘源或接至單片機(jī)、信號(hào)線與復(fù)位線一般直接接至單片機(jī)或接口芯片。由于需要插入IC卡，故以上引線均接往IC卡座。而IC卡的卡口可插入一塊簡(jiǎn)易PCB 板將上述引線引出。這樣上述引線將暴露在電表外殼之外，極易受到攻擊。

　　1． 2 IC卡卡口的攻擊方式

　　為防止對(duì)IC卡卡口產(chǎn)生破壞性的攻擊，首先應(yīng)了解有哪幾種卡口攻擊方法。電表在實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行中主要有以下四類卡口攻擊:

　　( 1) 高壓靜電攻擊( 例如使用煤氣點(diǎn)火器) ;

　　( 2) 短路攻擊( 使用短路金屬片插入卡口) ;

　　( 3) 高壓直流攻擊( 對(duì)VCC 輸入直流高電壓) ;

　　( 4) 高壓交流( 例如在任意兩引線間加入交流220V) 。以上4 類攻擊方法如不采取有效的防護(hù)措施，都將會(huì)使電能表單片機(jī)、電路、電源損壞而失去對(duì)消費(fèi)對(duì)象的控制，攻擊者攻擊成功后可不付費(fèi)而獲得消費(fèi)。并且上述攻擊都是電攻擊，基本不會(huì)留下攻擊證據(jù)，從而無法確認(rèn)責(zé)任屬性。

　　1． 3 IC卡卡口防攻擊的難點(diǎn)

　　仔細(xì)分析上述四類攻擊，若要全部防護(hù)，實(shí)非易事。首先，抗攻擊電路的耐壓應(yīng)極高，應(yīng)在20kV 以上; 再者其反應(yīng)速度應(yīng)小于100ns，否則保護(hù)動(dòng)作時(shí)保護(hù)對(duì)象已損壞; 第三，成本需較低，否則用戶不能接受; 第四，攻擊撤消后應(yīng)能快速恢復(fù)正常工作狀態(tài); 最后還需要較小的體積和極高的可靠性。設(shè)計(jì)一種同時(shí)滿足上述要求的電子部件，實(shí)屬不易。

　　2 幾種卡口防攻擊電路比較

　　縱觀卡式電能表發(fā)展歷程，早期對(duì)卡口防攻擊重要性認(rèn)識(shí)不足，帶來一系列問題，影響到卡式電能表市場(chǎng)的占有率，經(jīng)過不斷的探索、總結(jié)，目前對(duì)卡口的防攻擊已提到一個(gè)新的高度，卡口防攻擊電路在實(shí)踐中相應(yīng)不斷地進(jìn)行了改進(jìn)、優(yōu)化。以下是幾種不同的IC卡卡口防攻擊電路。

　　2． 1 早期IC卡卡口防攻擊電路

　　早期的IC卡卡口防攻擊電路，主要采用IC卡卡口防攻擊專用模塊，再加上雙開關(guān)二極管等器件組成，如圖1 所示。 

　　圖1 早期IC卡卡口防攻擊電路

　　2． 1． 1 防攻擊原理

　　圖1 中的IC卡卡口防攻擊專用模塊采用PTCM5 － 05B301 － 501RM 模塊，在IC卡的正常讀寫狀態(tài)之下，PTC 熱敏電阻相當(dāng)于一串接于線路中的限流電阻。而在異常狀態(tài)下( 受到攻擊) ，將導(dǎo)致流過PTC 熱敏電阻的電流增大，使其阻值呈現(xiàn)階躍性變化，快速上升4 ～ 5 個(gè)數(shù)量級(jí)而呈斷開狀態(tài)( 高阻態(tài)) ，達(dá)到保護(hù)目的。

　　2． 1． 2 防攻擊特點(diǎn)

　　( 1) 具有快速響應(yīng)，快速自恢復(fù);

　　( 2) 性能穩(wěn)定;

　　( 3) 抗攻擊范圍廣( DC2500V，AC600V，靜電30000V) 。 

　　 2． 1． 3 防攻擊電路存在的問題

　　( 1) 通過專用引線板的引線，將外部220V 交流電源疊加至卡座電源后，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)把雙二極管燒掉( 耐壓不夠) ，使插卡不起作用( 沒有破壞卡座以外的電路) ，沒有起到防攻擊效果。此電路設(shè)計(jì)不夠合理，沒必要使用雙二極管，防攻擊專用模塊完全可以抵抗卡口攻擊，存在質(zhì)量隱患。

　　( 2) 表計(jì)在高溫下工作時(shí)，防攻擊專用模塊的熱敏電阻阻值會(huì)變大，而此時(shí)用戶去售電插卡，就有可能使卡座的電源被拉底，從而導(dǎo)致表計(jì)售電不成功。掛網(wǎng)運(yùn)行的部分表計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)過此類情況，有些地區(qū)表計(jì)是掛在戶外的，當(dāng)中午太陽暴曬時(shí)去插卡，怎么插卡讀卡都不能成功。另外一方面，每張IC卡存在其內(nèi)阻不同的現(xiàn)象，有些內(nèi)阻比較大的IC卡，也會(huì)使卡座的電源被拉底，導(dǎo)致插卡不成功。

　　2． 2 改進(jìn)后的IC卡卡口防攻擊電路

　　針對(duì)第一種IC卡卡口防攻擊電路存在的問題，進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，提出了第二種IC卡卡口防攻擊電路，并對(duì)電路和防攻擊模塊都進(jìn)行了優(yōu)化。

　　2． 2． 1 防攻擊原理

　　改進(jìn)后的IC卡卡口防攻擊電路，去掉了起不到防攻擊效果的雙二極管保護(hù)電路，并對(duì)防攻擊模塊進(jìn)行優(yōu)化，由原先的熱敏電阻( 300 ～ 500Ω) + 穩(wěn)壓管( 5． 6V) 五組完全相同的通道，更改為卡座電源采用熱敏電阻( 30 ～ 60Ω) + TVS 管( 6． 8V) 通道，其他四組通道與原先相同。

　　2． 2． 2 防攻擊優(yōu)點(diǎn)

　　( 1) 降低了成本，去掉了雙二極管等器件，同時(shí)減小了卡板PCB 面積。

　　( 2) 能夠抗擊高壓交流和直流攻擊，短路攻擊，靜電攻擊等。

　　( 3) 卡座電源采用熱敏電阻( 30 ～ 60Ω) + TVS管( 6． 8V) 通道方式，減小卡座電源的限流電阻，同時(shí)采用TVS 管( 電阻減小，使導(dǎo)通速度加快，通過TVS 管瞬間吸收大電流，使表計(jì)內(nèi)部電路不致于被破壞。) ，無論表計(jì)在高溫下工作，還是IC卡自生內(nèi)阻偏大，都能使表計(jì)正常售電讀卡。
　
　　2． 2． 3 存在的問題及處理辦法

　　上述防攻擊電路已經(jīng)可以抵抗卡口受到的攻擊，但對(duì)于不同的表計(jì)電路有可能還會(huì)使表計(jì)受到攻擊損壞，因此還需對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。如圖2 所示，此電路的IC卡信號(hào)線是通過74HC08D 與門芯片與防攻擊專用模塊相連。當(dāng)瞬間對(duì)卡座電源加220V 交流電壓時(shí)，74HC08D 芯片( CMOS 管) 很容易被擊穿( 其他信號(hào)線加220V 交流電壓，不會(huì)把芯片燒壞) 。由于卡座電源端的熱敏電阻減小到30 ～ 60Ω，雖然有TVS 管保護(hù)，但瞬間還是有尖電壓進(jìn)去，擊穿與門芯片。后來在卡座電源VAA 上加一個(gè)0． 1μF 電容，在TVS 管保護(hù)的同時(shí)增加電容的濾波功能，把尖脈沖濾掉，從而達(dá)到保護(hù)的效果。 

　　圖2 改進(jìn)優(yōu)化后的電路

　　2． 3 新型的IC卡卡口防攻擊電路

　　上述采用防攻擊專用模塊電路價(jià)格相對(duì)較高。如何在保證質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)電路與防攻擊專用模塊功能相同，而價(jià)格又相對(duì)較低的電路。經(jīng)過理論和實(shí)踐論證，可以采用熱敏電阻+ 穩(wěn)壓管( 或TVS 管) 電路方式來取代防攻擊專用模塊，具體電路如圖3 所示。

　　圖3 新型IC卡卡口防攻擊電路

　　此電路采用五組通道來防攻擊，其中卡座電源通道采用熱敏電阻( 30 ～ 60Ω) + TVS 管( 6． 8V) ，其他組通道采用熱敏電阻( 300 ～ 500Ω) + 穩(wěn)壓管( 5. 1V) 。經(jīng)過試驗(yàn)，其防攻擊效果與防攻擊專用模塊完全相同。

　　3 結(jié)束語

　　按國網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，智能CPU卡式電能表將會(huì)進(jìn)入千家萬戶，如何保證智能電能表的運(yùn)行安全，不僅是安全管理的要求，更重要的是在技術(shù)層面提供支持。本文就是針對(duì)智能電能表最易受到攻擊的CPU卡口，從硬件技術(shù)層面進(jìn)行了研究，并特別給出了幾種防攻擊電路設(shè)計(jì)，分析了技術(shù)性能，對(duì)智能電能表實(shí)用化應(yīng)用將會(huì)起到一定作用。