華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院 尹婷婷

多應(yīng)用消費卡發(fā)卡充值系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院 尹婷婷

本文選用智能CPU卡為消費應(yīng)用載體，針對區(qū)域內(nèi)一卡多用的需求在其上建立多重消費應(yīng)用文件，同時具有金額消費和計次消費的功能；并采用C#編程語言在PC機終端開發(fā)出適用兩種消費功能的發(fā)卡充值系統(tǒng)軟件，以滿足持卡消費的需要。

CPU卡；消費；C#

1.前言

隨著IC卡在日常生活中的廣泛應(yīng)用，人們對各種優(yōu)惠卡、充值消費卡的繁冗越來越感到不方便，因此，針對居民在學(xué)校、廠區(qū)等集中生活區(qū)將超市消費、停車計費、計次消費、優(yōu)惠卡等多種應(yīng)用統(tǒng)一到單一智能CPU卡上，以刷卡消費為支付手段，完成多重功能的IC卡應(yīng)用的綜合。本系統(tǒng)將通過應(yīng)用面向?qū)ο笳Z言C#設(shè)計實現(xiàn)智能CPU卡的發(fā)卡和充值功能。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計和分析

2.1 建立多應(yīng)用CPU卡發(fā)卡充值系統(tǒng)的功能需求分析

為滿足不同場合下持卡消費應(yīng)用的整合需要，本系統(tǒng)首先對卡片文件結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃：在同一張CPU卡中建立相互獨立且具有良好安全性的應(yīng)用文件、錢包文件及密鑰文件，從而保證了多種應(yīng)用金額各自獨立的持卡消費應(yīng)用。

其次，對發(fā)卡充值系統(tǒng)軟件的需求分析，得到系統(tǒng)的具體功能包括如下：為消費用戶提供CPU卡的發(fā)放、建檔管理；保證日常正常使用CPU卡必須的充值繳費；以及特殊情況下CPU卡掛失、持卡賬戶的注銷等。

另外，為加強系統(tǒng)的安全，防止惡意操作及刪改數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)安全；軟件自身管理功能還需要包括操作員權(quán)限管理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護。

2.2 多應(yīng)用CPU卡發(fā)卡充值系統(tǒng)的具體功能介紹及實現(xiàn)思路

首先利用C#編程語言面向用戶的優(yōu)勢設(shè)計友好的人機交互界面，根據(jù)系統(tǒng)軟件的功能需求規(guī)劃功能窗口，并進行具體的發(fā)卡、充值、充值記錄查詢、已經(jīng)系統(tǒng)管理功能的實現(xiàn)。

表1 個人信息文件數(shù)據(jù)內(nèi)容

表2 DF1-DF3下應(yīng)用交易文件數(shù)據(jù)內(nèi)容

表3 計次文件數(shù)據(jù)內(nèi)容

其次針對多應(yīng)用的特點設(shè)計功能完善的充值界面，以滿足對其中某一應(yīng)用充費、充次的正確操作，同時建立完整詳細的數(shù)據(jù)存儲功能，以滿足對同一用戶的統(tǒng)一充值信息存儲、對不同用戶的同一應(yīng)用的充值信息存儲。

再次是對CPU卡讀卡器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的硬件連接及調(diào)用功能的開發(fā)：采用串口輪詢的方式獲得讀卡器的連接，并通過讀卡器接口函數(shù)進行功能應(yīng)用開發(fā)；在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中建立本系統(tǒng)需要的各個數(shù)據(jù)表，并規(guī)劃數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。

最后是軟件程序的功能模塊封裝，將讀卡器應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、系統(tǒng)管理應(yīng)用作為獨立的模塊進行程序封裝，以便在窗口程序中直接進行調(diào)用。

3.CPU卡基于多應(yīng)用的文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

不同于現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的邏輯加密卡通過內(nèi)部集成電路對EEPROM的讀、擦、寫操作提供密碼保護，CPU卡帶有微處理器（CPU），其ROM中封裝有芯片操作系統(tǒng)（COS），為數(shù)據(jù)加密、解密提供快速的數(shù)學(xué)運算。

較之普通的邏輯加密卡，CPU卡能夠在片內(nèi)操作系統(tǒng)（COS）的保護下自行建立需要的多級應(yīng)用文件結(jié)構(gòu)，并可以在各級應(yīng)用文件中添加錢包文件存儲消費金額，添加密鑰文件保障消費安全；因此本系統(tǒng)選用CPU卡作為實現(xiàn)多應(yīng)用持卡消費的媒介。

CPU卡的金融安全性由其卡中的微處理機和COS保障，每次消費應(yīng)用在用戶和COS中需要進行多次的相互密碼驗證[1]，可防止卡片的偽造威脅。CPU卡的應(yīng)用安全性其文件系統(tǒng)在各級分劃以及每一級應(yīng)用文件的相互區(qū)別成為本系統(tǒng)CPU卡文件結(jié)構(gòu)的獨特性，從而在一定程度上保障了卡片的使用安全。

此處以兩種金融消費和一種計次消費為例，設(shè)計了多應(yīng)用的CPU卡的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

圖1 文件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)E-R圖

3.1 卡片文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

CPU卡的文件類型包括MF根目錄、DF子目錄、EF基本文件，EF包括交易文件、記錄文件和安全文件，見圖1。

3.2 卡片文件中的數(shù)據(jù)內(nèi)容

在定義了卡片的文件結(jié)構(gòu)之后，需要對文件的存儲內(nèi)容做約定，根據(jù)對應(yīng)消費應(yīng)用的需要，規(guī)定各個文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)長度和其他相關(guān)信息；在進行消費應(yīng)用時，終端能夠按照約定的文件格式讀取消費者信息并進行消費操作。下面以個人信息文件、典型應(yīng)用交易文件和計次文件為例，對其數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度作出概要性定義，如表1、表2、表3所示。

由于實際應(yīng)用中的CPU卡的文件結(jié)構(gòu)和文件數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及金融安全，本文中對CPU卡的規(guī)劃作出了簡化，僅作說明性介紹。

4.發(fā)卡充值系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 選用開發(fā)環(huán)境簡介

Visual C#是微軟針對.NET平臺設(shè)計的新的開發(fā)語言，從C和C++派生而來，其特點是簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋?；能夠高效完成桌面?yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。VS2008是一套完整的開發(fā)工具集，

4.2 讀卡器動態(tài)鏈接庫的生成與移植

在開發(fā)讀卡器應(yīng)用時，選用的CPU卡讀卡器因廠家為方便開發(fā)，已經(jīng)封裝了接口函數(shù)庫，在應(yīng)用c#語言開發(fā)時，需要調(diào)用以C++編程語言編寫的動態(tài)鏈接庫（DLL，“Dynamic Link Library”）。

由于是非托管動態(tài)鏈接庫，調(diào)用時需要使用DllImport屬性，調(diào)用時以非托管動態(tài)鏈接庫作為靜態(tài)入口點公開，并提供對從非托管DLL導(dǎo)出的函數(shù)進行調(diào)用必需的信息。具體使用方法示例：

在調(diào)用CPU_init函數(shù)時，應(yīng)用程序鏈接到R_Cpu.dll找到其中定義了的函數(shù)接口“cpu_init”，從而實現(xiàn)調(diào)用讀卡器封裝函數(shù)的功能。

4.3 軟件實現(xiàn)

4.3.1 讀卡器連接模塊

本系統(tǒng)選用的CPU卡讀卡器通過串口連接傳輸數(shù)據(jù)，在發(fā)卡充值系統(tǒng)界面進入時需要提供串口選擇和波特率設(shè)置功能。

基于對動態(tài)鏈接庫的統(tǒng)一調(diào)用，也為方便管理程序，本系統(tǒng)將涉及到讀卡器連接、CPU卡數(shù)據(jù)讀取及操作的函數(shù)統(tǒng)一到自定義公共類庫中，并將常用功能程序封裝起來，在窗口界面開發(fā)時直接進行調(diào)用。

需要封裝建立讀卡器的串口連接函數(shù)，關(guān)閉串口連接函數(shù)，CPU卡復(fù)位函數(shù)以及CPU卡數(shù)據(jù)讀取和存儲函數(shù)；其中數(shù)據(jù)讀取和存儲的函數(shù)設(shè)置參數(shù)，傳遞讀取返回的數(shù)據(jù)、需要存儲的數(shù)據(jù)以及發(fā)生錯誤時的錯誤代碼。

4.3.2 充值模塊

本模塊在系統(tǒng)窗口界面中進行開發(fā)，涉及到CPU卡賬戶的開戶、個人信息錄入及存儲到數(shù)據(jù)庫、CPU卡充值操作及充值記錄的數(shù)據(jù)庫存儲，另外還包括輔助功能如卡片掛失和個人信息變更等。

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的容器，是保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的根本；合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高數(shù)據(jù)存儲的效率，保證數(shù)據(jù)完整一致，也利于程序的實現(xiàn)。[2]

首先，在對數(shù)據(jù)信息的存儲時為精確的統(tǒng)計存檔用戶個人信息及充值記錄，本系統(tǒng)采用SQLServer2005數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為開發(fā)工具，以實現(xiàn)IC卡管理、充值記錄查詢、檔案維護等功能。

其次，在系統(tǒng)功能分析之后，將系統(tǒng)的實際需求轉(zhuǎn)化為獨立的邏輯實體，并繪制出數(shù)據(jù)E-R圖以確定程序和數(shù)據(jù)表的實現(xiàn)，如圖2所示。

為精簡主體程序，在軟件開發(fā)中一般習(xí)慣將數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)存儲的程序封裝統(tǒng)一到獨立的公共類中，定義新的命名空間，需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫時直接引用該命名空間下的函數(shù)。公共類中封裝的函數(shù)包括建立數(shù)據(jù)庫連接、執(zhí)行SqlCommand命令、讀取指定數(shù)據(jù)表中的信息、創(chuàng)建DataSet對象、關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接等函數(shù)。

5.系統(tǒng)調(diào)試運行

對本系統(tǒng)的整體測試可以通過各單一模塊的性能來衡量，測試環(huán)境需要搭建軟件運行所需的PC機終端、連接PC機的CPU卡讀卡器以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

運行軟件后將自動檢測CPU卡讀卡器連接和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接，檢測連接正常后進入登錄界面。

以預(yù)設(shè)的超級管理員身份登錄進入軟件，開始對系統(tǒng)功能的測試：

首先是系統(tǒng)軟件管理功能：超級管理員需要添加普通管理員，設(shè)置其操作權(quán)限——發(fā)卡權(quán)限、充值權(quán)限、卡片掛失權(quán)限、更改個人信息權(quán)限、賬戶注銷權(quán)限以及管理員密碼修改權(quán)限。在一般應(yīng)用中普通管理員的登錄即可滿足系統(tǒng)的應(yīng)用功能。

其次是系統(tǒng)發(fā)卡充值功能：對于未發(fā)行的CPU卡，系統(tǒng)在開戶、發(fā)卡過程中完成對卡片的初始化工作，并寫入用戶個人信息；系統(tǒng)讀卡時能夠辨識無效卡并警告管理員卡片不可用。測試充值功能主要在于測試寫入卡片金額（次數(shù)）的正確性，保證在需要的應(yīng)用文件下的數(shù)據(jù)寫入，保證充值記錄信息在對應(yīng)應(yīng)用賬戶下的數(shù)據(jù)刷新；以及同時完成對數(shù)據(jù)庫充值記錄刷新的信息完整性：當(dāng)遇到意外，卡片金額寫入異常時，充值記錄不再更新，并保存異常報告。

最后是對數(shù)據(jù)庫存儲充值記錄的調(diào)取測試：多次充值后查詢各次充值記錄均能夠完整無誤的顯示；數(shù)據(jù)庫對于意外關(guān)閉等情況均能良好應(yīng)對。

經(jīng)過多次測試，本系統(tǒng)軟件的各功能均可正常使用。

6.總結(jié)

本文針對集中小區(qū)持卡消費的特點，結(jié)合CPU卡可進行多應(yīng)用開發(fā)的功能概括了一卡多用的CPU卡文件系統(tǒng)設(shè)計思路，并規(guī)劃了發(fā)卡充值系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，通過測試證實軟件的可用性，并具備友好人機交互界面、易操作的優(yōu)點。

[1]顧赟.CPU智能卡記次消費系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州大學(xué),2008.

[2]賈瀛.塘沽區(qū)地?zé)嵩囼炑芯恐行幕贗C卡熱水使用管理信息系統(tǒng)建設(shè)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津大學(xué),2008.

[3]王建偉,尹婷婷,林永君,朱振軍.應(yīng)用CPU卡實現(xiàn)充電樁計費的研究[J].電子世界,2012(6):51-53.

尹婷婷（1986—），女，華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院研究生在讀，研究方向：嵌入式在工業(yè)控制中的應(yīng)用。