基于嵌入式CAN總線的遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為解決開放式密碼輸入裝置存在安全隱患的問題，提供一種密碼輸入方式與密碼輸入裝置。使該裝置即便在沒有任何防護(hù)的情況下從根本上杜絕了密碼被他人因窺視而被盜。

用戶掌握開機(jī)密碼才可開啟PC機(jī)及進(jìn)入用戶工作頁面，并可以自己通過該密碼編輯軟件修改密碼，用數(shù)字鍵代表的字符串來取代固定的數(shù)字?？梢詫⒃瓉淼暮唵螖?shù)字密碼，變?yōu)楸容^復(fù)雜的由大寫字符、小寫字符、數(shù)字、下劃線等字符組成的密碼，從而使密碼的破解更為困難，這樣可以一舉兩得。

本設(shè)計的密碼輸入器在設(shè)計時還特別添加了保護(hù)措施，單片機(jī)上的程序是加密而不可讀的，存儲模塊內(nèi)存儲的密碼是經(jīng)過加密處理的，不是原始密碼，本密碼輸入器設(shè)有開機(jī)密碼，只有輸入正確的開機(jī)密碼才能進(jìn)行密碼操作，而開機(jī)密碼可以設(shè)定輸入次數(shù)，一旦錯誤開機(jī)密碼次數(shù)達(dá)到某一規(guī)定數(shù)值，密碼輸入器將自鎖。

1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖1所示為密碼輸入裝置的原理框圖。

圖1 密碼輸入裝置原理框圖

單片機(jī)通過USB接口與PC機(jī)相接，單片機(jī)上安裝有應(yīng)用軟件，PC機(jī)上有密碼編輯軟件。PC機(jī)開機(jī)時要求輸入開機(jī)密碼，只有當(dāng)開機(jī)密碼輸入正確時，才能開啟PC機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)。當(dāng)單片機(jī)與PC機(jī)連接后，PC機(jī)顯示屏上出現(xiàn)頁面：要求在密碼輸入裝置中輸入開機(jī)密碼。若開機(jī)密碼不正確，程序?qū)⑻崾纠^續(xù)輸入開機(jī)密碼，當(dāng)開機(jī)密碼達(dá)到限定的輸入次數(shù)時，程序自鎖。

若開機(jī)密碼正確，則打開用戶工作頁面。這時，用戶可以通過該密碼編輯軟件修改密碼，自己編輯用數(shù)字鍵代表的字符串來取代固定的數(shù)字。該密碼輸入裝置與常規(guī)鍵盤的本質(zhì)區(qū)別在于：常規(guī)鍵盤的按鍵對應(yīng)于唯一的固定鍵碼，而該輸入裝置的按鍵所對應(yīng)的是該裝置中存儲器的一個固定地址。而這一按鍵的映射地址中存儲的數(shù)據(jù)是該按鍵所關(guān)聯(lián)的作為密碼的字符串。這個字符串由鍵碼組成，因而當(dāng)一個按鍵按下等同于連續(xù)按下多個按鍵，因而能用一個按鍵實(shí)現(xiàn)一串密碼的輸入。該裝置按鍵與密碼關(guān)聯(lián)的實(shí)質(zhì)是在存儲器中按鍵對應(yīng)的地址寫入密碼數(shù)據(jù)。該裝置輸入密碼過程的實(shí)質(zhì)是從存儲器中按鍵對應(yīng)地址讀取密碼數(shù)據(jù)，然后通過提供的接口將密碼發(fā)送至需要密碼輸入的設(shè)備。

密碼編輯保存后就可以直接存入系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對該密碼保留記憶，下次使用該系統(tǒng)時就可以直接按某一個或兩個鍵來輸入一串密碼。

本設(shè)計的密碼輸入器在設(shè)計時還特別添加了保護(hù)措施，中央處理器上的程序是加密而不可讀的，存儲模塊內(nèi)存儲的密碼是經(jīng)過加密處理的，不是原始密碼，這就保證了密碼的安全性，因此在現(xiàn)場輸入的并非真正的密碼，所以即便在有很多人圍觀的情況下也無法獲取用戶的真正密碼，真正的實(shí)現(xiàn)了密碼的安全保護(hù)作用。而且系統(tǒng)的本身也提供了一個開機(jī)密碼，只有正確輸入開機(jī)密碼后才能進(jìn)入系統(tǒng)，因此即使不小心丟失該產(chǎn)品，他人也無法輕易使用。

選用的開發(fā)板符合USB協(xié)議可以直接與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上對單片機(jī)進(jìn)行編程，設(shè)計可以在PC機(jī)上安裝應(yīng)用的密碼編輯軟件。數(shù)字鍵盤按鍵和確認(rèn)按鍵可利用PC機(jī)的鍵盤輸入，顯示裝置即為PC機(jī)的屏幕。只需要用單片機(jī)編程出相應(yīng)的安裝應(yīng)用軟件，即可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

此處以EEPROM作為存儲器、USB接口作為通信的媒介的密碼輸入裝置為例。當(dāng)該密碼輸入裝置插入需要密碼輸入的設(shè)備(此處以普通PC為例)時，該裝置表現(xiàn)為一個標(biāo)準(zhǔn)HID鍵盤。該密碼輸入裝置完全可以像普通鍵盤一樣直接向PC發(fā)送鍵碼數(shù)據(jù)，同時也可以使用與之配套的PC軟件，通過USB接口向該裝置發(fā)送新的密碼數(shù)據(jù)并命令其修改EEPROM中按鍵對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)。

該密碼輸入裝置所需要的兩個主要步驟的詳細(xì)說明如下：

1). 按鍵與密碼的關(guān)聯(lián)

PC軟件先通過圖形界面從用戶處獲悉該用戶希望某個按鍵對應(yīng)的密碼，之后軟件會將其轉(zhuǎn)換成HID協(xié)議中鍵盤的字符編碼，然后通過USB接口將編碼后的密碼以及該密碼在EEPROM中的存儲位置一同發(fā)送給密碼輸入裝置，并通知其修改EEPROM的數(shù)據(jù)。該密碼輸入裝置得到修改的命令以及相關(guān)數(shù)據(jù)后，就會在EEPROM的指定位置儲存該密碼，完成按鍵與密碼的關(guān)聯(lián)。

例如，用戶希望為按鍵“2”設(shè)置密碼“123456”。“123456”對應(yīng)的鍵盤編碼是“1d 1e 1f 20 21 22”，按鍵“2” 的存儲地址被設(shè)置為“06”。PC軟件會將這些數(shù)據(jù)以及寫EEPROM的命令通過USB接口發(fā)送給該密碼輸入裝置。該裝置接收到數(shù)據(jù)后就立即會將“1d 1e 1f 20 21 22”寫入EEPROM的地址“06”中，完成按鍵“2”與密碼“123456”的關(guān)聯(lián)。

2). 使用關(guān)聯(lián)密碼的按鍵輸入過程

當(dāng)用戶通過按鍵輸入密碼時，密碼輸入裝置會從EEPROM存儲器中該按鍵對應(yīng)地址讀取與之關(guān)聯(lián)的密碼數(shù)據(jù)串，然后通過USB接口將該串?dāng)?shù)據(jù)逐次發(fā)送給 PC。此時密碼輸入裝置對PC表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)HID設(shè)備(即可看成是一個標(biāo)準(zhǔn)鍵盤)，從USB接口發(fā)送來的密碼會被系統(tǒng)自動填充至需要輸入密碼的位置，從而完成密碼的輸入。

本發(fā)明提供的密碼輸入器上的一個按鍵或兩個鍵的組合表示一串密碼，按下不同的按鍵或組合鍵，即可輸出不同的密碼，最后將密碼通過輸出接口傳給密碼接收方。比如通過USB口傳給PC機(jī)、或帶有USB口的自動存取款機(jī)、或帶有USB口的超市收款機(jī)以及帶有USB口的任何需要密碼的系統(tǒng)。密碼的編輯可通過密碼編輯系統(tǒng)，在PC機(jī)上任意編輯自己所需要的密碼(密碼可以由大寫字符、小寫字符、數(shù)字和下劃線等組成)，然后通過USB口將編輯好的密碼存儲到密碼輸入器上，也可在密碼輸入器上編輯簡單的數(shù)字密碼。

2 硬件平臺選用及資源配置

硬件選用EVK1100，EVK1100是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評估套件和開發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設(shè)、內(nèi)存。圖2所示為開發(fā)板與PC機(jī)連接的示意圖。

--支持AT32UC3A

--JTAG連接器、Nexus、USART、USB2.0接口、TWI接口、SPI

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