在信息化的今天，很多情況下都需要輸入密碼。由于輸入方式和裝置采用按鍵的限制，密碼輸入方式變?yōu)殚_(kāi)放式，對(duì)密碼的安全性構(gòu)成威脅。此領(lǐng)域的專利雖然很多，但多是遮擋式和隱蔽式的，輸入完整的密碼依然會(huì)存在安全隱患。

一、背景/選題動(dòng)機(jī)

在信息化時(shí)代的今天，很多情況下都要有密碼的確認(rèn)，即要輸入密碼，然后才能進(jìn)入特定的“空間”，或執(zhí)行某種“動(dòng)作”。如學(xué)校、金融、零售、網(wǎng)絡(luò)等需要輸入密碼的場(chǎng)所和行業(yè)。目前，采用密碼的輸入方式和裝置，都是以鍵盤(pán)式（包括普通鍵盤(pán)、特殊鍵盤(pán)、小鍵盤(pán)等）為主，此種輸入裝置及其輸入方法的缺陷是：由于是鍵盤(pán)按鍵式，其輸入密碼方式為開(kāi)放式，也就是說(shuō)，在使用者輸入密碼時(shí)，旁觀者可通過(guò)其操作方式偷窺或推算到其密碼，也可通過(guò)使用者所按按鍵的位置獲悉其密碼，從而在安全上構(gòu)成威脅。即使旁觀者無(wú)意想知道使用者的密碼，比如：上下級(jí)、師生、同事、同學(xué)等，采用此種方法雙方都會(huì)感到尷尬。此領(lǐng)域的專利有很多，但多數(shù)是遮擋式的或隱藏式的，但不管怎樣都要在現(xiàn)場(chǎng)輸入完整的密碼，這樣就存在安全隱患。

本設(shè)計(jì)是解決開(kāi)放式密碼輸入裝置在輸入密碼時(shí)容易被周?chē)娜送蹈Q到所輸入的密碼信息而存在安全隱患的問(wèn)題，提出一種新的密碼輸入系統(tǒng)。該系統(tǒng)即便在沒(méi)有任何防護(hù)的情況下，人或攝像設(shè)備也無(wú)法得知所輸入的密碼，從而從根本上杜絕了密碼被他人因窺視而被盜。

二、需求分析

2.1 功能要求

設(shè)計(jì)目的是解決開(kāi)放式密碼輸入裝置存在安全隱患的問(wèn)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(méi)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(kāi)機(jī)密碼才可開(kāi)啟PC機(jī)及進(jìn)入用戶工作頁(yè)面，并可以自己通過(guò)該密碼編輯軟件修改密碼，用數(shù)字鍵代表的字符串來(lái)取代固定的數(shù)字。可以將原來(lái)的簡(jiǎn)單數(shù)字密碼，變?yōu)楸容^復(fù)雜的由大寫(xiě)字符、小寫(xiě)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。

2.2 性能要求

本設(shè)計(jì)的密碼輸入器在設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)模塊內(nèi)存儲(chǔ)的密碼是經(jīng)過(guò)加密處理的，不是原始密碼，本密碼輸入器設(shè)有開(kāi)機(jī)密碼，只有輸入正確的開(kāi)機(jī)密碼才能進(jìn)行密碼操作，而開(kāi)機(jī)密碼可以設(shè)定輸入次數(shù)，一旦錯(cuò)誤開(kāi)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。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

單片機(jī)通過(guò)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(kāi)機(jī)時(shí)要求輸入開(kāi)機(jī)密碼，只有當(dāng)開(kāi)機(jī)密碼輸入正確時(shí)，才能開(kāi)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(yè)面：要求在密碼輸入裝置中輸入開(kāi)機(jī)密碼。若開(kāi)機(jī)密碼不正確，程序?qū)⑻崾纠^續(xù)輸入開(kāi)機(jī)密碼，當(dāng)開(kāi)機(jī)密碼達(dá)到限定的輸入次數(shù)時(shí)，程序自鎖。

若開(kāi)機(jī)密碼正確，則打開(kāi)用戶工作頁(yè)面。這時(shí)，用戶可以通過(guò)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(lái)取代固定的數(shù)字。該密碼輸入裝置與常規(guī)鍵盤(pán)的本質(zhì)區(qū)別在于：常規(guī)鍵盤(pán)的按鍵對(duì)應(yīng)于唯一的固定鍵碼，而該輸入裝置的按鍵所對(duì)應(yīng)的是該裝置中存儲(chǔ)器的一個(gè)固定地址。而這一按鍵的映射地址中存儲(chǔ)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(gè)字符串由鍵碼組成，因而當(dāng)一個(gè)按鍵按下等同于連續(xù)按下多個(gè)按鍵，因而能用一個(gè)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(chǔ)器中按鍵對(duì)應(yīng)的地址寫(xiě)入密碼數(shù)據(jù)。該裝置輸入密碼過(guò)程的實(shí)質(zhì)是從存儲(chǔ)器中按鍵對(duì)應(yīng)地址讀取密碼數(shù)據(jù)，然后通過(guò)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(duì)該密碼保留記憶，下次使用該系統(tǒng)時(shí)就可以直接按某一個(gè)或兩個(gè)鍵來(lái)輸入一串密碼。

本設(shè)計(jì)的密碼輸入器在設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)模塊內(nèi)存儲(chǔ)的密碼是經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(wú)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(gè)開(kāi)機(jī)密碼，只有正確輸入開(kāi)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(wú)法輕易使用。

選用的開(kāi)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)可以在PC機(jī)上安裝應(yīng)用的密碼編輯軟件。數(shù)字鍵盤(pán)按鍵和確認(rèn)按鍵可利用PC機(jī)的鍵盤(pán)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(chǔ)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(shí)，該裝置表現(xiàn)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)HID鍵盤(pán)。該密碼輸入裝置完全可以像普通鍵盤(pán)一樣直接向PC發(fā)送鍵碼數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以使用與之配套的PC軟件，通過(guò)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(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)。

該密碼輸入裝置所需要的兩個(gè)主要步驟的詳細(xì)說(shuō)明如下：

1. 按鍵與密碼的關(guān)聯(lián)

PC軟件先通過(guò)圖形界面從用戶處獲悉該用戶希望某個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的密碼，之后軟件會(huì)將其轉(zhuǎn)換成HID協(xié)議中鍵盤(pán)的字符編碼，然后通過(guò)USB接口將編碼后的密碼以及該密碼在EEPROM中的存儲(chǔ)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(huì)在EEPROM的指定位置儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的鍵盤(pán)編碼是“1d 1e 1f 20 21 22”，按鍵“2” 的存儲(chǔ)地址被設(shè)置為“06”。PC軟件會(huì)將這些數(shù)據(jù)以及寫(xiě)EEPROM的命令通過(guò)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(huì)將“1d 1e 1f 20 21 22”寫(xiě)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(guò)程

當(dāng)用戶通過(guò)按鍵輸入密碼時(shí)，密碼輸入裝置會(huì)從EEPROM存儲(chǔ)器中該按鍵對(duì)應(yīng)地址讀取與之關(guān)聯(lián)的密碼數(shù)據(jù)串，然后通過(guò)USB接口將該串?dāng)?shù)據(jù)逐次發(fā)送給PC。此時(shí)密碼輸入裝置對(duì)PC表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)HID設(shè)備（即可看成是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)），從USB接口發(fā)送來(lái)的密碼會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)按鍵或兩個(gè)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(guò)輸出接口傳給密碼接收方。比如通過(guò)USB口傳給PC機(jī)、或帶有USB口的自動(dòng)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(guò)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(xiě)字符、小寫(xiě)字符、數(shù)字和下劃線等組成），然后通過(guò)USB口將編輯好的密碼存儲(chǔ)到密碼輸入器上，也可在密碼輸入器上編輯簡(jiǎn)單的數(shù)字密碼。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

硬件選用AMTEL AVR大賽提供的EVK1100，EVK1100是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評(píng)估套件和開(kāi)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(kāi)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

AVR32 AT32UC3A

高性能低功耗AVR32UC，32字節(jié)微控制器

——單循環(huán)RISC指令，包含DSP指令系統(tǒng)

——讀改寫(xiě)指令和獨(dú)立位控制

——運(yùn)行速度1.49DMIPS/MHz

——存儲(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)

多層次數(shù)據(jù)總線

——高性能的數(shù)據(jù)傳輸，總線分離提高性能

——有15條存儲(chǔ)器直接存取通道，改善外圍設(shè)備交流速度

內(nèi)部高速SRAM——64K字節(jié)

派生的外置存儲(chǔ)器接口——SDRAM/SRAM兼容存儲(chǔ)總線

中斷控制器——自動(dòng)運(yùn)行低延遲中斷服務(wù)和程序優(yōu)化

系統(tǒng)功能

——時(shí)鐘管理包括內(nèi)部的阻容時(shí)鐘和一個(gè)32KHz振蕩器

——兩個(gè)多功能振蕩器和兩個(gè)鎖相環(huán)路允許CPU和USB頻率分離

——監(jiān)視時(shí)鐘，實(shí)時(shí)時(shí)鐘

USB

——USB2.0，符合OTG協(xié)議

——DMA（存儲(chǔ)器直接存取通道）

——片上收發(fā)器包含上拉電阻

一個(gè)三通道16比特定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

四個(gè)通用同步異步收發(fā)器

——支持SPI，紅外，ISO 7816接口

——支持硬件信號(hào)交換，RS485接口和調(diào)試解調(diào)器

兩個(gè)主從串行接口（SPI）

ATMEL的開(kāi)發(fā)板滿足USB的傳輸協(xié)議，而且滿足串口的各種協(xié)議，可以直接將單片機(jī)和CPU進(jìn)行通信和信息的傳遞，保障了設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

PC機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)要求輸入開(kāi)機(jī)密碼，只有當(dāng)開(kāi)機(jī)密碼正確時(shí)，才可以打開(kāi)PC機(jī)。PC機(jī)開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)與PC機(jī)相接時(shí)也需要輸入開(kāi)機(jī)密碼才能在PC機(jī)上安裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件。若開(kāi)機(jī)密碼不正確，程序?qū)⑻崾纠^續(xù)輸入開(kāi)機(jī)密碼，當(dāng)開(kāi)機(jī)密碼達(dá)到限定的輸入次數(shù)時(shí)，程序自鎖。當(dāng)開(kāi)機(jī)密碼全部輸入正確時(shí)，PC機(jī)上出現(xiàn)使用界面，用戶可以通過(guò)該應(yīng)用程序修改密碼，自己編輯用數(shù)字鍵代表的字符串來(lái)取代固定的數(shù)字。密碼編輯保存后就可以直接存入系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對(duì)該密碼保留記憶，下次使用該系統(tǒng)時(shí)就可以直接按某一個(gè)或兩個(gè)鍵來(lái)輸入一串密碼。

本設(shè)計(jì)的密碼輸入器在設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)模塊內(nèi)存儲(chǔ)的密碼是經(jīng)過(guò)加密處理的，不是原始密碼，這就保證了密碼的安全性。

密碼編輯軟件即為設(shè)計(jì)中的應(yīng)用軟件，使其能在PC機(jī)上運(yùn)行。選用的開(kāi)發(fā)板符合USB協(xié)議，可以直接與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上進(jìn)行對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，達(dá)到設(shè)計(jì)軟件的目的。數(shù)字鍵盤(pán)按鍵和確認(rèn)按鍵可利用PC機(jī)的鍵盤(pán)輸入，顯示裝置即為PC機(jī)的屏幕。只需要用單片機(jī)編程出應(yīng)用軟件，即可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)USB口傳給PC機(jī)、或帶有USB口的自動(dòng)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(guò)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(xiě)字符、小寫(xiě)字符、數(shù)字和下劃線等組成），然后通過(guò)USB口將編輯好的密碼存儲(chǔ)到密碼輸入器上，也可在密碼輸入器上編輯簡(jiǎn)單的數(shù)字密碼。

1、從根本上解決傳統(tǒng)密碼輸入所存在的安全隱患問(wèn)題，保護(hù)密碼，避免因?yàn)槊艽a被盜而帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2、采用USB接口，與其他設(shè)備的連接很簡(jiǎn)單，可以很方便的進(jìn)行擴(kuò)展，可以自動(dòng)擴(kuò)展自ATM機(jī)，超市收款機(jī)，銀行柜臺(tái)等。

3、將原來(lái)的簡(jiǎn)單數(shù)字密碼變?yōu)橛纱笮?xiě)字符，下劃線，數(shù)字等組成的密碼，從而使密碼的破解更為困難。

4、密碼輸入方式新穎，實(shí)現(xiàn)難度不大可以運(yùn)用于任何帶USB接口同時(shí)又需要密碼輸入的裝置，具有很好的實(shí)用價(jià)值