基于客户软件的USB加密设计

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D P发与应用 S开文章编号： 0 - 5 020 )1 2 0 2- 3 1 8 0 7 (0 70— - 2 0 0 0 -

中文核心期刊《微计算机信息》嵌入式与S C20年第2卷第 1期 ( O) 7 0 3 - 2

基于客户软件的 US B加密设计 I pl m nt to i nt ba e USB m e e a i n ofa Cl e - s d Enc y i s e r pton Sy t m

(京息程学王继东陈钟荣南信工大 )W ANG I J DONG CHE ZHONGRONG N

摘要：文介绍了 D P芯片 T 3 0 F 4 7和 U B接口芯片 IP 5 1的性能特点以及加密系统的构建，针对系统软件设计本 S MS 2 L 2 0 S S 18并

和驱动程序开发做了相关分析，实现了基于客户软件的 U B加密系统的开发设计。 S关键： S; P[件；备驱动程序 U B DS;]设文献标识码： B中图分类号： 6; P3 9 TP3 8T 0

Ab ta tB s d o h n rd c in o e f au e fTMS 2 L 2 0 n S 5 a d t e c mp st n o n e c y t n s se a DS sr c: a e n t e i to u t ft e tr s o o h 3 0 F 4 7 a d I P1 8, n h o o i o f a n r p i y tm, P 1 i o a d U B s l t n f r cin—b s d e cy t n i r p s d wi i h s p p r w t h ot r e in a d d vc r e en n lz d n S ou i o l t a e n r p i s p o o e t n t i a e h t e sf o e— o h i wa e d s n e ie d i r b ig a a y e . g vKe r sUS DS f m wa ed v c r v r y wo d: B, P, r i r, e ie d ie

1引言现代社会步人数字信息化高度发达的时代，算机和网络计遍及社会的每个角落 .息安全和知识产权不可侵犯也提到了信一

串行通信接口 (C )块。 S I模

1串行外设 (e)口模块。 6位 s1接基于锁相环的时钟发生器。

基于 T S2C X S M 30 2 X D P的 C U核 .证 T 3

0 F 4 7代 P保 MS 2 L 2 0

个新的高度，何保证数据信息的安全和软件知识产权成了如传统的数据加密方案采用单片机+ P A F e r. F G fil P o d

码和 T 3 0 2 X系列其他的芯片代码相兼容。 MS2 C X支持 Cc+级语言编程，过其配备的高效 C编译器，/+高通在提高编程效率的同时也提高了程序的可维护性和可移植性，大

信息技术领域关心的热点问题。

ga mal G t A ry式，然价格低廉，是速度慢且保密大地缩短了开发周期。 rm be ae r ) a模虽但 性差。而随着数字信号处理 f S】 D P技术及通用串行总线 fS ) U B接 2 S . U B接口芯片 2口技术的成熟， D P技术应用于数据处理，以较大地提高将 S可数据处理速度。U B的快速传输和即插即用性能极大地方便了 S 用户，独有的优越性正在取得越来越广泛的应用。本文介绍其一

U B接口芯片有两个基本功能：是与上位机通讯；是提 S一二供对外围电路 C U的接口。现有的支持 U B协议的接口芯片 P S大致可分为两类：一类为内部集成了微控制器；另一类则只提供 对外围电路访问的读写接口。此类接口芯片使用计算能力更强的微控制器，理较复杂的加密算法更加方便，合于加密系统处适的设计。本系统采用 P ip公司的 I P 5 1片。 hl s i S 18芯

种基于 D P微处理器和 U B .口设备的客户软件加密系 S S 20接

统。采用的芯片为 T 30 F 4 7和 IP 5 1 MS 2 L 20 S 1 8。文章安排如下： 第 2节介绍系统的硬件设计，点描述了本系统的硬件结构；重第3节叙述了系统的软件设计，括 D P软件设计、 S包 S U B软件设计

IP 5 1要接外部微控制器或微处理器对它进行控制， S 18需 支持与大多数 MC U和 D P的连接。它与外部微控制器，处理 S微器的通信是通过一个高速的通用并行接口来实现的。内部继承了串行接口引擎 (I )PE 8 B容量的多结构的 FF存储器、 SE、I、K IO数据收发器和 5到 3的内

置电压调整器。I P 5 1内置了 7 V V S 18

和设备驱动程序设计。最后给出总结并指出今后改进方向。

2 S加密的硬件设计 U B21 s . D P及存储器

T S 2 L 20 A是 1公司开发的 l定点 D P M 30 F 4 7 1 6位 S,采用 C S工艺制造，作频率为 4 MH。令周期为 2 n,片内 MO工 0 z指 5s其

个 I端点、 N 7个 O T端点和一个固定的控制 I/U U NO T端点，端

点采用双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传集成了丰富的资源，支持在线编程，常便于开发设计，价格输。集成了 P L的 1MH的晶体振荡器，具有良好的 E特非且 L 2 z MI低廉，已经进入了传统单片机所占据的领域。 性。 T S 2 L 20 M 30 F 4 7芯片具有以下特点： 片内有高达 3 K字节的 Fah程序存储器，达 l K字节 2 ls高 _ 5字节的单 1 R M(A A。 3 A S R M1 两个事件管理器模块 E A和 E B. V V每个都包括 2个 1 6位通用定时器，个 1位脉宽调制 (WM通道，们能够实现三相 8 6 P )他 IP 5 1外部接口有通用处理器和断开总线模式两种方 S 18的式。种实现 U B接口的标准组件使得使用者可以在各种不同这 S有的结构和减少固件上的投资缩短了开发时间、减少了开发风

的数据存储器和程序 R M,4 A 54字节双 1 R 3 AM(A AM) 2 类型的微控制器中选择出一种最合适的微控制器。通过使用已 DR和 K险和费用。而用最快捷的方法实现了最经济的 U B外设的解从 S决方案。 IP 5 1具有的低挂起功耗还可以满足 A P( ) S 18所 C Im、 t O N W( ) U B电源管理的要求。外， P 5 1内部还集成 nO t和 S m此 I 18 S了许多特性，括 Sf o nc(、频晶体振荡器和集成的终包 ot n etm)低 C t止寄存器，有这些特性都为系统大大地节约了成本，时使强所同

反相器，制 P控 WM的对称和非对称波形。 l 6路 l 0位 MD转换器，小转换时间为 5 O s最 0n。王继东：士研究生硕

一

22

0—3 0/邮局订阅号： 2 9 6 6元年 8 .4

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D P发与应用 S开大的 U B功能很容易地用于 P S C外设。2 S . U B接口硬件设计 3硬件部分在电路一级划分为三个部分：S U B接口模块、微

断进行判定，取 IP 5 1的内部缓冲区，定将事件信息传递读 S 18设给其他的程序： h r, U B的标准请求进行处理的子程序集； a对 S

控制器和 F A H,图 1 LS如所示。该系统封装了 D S Rj de加 E、 in al i密算法，以及 R A等公钥算法。采用 FahMe o作为外部存 S l m￣ s储器，储所有加密算法、控程序和密码管理程序，可根据存主还

(V ry, 4 ei .对用户自 ) fe定义的请求进行处理子程序集： () P 5 1’ 5I 18 .实现对 IP 5 1行操作的模块子程序集； S c S 18进f硬件提取层 H M .,现对 D P的 I数据总线等硬件 6 ) a .s实 c S/ O、

需要存储其他信息。系统启动时 . S D P从 FahMe￣中调入接口的操作，一层随用户所选用的控制器的不同而要改变。同 l mo s这 相应的加密算法程序，收主机送来的指令和数据，接由主控程序件各个文件的结构如图 2示。所调入相应的加密算法程序，数据进行加密处理 .对处理完成后的数据由主机通过 D P芯片的接口读出。 S由于目前多数 F ah R M的读写速度跟不上 D P芯片的 ls O S

速度，了 D P芯片的内部等待状态 (多七个 D P时钟周期 )除 S最 S 之外，要加上外部等待状态，以可使用可编程逻辑芯片实现还所 FahR M的读写信号和 D P外部等待状态的生成 ls O S

叵

困

圈

l

1 I:Q K: I 90 F8 2 l图 1设备硬件结构图 2 .密设计原理 4加

]

该系统的加密分为两个部分 .先是在程序写入 D P芯片首 S

之前，源代码进行加密，后将密文写入芯片，行时取出密对然运钥解密，运行。次是在 D P运行过程中进行连续保护，要再其 S主是针对一些重要参数和变量，他们以密文形式存在程序中。使 图 2

固件文件结构图其中，E U P O设置过程，受和解释命令； S T P R C:接

3系统软件设计系统的软件包括三个部分：系统 D P控制及数据处理部 S

R Q E T R C请求过程，已执行完命令请求； E U SP O:设备DATA—

I数据 I设备已准备好主机请求的数据； N: N,

分、S U B软件设计部分和驱动程序部分。31 D P软件设计 . S

D 1 _ U:据 O T完成，备已准备好重新接收主机 A1 O T数 A U设发送的数据； D r O T O E:据 O T完成，备已接收到设定阶段 Ar U D N数 A U设要求的数据： C I D D H K:制读握手，备已完成控制读命令， rJ H S A控 rR设可以响应状态阶段的请求：

采用模块化设计方法，括硬件平台的初始化、断命令及包中处理和数据处理等模块。在进行数据处理时，系统启动 D P芯 S片通过 B O O D R程序将存储在 Fah里的程序代码转移 O TL A E l s到 R M中，行程序。程序首先进行初始化，置 D P芯片内 A运设 S 部各个工作寄存器的内容，将 D P芯片设置在最初工作状态， S 然后设置平台上其他工作电路的工作状态。 D P程序的开发是在 C S集成开发环境下进行的，序整 S C程体采用 C语言进行编写，对实时性要求高和比较复杂的算法， 采用汇编语言编写，高了效率。提32 U B系统软件设计 . S

C L H S K:制写握手，备已完成控制写命令， f r WR A HA控设可以响应状态阶段的请求； S A L:备声明不能完成主机命令的要求。 TL设 33备驱动程序设计 -设 U B设备驱动程序的设计是基于 WD ( idw r e S M wn o sd vr i m d l no s动模型 )的，采用分层驱动程序模型，分为 oe, dw驱 Wi U B总线驱动程序和 U B功能驱动程序。 S S S U B功能驱动程序由

设备固件是设备运行的核心。固件设计的目标是使 IP 5 1到最大的传输速率，用完全的中断驱动。IR(断 S 18达采 S中服务程序 )主循环之间采用事件标志和循

环缓冲区来交换数与据。其主要功能是控制 IP 5 1受并处理 U B驱动程序的请 S 18接 S

设备开发者编写，于 U B总线驱动程序的上面，与实际的位 S不硬件打交道，而是通过向 U B总线驱动程序发送包含 U B的 S RI P来实现对 U B设备信息的发送与接收。 R . S 本设计选用 D i r rs开发驱动程序。D vr￣s r eWok来 v i r eWo使用比较方便，能强大。比较理想的开发工具。 r eWok提功是 D i r rs v供了完善的源代码生成工具 D i r zr, r eWi d以及相应的类库， v a类似于 MF C编程。由库代码自动处理例行的底层繁杂操作。过通D ieWok提供了三个类： u b o eD v e、 ub ne- r r rs v K s L w r e i类 K s Itr e

求 (请求设备描述符、求或设置设备状态、求设备设置等如请请U B标准请求 )控制 IP 5 1受应用程序的控制指令；储 S; S 18接存数据并通过 IP 5 1时上传至 P。 S 18实 C本系统设计的整个固件由以下几个文件组成： 的工作，处理 U B总线事件和用户功能处理； S f中断服务程序 I .’ IP 5 1向 D P发出中断时对中 2 ) sc当 S 18 r S

r eWi d生成的代码只需要作少量的修改便可以使用。 v a f主循环 Ma l p’环扫描 U B事件，动设备和系统 D i r zr 1 1 io _循 n oc S启 fc类和 K sPp类 .于实现 U B设备操作。K sLw r e ae ub ie用 S ub o eD一

崮窘控雕邮局订阅号： 2 9 6 3 0￣/ -一 2 8 _4 6 - 2 1— q

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D P开发与应用 S

中文核心期刊《微计算机信息》嵌入式与 S C20年第 2 ( O )07 3卷第 1 . 2期(10 4南京市南京信息工程大学电子工程系1 204王继东陈钟荣

v e使驱动程序存取设备的默认控制端点实现设备的信息配 i类 c

置，设备发送各种控制信息和状态请求： ubn r C类的实通信地￣: 1 0 4南京市南京信息工程大学 9对 K slt f e ea 1 ( 04[2#信箱1继东王例表示接口，管理

设备管道的存取； ub ie描述管道的功 K sPp类 (稿日期：0 662)稿日期： 0 ._ )收 2 0 .-7(修 2 672 0 5能，现数据的传输。在设备给定的配置中，个管道是和特定实每的接口链接起来的。必须注意的是：动程序可以为每个管道驱

(上接第 2 4页) 133电能质量分析和故障判断功能 _由于输电系统的可靠性高，生故障的概率低，部分的故发大

产生类实例，并不为默认控制管道 f点 O产生实例，是由但端 )而类 K sLw rei u b o e vc描述这个管道的功能。 D e来

障、常现象在配电系统中。异系统中各种扰动引起的电能质量问 R aFl、 i Fl、 eie C nr 0函数来进行通信。Ce ed i 0 Wre i O D vcl ot l等 e t e o o r—题又分为稳态和暂态两类。稳态质量问题以波形畸变为主要特 aFl函数用于获取文件句柄， ei IC nrl进行控制传输 .征，续时间长，现为谐波、 ti 0 e D v eo o t 0 c o 持表间谐波、电压不平衡、电压和欠过

驱动程序和应用程序之间的通信主要通过 Ceti 0 raFl、 e

R aFl和 Wre i O行块传输。 ed i 0 e i Fl进 t e

电压。暂态电能质量问题以频谱和持续时间短为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两类，现为电压瞬变、表电压闪变、电压骤升、

4结束语本文对基于客户软件的加密系统的构建进行了详细的介

骤降、时断电。通过主要的电量参数 ( IfK K A, v来短 U,,, w, V K 完成复杂的系统测试。电量参数包括最大/小水平、最电量、率功因数的四象限测量、— 3次的电网谐波分析、电压电流波形分 16析、中线电压和电流分析和供电变压器的分析。利用此分析结

绍，通过使用 D P芯片和 U B .口芯片，数据传输速率更 S S 20接快，全性能更强。但也存在很大的改进空间，安比如受采用的芯

片处理能力限制，ls m￣中存储的加密算法最好选择占 FahMe o用空间小，理相对容易而加密能力较强的算法。这在今后的处

果作

为判断各种故障的依据，去执行控制和远动单元相应部件动作，高了准确度，短了故障恢复时间。提缩

研究中将不断进行试验改进。不过世界上没有绝对安全的加密技术，对层出不穷的威胁计算机安全的行为，种各样的加密面各

4结论变电站大数据量的特征，得 3使 2位专用定点数字信号处理芯片 D P应用于本系统成为必然，部硬件电路简化、口干 S外接扰大大降低，能相对稳定，时还实现了真正意义的信号同步性同采集，偿功率 f的同时引入了全面电能质量分析功能，障补 1]故排除的时间大大缩短，整体上降低了经济损失，具有广泛的从将现实应用意义。 本文的创新点是将 3 2位定点 D P芯片 T 3 0 2 1 S MS 2 F 8 2应

技术将不断涌现和发展，捍卫着知识产权。 本文作者创新之处：提出一种使用 T 3 0 F 4 7作为处理 MS2 L 2 0器，S 2接口芯片作为 P U B. 0 C机和 D P连接桥的软件加密系统 . S并对其性能作了初步分析。采用 D P芯片 .证了系统具有较好 S保的保密性和计算速度，能完成对 U B口的操作。利用 U B接还 S S口设备存储所有加密算法、主控程序和密码管理程序，大地方极便了用户。这种组合模式体现了模块化设计思想，以一定程可度提高开发速度

用在变电站综合自动化系统中，引入了电能质量分析理论，并对

参考文献：f] hl s e i n u t s n .S 18 iSedU i ra Sf l 1 P ip mc d c r Ic IP 5 1h— pe n es eI i S o o v l i aB si e a ed v eR v 5D/ L . b2 0 . u tr c e i e .[ B O] e .0 3 n f c 0 F

电压、电流信号的奇次谐波进行了全面分析，高了控制部件动提作准确度的同时缩短了故障恢复时间，相应就提高了变电站综合自动化系统的性能。

参考文献： mn ud e 1[BO]M r 0 2 igG i R v . D/L. a. 0 . e 0 2 []安文，白成， 1沈李杨薇薇，刘琳霞.S D P技术在电力参数测量中的应用【.计算机信息， 0,

15 16 J微 1 2 52 — . 0:1 1 []晓瑛，智榜 .于 A 9 S 5 5和 U B接口数据采集系统 3石许基 T08 1 S[.计算机信息， 0, 8:— 7 J微] 2 5( ) 5 9 . 0 1 9 [] 2丁书文.电力系统微机型自动装置 .北京：国电力出版社，中

[ P ip S mcn ut n.N10一 l IP 5 porm 2 hl s e i d c r Ic] i o o s A 0 0 O S 18 rga— 4 1

[ 4 1清源科技编著.MS 2 L 2 0 D P应用程序设计教程 f . T 30 F 4 X S M] 北京机械工业出版社 .0 3 20.

2 05, 0 8.

[]张卫宁.MS2 C 8 3 T 3 0 2x系列 D P的 C U与外设 (、下)美] S P上 _ [ TxsIsu e tnop rt ea t m n cro e nr I a d著.北京：清华大学出版社， 0。 2 49 0 .[] n S ae n .S 5Mid hr, cU B总线系统结构 .二版[ .北京：国电 I第 M]中[] 4王远璋.电站综合自动化现场技术与运行维护.变北京：国电中力出版社 .0 3 2o.【]hi C n. n o sWD设备驱动程序开发指南 f .京： 6C r a t dw M s Wi M]北 机械工业出版社 .0 0 20. 力出版社 .049 2 0 ..作者简介：洪江 (946 )男，族，贺 16 .一，汉河北邯郸人，95年毕业 19于上海交通大学，授，士生导师，主要从事计算机检测与教硕现

[程佩青. 7]数字信号处理教程 (二版 )京：第 .北清华大学出版社，2o. 0 1

控制技术，能仪表的研究工作；爱荣 (9 0一，,族，智董 18 . )女汉 4河北唐山人，士研究生，算机检测与控制.— al asy 6 .硕计 E m id r@13: kcon 0

作者简介：王继东，,士，9 1 7,男硕 18年月江苏金湖，京信息工南程大学大气物理学与大气环境专业，士研究生，究方向为数硕研字信号处理，m i j0 9@13 o; E a: d 3 4 6 . m陈钟荣，,9 4年 1 l w c男 16 0月，

Bo rp yH og j n,ma,br n H n a i,H Bi iga h: eH n -i g l a e on i aD n cy e e t

P oic n J n, 16,te Ha ain i .P oesro b i rvn e i u e 9 4 h n nt a t o l y rfso fHe e

教授，研究生导师，京信息工程大学电子工程系，究方向硕士南研为数字雷达研究与设计B o r p yW a g io gmaeb r i 1 8 i Jn uJa g ui ig a h: n Jd n, l,on n 9 1 n ih,in s, sn w a p sg a u t fAt s h r h sc n mo p ee E v— o o tr d a e o mo p e e P y is a d At s h r n i

U i r t o ni eigtt ot au t m jri C r— nvs y fE g er, o o ps dae e i n n u rf r g, a n o o np rr Mo i r g a d C n r l T c n lg,Au o t e ie ue n ti o t e h oo y on n o tmai D vc . c

(5 0 8河北工程大学信电学院)洪江董爱荣董克俭 063贺文露

rn eti aj gU i r t o I om t nSi c n eho. o m n N ni nvs y fn r a o c neadT cn1 sn n e i f i eo yHi r s a c tr s c s so i i sg a r c si g g . se e r h i ee t o u e n dg￣ i n p o e sn . n f l

通讯地址： 5 0 8河北工程大学信电学院1洪江 ( 63 0贺(收稿日期： 0 ..7( 2 662 ) 0修稿日期：0 67 5 20 .. ) 2

一

2 2—3 0L,邮局订阅号：2 9 6 2 6,年， 8 .4

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