CN101382963A - 一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片。本发明按照CMG机构编码规则对密码进行编码，再用逻辑电路实现该组编码以实现密码授权；通过装定授权中心坐标和授权半径进行位置授权；通过算术逻辑单元的开平方和运算和减法运算进行位置验证；位置验证通过后导通三态门，使状态机组激励信号通过，启动状态机运算，进行密码验证。密码验证通过则由专用芯片引脚产生触发信号，标识组合验证通过。本发明适用于电子授权技术领域。

Description

一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片

技术领域

本发明属于电子授权控制领域，具体涉及一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片。

背景技术

通常权限管理分为授权和验证两个步骤。海关转口贸易中，集装箱数量多、流动性大，其监控管理具有挑战性。传统上采用钥匙、电子密码或者其它身份证明进行监管，手段较为单一，安全性不高。

2006，26(6)兵工学报高杨《CMG机构优化编码方法》文章(:106~110)中公开了一种抗干涉齿轮集(CMG:counter-meshing gears)机构的编码方法，该编码方法用于机械密码验证机构，构思巧妙，保密性高，但其机构加工涉及MEMS(微电子机械***)加工工艺，而MEMS工艺对设备的要求极高，这阻碍了其实际应用。

发明内容

为了克服现有的电子授权方法和装置手段较为单一，安全性不高的不足，本发明提供一种密码位置组合授权方法及其专用芯片。

本发明的一种密码位置组合授权验证方法，包括以下步骤：

a)进行密码授权

通过VHDL程序，按CMG机构编码规则对密码进行编码，再用下载方式将该程序固化成FPGA逻辑电路；

b)进行位置授权

通过授权信息装定器装定授权位置信息，包括授权半径和授权中心点坐标；

c)进行位置验证

由位置获取装置获取实时位置坐标(J，W，H)，实时位置坐标包括经度、维度、高度；该数值与装定的授权中心点坐标作比较，经计算，得到授权中心与实时位置之间的距离D，其计算公式如下：

$D=\sqrt{{(J-J\′)}^2+{(W-W\′)}^2+{(H-H\′)}^2}$

其中，(J，W，H)为实时中心点坐标，(J′，W′，H′)为授权中心点坐标；

D再与装定的授权半径R作比较；如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，判断为专用芯片处于授权范围内；

d)进行密码验证

输入密码，根据编码规则进行密码验证，验证通过则输出触发信号。

所述的位置信息获取装置采用GPS接收机，密码输入装置为键盘或其他输入装置。

所述的位置授权采用确定中心点坐标和授权半径R的方法进行。

所述授权范围包括如下内容

如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，专用芯片处于授权范围内；

如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，专用芯片处于授权范围内。

本发明的专用芯片，包括串口通信模块、装定器接口模块、CMG编码模块、控制模块、位置比较模块，各模块用VHDL语言编程实现并被集成到一片FPGA中，其中

a)串口通信模块在专用芯片内部与控制模块相连，在专用芯片外部与位置获取装置相连；通过串口通信模块，可从外部接收位置坐标；

b)装定器接口模块与CMG编码模块、控制模块、位置比较模块分别相连，通过专用芯片管脚可与外部装定器相连；通过装定器接口模块，可从外部接收密码序列；

c)CMG编码模块与装定器接口模块、位置比较模块分别相连，通过专用芯片管脚可与外部执行机构相连；通过CMG编码模块，可进行密码验证；

d)控制模块与串口通信模块、装定器接口模块、位置比较模块相连，通过专用芯片管脚可与外部数值显示装置相连；

e)位置比较模块与装定器接口模块、CMG编码模块、控制模块相连；通过位置比较模块中的算术逻辑单元，可进行位置信息验证；采用开平方和电路计算授权中心点和实时位置之间的距离；通过位置比较模块和CMG编码模块的逻辑关联，可进行位置信息和密码的组合验证。

所述的CMG编码模块，采用状态机组实现CMG编码运算，采用状态机组对该CMG编码的二维迷宫映射图进行描述；小圆圈对应状态机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为该状态的编码，弧线为状态转移线，用来描述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了状态步进顺序；密码“A”是驱动状态机Assembly A步进的敏感信号，密码“B”是驱动状态机Assembly B步进的敏感信号，当两组状态机步进过程中的当前状态相“与”结果均为“0000”时，密码验证通过。

本发明根据抗干涉齿轮集机构中的编码方法，确定了机械结构与密码序列的一一映射关系。再通过在flash工艺FPGA中固化逻辑状态机，来描述CMG机械结构间的逻辑关联，从而在专用芯片中建立该密码编码，实现密码授权；通过往FPGA内部记忆体中输入并保存目标位置信息进行位置授权；通过专用芯片外接输入装置，输入序列信号进行密码验证；通过专用芯片外接位置信息获取装置，输入实时位置信息进行位置验证。两种验证均通过后，在专用芯片内部产生触发电平，并由引脚输出，指示验证通过。

本发明具有如下特点：

1、专用芯片具有体积小、通用性好，验证速度快。

2、由于用全电子方式实现了抗干涉此轮集机构的编码方法，使得该专用芯片实现了密码隐含、保密性高的密码验证功能。

3、专用芯片在密码验证的基础上加入了位置验证逻辑，一方面实现了位置授权控制功能，另一方面增加了专用芯片的安全级别。

4、本发明可用于转口贸易中的集装箱管理。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意框图

图2为图1中的外部装定器2的工作示意框图

图3为图1中的外部显示装置8的工作示意框图

图4为图1中的串口通信模块3的工作示意图

图5为图1中的装定器接口模块4的工作示意图

图6为图1中的控制模块6的工作示意图

图7为图1中的位置比较模块7的工作示意图

图8为CMG编码实例二维迷宫映射图

图9为CMG编码实例的状态机组描述

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的总体结构，将串口通信模块3、装定器接口模块4、CMG编码模块5、控制模块6、位置比较模块7用硬件描述语言VHDL编程并被集成到一片FPGA9中，其中：

控制模块6由数据选通模块15、时钟管理模块16、FIFO模块17、显示控制模块18组成，组成密码、位置组合授权-验证专用芯片的主体部分；

装定器接口模块4的一端与控制模块6和CMG编码模块5分别相连，另一端与装定器2相连，通过装定器接口模块4将装定器的输入数值转换成可识别的编码数值；

CMG编码模块5的一端与装定器接口模块4相连，接收来自装定器2的密码，另一端与位置比较模块7相连，接收来自位置比较模块7的三态门控制信息；

位置比较模块7的一端与控制模块6相连，另一端与CMG编码模块5相连。

本发明的专用芯片内部功能模块及其外部组件的工作原理如下。

位置获取装置1获取定位坐标，包括经度、纬度、高度。将数据组帧，以串口通信的方式通过串口通信模块3进入控制模块6中的三个独立FIFO进行保存；

装定器2将授权半径和授权中心点坐标分别输入位置比较模块6和CMG编码模块。

位置比较模块6中的寄存器组分别保存来自控制模块6中的实时位置坐标和装定器2的授权半径、授权中心点坐标，两种数据在位置比较模块6中的算术逻辑单元内进行运算，从而得到位置验证结果。位置验证结果用逻辑“1”表示位置验证通过，用逻辑“0”表示位置验证失败。

验证结果产生的逻辑输出与CMG编码模块5中的三态门相连，用于控制键盘密码序列的输入，当位置验证结果为逻辑“1”时，三态门导通，密码序列进入CMG编码模块5，否则三态门呈高阻状态。CMG编码模块中的状态机组映射了CMG的编码结构。输入的解码序列驱动状态机，在各状态下产生输出量，并进行与运算，运算通过则密码验证通过。

所述的位置信息获取装置采用GPS接收机：采用jupiter 12型OEM板，接收机的20针脚中第1、3、4脚为天线和接收机部分的电源输入脚接+5V直流电源，第11脚为串行信号输出脚，第20脚为GPS接收机的时钟输出脚，输出频率为10KHZ。串行信号通过排线，接入串口接收模块11。

所述的装定器如图2，采用行列扫描键盘，该键盘按键呈4×5矩形分布，包括数字键“1”、“2”、“3、”4、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“0”“.”，功能键“ENTER、“CANCER”以及密码开始键“CODE”、经度开始键“J”、纬度开始键“W”、高度开始键“H”、半径误差开始键“R”、密码键“A”、“B”。键盘中的各键实际上就是一个个机械开关，该开关位于行线和列线的交点处，当键被按下时，其交点的行线和列线接通，相应行线或列线上的电平发生变化，从而确定被按下的功能键。键盘通过PCB板上的布线与键盘接口模块4的d0-d3输入端相连。

所述的显示装置如图3，采用7段带小数点数码管。D1-D9、A、B与控制模块6中显示控制模块18相连，其中D1-D9分别显示经度、纬度、高度数值，A、B分别显示密码序列。

所述的串口通信模块3如图4所示，由波特率发生模块10、串口接收模块11组成；波特率发生模块10的clkin端与控制模块6的clk_uart端相连，波特率发生模块10的波特率输出端bd_out与串口接收模块的波特率输入端rxd_bd相连，串口接收模块11的rxd端通过串口线与GPS接收模块1的txd端相连，串口接收模块11的数据输出端data_0-data_7与控制模块6的data_0-data_7输入端相连。

所述的装定器接口模块4如图5所示，由键盘扫描模块12、键盘消抖模块13、键盘译码模块14组成；键盘扫描模块12的clkin端与控制模块6的clk_key端相连，键盘消抖模块13的clkin端与控制模块6的clk_jitter相连。键盘消抖模块13的keyout_0-keyout_2与控制模块的keyin_0-keyin_2相连。

所述的控制模块6如图6所示，由时钟管理模块15、FIFO模块16、取数据模块17、显示控制模块18组成。FIFO模块16由3个相互独立FIFO(first in first out)构成，一个容量为11×4bit的FIFO模块用于存储误差半径，一个容量为11×4bit的FIFO模块用于存储中心点经度参数，一个容量为11×4bit的FIFO模块用于存储中心点纬度参数，一个容量为11×4bit的FIFO模块用于存储中心点高度参数；显示控制模块由11个数码管控制模块组成，其中9个模块控制经纬度数值显示，2个模块控制密码序列显示。FIFO缓存模块17的数据输出端q0-q7与显示控制模块18的数据输入端in0-in7相连，FIFO缓存模块17为256个字节。

所述的位置比较模块如图7所示，由坐标比较模块19、状态判别模块20组成。在坐标比较模块19中，授权中心点坐标存放在一块3×10bit的ROM中(ROM编程配置在FPGA9内部)，授权半径R′存放在状态判别模块20中一块1×10bit的寄存器中。坐标比较模块的数据输入端d0-d7与装定器接口模块的数据输出端cd_dout0-cd_dout7相连；在状态判别模块20中，输入端d0-d9与坐标比较模块的输出端d0-d9相连；状态判别模块20的逻辑输出端l_0与CMG编码模块的逻辑输入端l_1相连。

在坐标比较模块19中的计算过程如下：

$D=\sqrt{{(J-J\&prime;)}^2+{(W-W\&prime;)}^2+{(H-H\&prime;)}^2}$

其中，(J，W，H)为实时中心点坐标，(J′，W′，H′)为授权中心点坐标。D为实时中心点与授权中心点之间的距离。

在状态判别模块20中，D与授权半径R作比较，根据比较结果产生逻辑输出。如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，判断为专用芯片处于授权范围内。

图8是一个CMG编码实例的二维迷宫映射图，“迷宫”是由“墙”和“路”构成的。该图反映了CMG机构的逻辑实质，即只有图中AND运算结果为“全0”的节点，才是“路”，将这样的节点命名为“路节点(route node)”；反之，命名为“墙节点(wall node)”。迷宫中的每个节点。显然，若将X径向的路节点取值为“A”，将Y径向的路节点取值为“B”，则该二维迷宫可导出唯一的解码路径：“ABBBBAAABAAABBAABBBABAAB”。

CMG编码模块5中，采用了状态机组对该二维迷宫映射图进行了描述。图9是一个描述该编码的状态机组实例。图中，Assembly A、Assembly B是两个相互独立的状态机，小圆圈对应状态机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为该状态的编码，弧线为状态转移线，用来描述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了状态步进顺序。密码序列由符号“A”、“B”组成，“A”是驱动状态机Assembly A步进的敏感信号，“B”是驱动状态机Assembly B步进的敏感信号，当两组状态机步进过程中的当前状态相“与”结果均为“0000”时，密码序列验证通过。因此，该组状态机及其运算映射了一个唯一的密码“ABBBBAAABAAABBAABBBABAAB”。

CMG编码模块5的三态门控制端tri_1与状态判别模块20的输出端tri_0相连；输出端直接连接到FPGA的输出管脚上，该管脚用于指示最终的组合授权是否通过。

本发明将多个数据接口模块、数据存储模块、显示控制模块、算术逻辑单元集成在FPGA9中，使其成为专用控制专用芯片。由于FPGA9可在线编程，可与上位机进行通信，因此可根据实际使用情况更改授权范围和授权密码，使专用芯片的安全性进一步提高。

Claims (6)

1.一种密码位置组合授权验证方法，所述的方法包括以下步骤：

a)进行密码授权

通过VHDL程序，按CMG机构编码规则对密码进行编码，再用下载方式将该程序固化成FPGA逻辑电路；

b)进行位置授权

通过授权信息装定器装定授权位置信息，包括授权半径和授权中心点坐标；

c)进行位置验证

由位置获取装置获取实时位置坐标(J，W，H)，实时位置坐标包括经度、维度、高度；该数值与装定的授权中心点坐标作比较，经计算，得到授权中心与实时位置之间的距离D，其计算公式如下：

$D=\sqrt{{(J-J\&prime;)}^2+{(W-W\&prime;)}^2+{(H-H\&prime;)}^2}$

其中，(J，W，H)为实时中心点坐标，(J′，W′，H′)为授权中心点坐标；

D再与装定的授权半径R作比较；如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，判断为专用芯片处于授权范围内；

d)进行密码验证

输入密码，根据编码规则进行密码验证，验证通过则输出触发信号。

2.根据权利要求1所述的一种密码位置组合授权验证方法，其特征在于：所述的位置信息获取装置采用GPS接收机，密码输入装置为键盘或其他输入装置。

3.根据权利要求1所述的密码位置组合授权验证方法，其特征在于：所述的位置授权采用确定中心点坐标和授权半径R的方法进行。

4.根据权利要求1所述的密码位置组合授权验证方法，其特征在于：所述授权范围包括如下内容

如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，专用芯片处于授权范围内；

如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，专用芯片处于授权范围内。

5.用于权利要求1所述的一种密码位置组合授权验证方法的专用芯片，其特征在于：所述的专用芯片包括串口通信模块3、装定器接口模块4、CMG编码模块5、控制模块6、位置比较模块7，各模块用VHDL语言编程实现并被集成到一片FPGA9中，其中

a)串口通信模块3在专用芯片内部与控制模块6相连，在专用芯片外部与位置获取装置相连；通过串口通信模块3，可从外部接收位置坐标；

b)装定器接口模块4与CMG编码模块5、控制模块6、位置比较模块7分别相连，通过专用芯片管脚可与外部装定器相连；通过装定器接口模块4，可从外部接收密码序列；

c)CMG编码模块5与装定器接口模块4、位置比较模块7分别相连，通过专用芯片管脚可与外部执行机构相连；通过CMG编码模块5，可进行密码验证；

d)控制模块6与串口通信模块3、装定器接口模块4、位置比较模块7相连，通过专用芯片管脚可与外部数值显示装置相连；

e)位置比较模块7与装定器接口模块4、CMG编码模块5、控制模块6相连；通过位置比较模块7中的算术逻辑单元，可进行位置信息验证；采用开平方和电路计算授权中心点和实时位置之间的距离；通过位置比较模块7和CMG编码模块5的逻辑关联，可进行位置信息和密码的组合验证。

6.根据权利要求5所述的专用芯片，其特征在于：所述的CMG编码模块5，采用状态机组实现CMG编码运算，采用状态机组对该CMG编码的二维迷宫映射图进行描述；小圆圈对应状态机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为该状态的编码，弧线为状态转移线，用来描述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了状态步进顺序；密码“A”是驱动状态机Assembly A步进的敏感信号，密码“B”是驱动状态机Assembly B步进的敏感信号，当两组状态机步进过程中的当前状态相“与”结果均为“0000”时，密码验证通过。

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