物聯(lián)網前臺的隨機密碼鎖的設計與研究

摘 要：固定密碼輸入設備在電子商務、辦理銀行業(yè)務和證券交易等過程中存在很多安全的隱患，越來越受到社會的關注。用戶為了防止密碼被不法偷窺或者竊取，需要很多方法防止資金流失等事件的發(fā)生，為了解決這個問題本設計提出一種方案，利用軟件使鍵盤產生動態(tài)隨機的布局效果，很大程度上減少了密碼被盜的概率。本設計的開發(fā)工具是PROTEUS和KEIL-C，在PROTEUS的環(huán)境下架構了鍵盤布局、功能模塊的操作說明、元器件的選擇與布局以及人機交互的仿真界面。在KEIL-C環(huán)境下，完成了隨機生成模塊代碼、按鍵正確識別模塊代碼、隨機鍵盤顯示模塊代碼、密碼顯示模塊源代碼、延時模塊、密碼輸入處理模塊、密碼修改模塊、主程序模塊等，將各個功能模塊順利演示，用單片機實現(xiàn)本系統(tǒng)具有可行性強，開發(fā)成本低等優(yōu)點，具有實際應用的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：隨機鍵盤；PROTEUS；仿真界面；人機交互

中圖分類號：TP273

隨著電子商務、銀行ATM機以及證券交易中交易號碼的輸入，實物鍵盤和電子鍵盤的使用越來越普及，所以用戶個人和集體信息安全就扮演著很重要的角色，信息安全隨著社會的發(fā)展顯示很高的重要性，特別是密碼安全的發(fā)展，一些常用的密碼輸入設備因使用次數(shù)增多導致的密碼泄露的危險性增大的問題，越來越受到重視。普通的解決辦法是更改密碼或者換掉密碼輸入設備，但是這些都會留下一些問題，頻繁修改密碼，會給用戶造成極大的不便，而更換設備，依然存在密碼安全的隱患。為了防止用戶密碼被不法人員竊取或者利用，故此提出一種解決方案，應用仿真軟件使鍵盤產生動態(tài)布局效果，當各個按鍵被使用的概率一樣時，密碼的顯示順序呈現(xiàn)一種隨即的狀態(tài)，使不法分子不能按照平時的經驗來竊取秘密[1]，就會極大地消除密碼泄露的隱患，降低密碼被竊取的概率。

1 總體設計

1.1 總體要求

本設計要求用PROTEUS仿真軟件做出相應的原理圖，原理圖要有隨即密碼鍵盤顯示模塊，鍵盤輸入模塊、密碼設置模塊、密碼修改模塊、正確錯誤密碼分別顯示模塊。要求在KEIL-C環(huán)境下進行程序和代碼的開發(fā)，對每個模塊代碼進行設計，即模塊代碼、按鍵正確識別模塊代碼、隨機鍵盤顯示模塊代碼、密碼顯示模塊源代碼、延時模塊、密碼輸入處理模塊、密碼修改模塊、主程序模塊等，將程序燒寫成.HEX程序，進行仿真調試和開發(fā)，最后要完成順暢的連接，顯示隨即動態(tài)鍵盤密碼鎖的功能。

1.2 開發(fā)環(huán)境

（1）Proteus軟件。Proteus軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的，該軟件除了具有和其它EDA工具一樣的原理圖布局、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其特色性的功能是，它的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件源碼級的實時調試。如有顯示、輸出、仿真時能看到運行后的輸入輸出的效果，所以Proteus軟件為開發(fā)者建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境，方便與開發(fā)者交互[2]。（2）keil uVision3軟件。Keil公司的MCS-51編譯器是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的開發(fā)軟件之一，它支持眾多公司的MCS-51架構的芯片，它集編輯、編譯、仿真于一體，同時支持PLM、匯編和C語言的程序設計，它的界面和微軟VC界面類似，界面友好，在調試、軟件仿真方面有很強大的功能，是常用的單片機C語言編譯器。Keil Software公司推出的uVision3是一款可用于各種51單片機的集成開發(fā)環(huán)境，因此，本設計也采用該軟件開發(fā)[3]。

1.3 主要模塊劃分

（1）proteus原理圖的設計：選擇相關的元器件進行布局。（2）美化原理圖：按照設計的要求美化。（3）顯示隨機軟鍵盤上對應的數(shù)字：按下不同的數(shù)字鍵顯示不同的內容。（4）輸入密碼功能：輸入正確和錯誤的密碼信號不同。（5）密碼輸入不可見提示：輸入密碼不顯示密碼內容。（6）密碼修改提示：新密碼的修改過程，同時要求輸入兩次新密碼。（7）關鍵代碼設計模塊：隨即軟鍵盤的形成以及如何識別密碼等。

2 詳細設計

2.1 PROTEUS環(huán)境下原理圖的設計與布局

根據隨即動態(tài)密碼鎖的設計思路，需要在PROTEUS環(huán)境進行原理圖的設計[4]，仿真原理圖需要包含顯示模塊，密碼輸入模塊，元器件的鏈接與布局，以及密碼輸入過程中的報警情況，將設計器件連接在一起。

2.2 各子模塊詳細設計

（1）隨機軟鍵盤生成模塊設計。該模塊是生成鍵盤的算法，鍵盤數(shù)字是有順序的，通過該算法可是無序。將鍵盤的數(shù)字放在數(shù)組中，分別把前五個數(shù)與后五個數(shù)交換，再隔一個數(shù)交換一次，隔兩個交換一次，隔三個交換一次，最后前后五個數(shù)再次交換，通過操作數(shù)組來實現(xiàn)鍵盤的亂序功能；（2）按鍵正確識別模塊代碼。輸入數(shù)據，返回數(shù)據的大小，鍵盤顯示是通過一個數(shù)組來實現(xiàn)的，同樣按鍵時，查詢按的按鍵，然后通過查數(shù)組就可以知道對應的是哪個數(shù)字。本模塊是設計創(chuàng)新點，按鍵不放開就不會有按鍵信息輸入的，按多個鍵，只會輸入第一次按鍵的信息；（3）隨機鍵盤顯示模塊源代碼和密碼顯示模塊源代碼。采用51單片機的中斷0方式。來實現(xiàn)隨機鍵盤的顯示；（4）延時模塊。采用的單片機時鐘是12MHZ，在操作過程中，手工的慢速與機器高速不匹配，需要延時，同時單片機的外部的部件由于傳輸需要時間，所以也需要單片機延時；（5）密碼輸入處理和修改模塊。該模塊實現(xiàn)的功能是輸入密碼并判斷是否正確。模塊實現(xiàn)的功能是修改密碼，首先輸入原密碼，不正確則重新輸入原密碼或返回，正確則輸入新密碼，新密碼需要輸入兩次[5]，如果新密碼兩次輸入不一樣，則要求才次輸入新密碼兩次或則返回，如果一樣，則修改成功；（6）主程序。主程序主要包括功能：顯示按鍵在鍵盤上對應的數(shù)據、確定密碼的顯示方式（顯示或不顯示）、換鍵盤功能、輸入密碼功能選擇、修改密碼功能選擇；（7）元器件的選擇與布局。選擇的元器件：AT89C51，7SEG-COM-CAT-GRN，7SEG-MPX2-CC，7SEG-MPX4-CC，7SEG-MPX6-CC，74HC154，BUTTON，CAP，CARYSTAL，LED-BIBY，LED-BIGY，LED-BIRG，LED-BIRY，LED-BLUE，LED-GREEN，LED-RED，LED-YELLOW，NPN，RES，RESPACK-8，按照原理圖進行布線，先把元器件放置好，然后再布線，布線要注意清晰，不可重疊，達到圖1的效果。

3 設計測試方案

3.1 原理圖設計合理

在KEIL-C環(huán)境下，將設計好的原理圖進行測試，在TOOL菜單下，選擇原理圖測試工具，測試成功如圖1所示。

圖1 元器件的正確放置結果

3.2 KEIL-C環(huán)境代碼運行

根據環(huán)境要求，在KEIL-C環(huán)境下，選擇單片機的型號為AT89C51系列：設計隨機軟件盤生成模塊、按鍵正確識別模塊代碼、隨機鍵盤顯示模塊源代碼和密碼顯示模塊源代碼、延時模塊、密碼輸入處理和修改模塊、主程序等模塊的設計。

設計中保存需要有.ASM和.C兩種方式進行保存，本設計是在.C的環(huán)境下進行的，先在PROJECT下建立“NEW PROJECT”，將程序模塊按照要求寫好，保存為.C程序，將程序加載到工程里面，選擇FILE菜單中“ADD FILES TO GROUP’SOURCE GROUP 1’”，在PROJECT菜單下選擇“OPTION TARGET FOR TARGET 1”，在對話框中選擇OUTPUT.HEX程序，然后將程序運行，不斷的調試修改，直到程序調試到滿足設計要求，出現(xiàn)“0ERRORS 0WARNINGS”，這時.HEX程序生成保存在文件夾里面。

在設計好的.DSN文件打開，點擊AT89C51芯片，將燒寫好的.HEX文件加在芯片里面，進行運行，顯示在KEIL-C環(huán)境下設計的設計隨機軟件盤生成模塊、按鍵正確識別模塊代碼、隨機鍵盤顯示模塊源代碼和密碼顯示模塊源代碼等功能模塊，順暢連接進行隨機密碼的顯示、修改、重新設置等。

4 結束語

本系統(tǒng)是在仿真的環(huán)境下開發(fā)出來的隨機密碼鍵盤技術，在信息安全領域有重要的實際應用價值，本設計的開發(fā)工具是PROTEUS和KEIL-C，在PROTEUS的環(huán)境下架構了鍵盤布局、功能模塊的操作說明、元器件的選擇與布局以及人機交互的仿真界面。在KEIL-C環(huán)境下，完成了隨機生成模塊代碼、按鍵正確識別模塊代碼、隨機鍵盤顯示模塊代碼、密碼顯示模塊源代碼、延時模塊、密碼輸入處理模塊、密碼修改模塊、主程序模塊等，將各個功能模塊順利演示，界面美觀大方，有很高的實際應用價值[6]。

本設計的主要成果有以下幾點：（1）采用了PROTEUS仿真軟件作為開發(fā)工具，具有設計思路明確，元器件充分，LCD數(shù)碼顯示明確的特點。（2）在KEIL-C環(huán)境下，采用C語言進行代碼的編寫，具有程序設計簡便、便于糾錯，可移植性的特點，可以不斷的完成需要的功能模塊，并且進行實現(xiàn)。（3）功耗低。采用單片機完成隨機動態(tài)密碼鎖的設計具有功耗低、成本低、開發(fā)性強的特點，具。有可以大批量生產的現(xiàn)實意義。（4）提出了一種基于單片機的新的思考方式，可以逐漸取代原有軟鍵盤的開發(fā)方式，大量的應用在各個領域。

參考文獻：

[1]劉超英.采用滾動數(shù)碼的密碼概念防窺視的密碼鍵盤[J].電子技術應用，2004：19-20

[2]許文斌.Proteus軟件在單片機系統(tǒng)仿真實驗教學中的應用[J].商業(yè)經濟，2006（03）：90-93.

[3]王飛等.Keil與Proteus在現(xiàn)代教學中的應用[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2009（06）：78-80.

[4]劉兆元.物聯(lián)網業(yè)務關鍵技術與模式探討[J].廣東通信技術，2009（12）.

[5]胡漢才.單片機原理及其接設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)的設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

作者簡介：田嵩（1981-），女，碩士，研究方向：計算機應用技術。

作者單位：湖北理工學院計算機學院，湖北黃石 435003

基金項目：湖北理工學院青年項目（項目編號：13xjz060）。