基于STM32和DGUS液晶屏的隨機(jī)鍵盤設(shè)計(jì)

梁菲惜

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都，610059）

0 前言

中國(guó)是網(wǎng)上支付使用大國(guó)，根據(jù)《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報(bào)告2018》顯示，到2017年底，中國(guó)網(wǎng)上支付用戶人數(shù)達(dá)5.31億，第三方互聯(lián)網(wǎng)支付金額達(dá)到143萬(wàn)億。從網(wǎng)銀支付到手機(jī)支付，互聯(lián)網(wǎng)支付已經(jīng)成為中國(guó)最主流的支付方式[1～2]。目前密碼泄露以病毒、黑客以及旁窺為主要原因。密碼泄露不僅會(huì)造成個(gè)人財(cái)產(chǎn)損失，某些平臺(tái)賬號(hào)的密碼泄露也可能造成他人的財(cái)產(chǎn)損失，如盜取社交軟件密碼騙取失主親友錢財(cái)。采用隨機(jī)鍵盤能有效地避免密碼旁窺和泄露，不僅能在公共場(chǎng)合避免密碼旁窺，也能有效防止通過(guò)記憶鍵盤點(diǎn)擊位置的木馬竊取密碼。當(dāng)前已經(jīng)有部分銀行采用隨機(jī)軟鍵盤的控件。

1 設(shè)計(jì)方案和思路

隨機(jī)鍵盤設(shè)計(jì)旨在通過(guò)密碼輸入鍵盤的隨機(jī)排列解決公共場(chǎng)合的密碼旁窺和泄露問(wèn)題。本設(shè)計(jì)主要達(dá)到兩個(gè)效果：一是使輸入鍵盤隨機(jī)排列，二是密碼匹配。基于以上目的，本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6作為主要處理器，用于隨機(jī)數(shù)列產(chǎn)生和密碼匹配。產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)列采用兩兩交換法，初始密碼存儲(chǔ)在EEPROM中，密碼鍵盤顯示采用迪文DGUS液晶屏。方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 隨機(jī)鍵盤設(shè)計(jì)原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)采用STM32F103RCT6。由法意半導(dǎo)體推出的STM32增強(qiáng)型系列STM32F103為高密度性能線的32位微處理器，其內(nèi)核為Cortex-M3，具有成本低廉、功耗較低、性能較好、集成度高、便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、工業(yè)、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3～4]。STM32F103RCT6最大處理速度為72MHz，兼有串行單線調(diào)試SWD和JTAG接口，具有5個(gè)串口，可與迪文DGUS液晶屏進(jìn)行串口通信控制；具有2個(gè)I2C接口，可掛載EEPROM進(jìn)行密碼存儲(chǔ)。STM32F103RCT6內(nèi)嵌晶振，為提高時(shí)鐘穩(wěn)定性，外接8M無(wú)源晶振和32.765K晶振。另連接復(fù)位電路和電源指示LED，引出JTAG接口，進(jìn)行下載和調(diào)試。

STM32F103RCT6工作電壓為 2V～3.6V，常用工作電壓為3.3V。由于USB供電為 5V，無(wú)法直接為其提供工作電壓。穩(wěn)壓芯片 AMS1117有可調(diào)電壓和多種固定電壓版，可選用3.3V固定電壓版為STM32供電，且電路簡(jiǎn)單。電源開(kāi)關(guān)使用自鎖按鍵，使電路板在上電時(shí)不用一直插拔電源線，通過(guò)自鎖開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源的通電和斷電。

EEPROM可以即插即用，具有掉電數(shù)據(jù)不丟失的特點(diǎn)。AT24C02最大時(shí)鐘頻率400kHz，達(dá)到讀寫密碼速度；內(nèi)存容量250B，足夠初始密碼存儲(chǔ)空間；I2C通信方式節(jié)省I/O口且控制方便；工作電壓范圍為1.8V 至 6.0V，可直接使用與STM32相同的工作電壓供電。

圖2 DGUS的硬件結(jié)構(gòu)

DGUS是迪文科技推出的一款圖形服務(wù)軟件，是基于迪文屏K600+內(nèi)核設(shè)計(jì)的人機(jī)界面系統(tǒng)軟件，迪文DGUS屏就是基于該軟件設(shè)計(jì)的液晶顯示屏[5～6]。DGUS液晶屏為串口液晶屏，可支持CMOS、RS232、RS485三種電平通信方式，本次采用MINI DGUS液晶屏支持RS232通信方式。DGUS液晶屏支持SD卡，可使用畫圖軟件設(shè)計(jì)界面通過(guò)SD卡下載使用，使界面設(shè)計(jì)豐富和多樣化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生

本設(shè)計(jì)中隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生為0～9的隨機(jī)排列，以及26個(gè)字母的隨機(jī)排列。對(duì)于這兩種隨機(jī)排列均使用兩兩交換法，原理簡(jiǎn)單易操作，且隨機(jī)效果較好。將0～9以及26個(gè)字母分別隨機(jī)處理，在此以0～9的數(shù)字排列為例說(shuō)明。

(1)將0～9進(jìn)行順序排列；(2)利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生0～9中的兩個(gè)隨機(jī)數(shù)m、n；(3）將第m個(gè)數(shù)和第n個(gè)數(shù)進(jìn)行位置交換；(4）重復(fù)步驟②和步驟③X次，本設(shè)計(jì)中數(shù)字隨機(jī)序列中取重復(fù)次數(shù)X=20。由于產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)m、n可能重復(fù)，因此實(shí)際進(jìn)行的位置交換次數(shù)可能小于20次，但一般不會(huì)低于10次，如此即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字鍵盤的隨機(jī)排列，理論上可實(shí)現(xiàn)的不同排列為10！種。26個(gè)字母的隨機(jī)排列方法與此相同，適當(dāng)增加交換次數(shù)X即可。以X=10為例，對(duì)于0～9的隨機(jī)排列如表1所示。由表所示經(jīng)過(guò)10次兩兩交換以后，數(shù)字序列由[6,0,9,7,2,8,4,1,5,3]變?yōu)閇9,5,4,6,3,0,7,2,1,8]，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)數(shù)列的效果。

表1 兩兩交換法示意圖（交換10次）

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用畫圖軟件設(shè)計(jì)顯示界面，如CorelDRAW軟件，調(diào)節(jié)圖片大小和分辨率至適應(yīng)屏幕；將設(shè)計(jì)好的顯示界面通過(guò)SD卡下載至DGUS屏，檢查顯示是否正確；STM32通過(guò)IIC通信將預(yù)設(shè)密碼存入EEPROM；在STM32中產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)列，將DGUS屏與STM32進(jìn)行串口連接通信，并將隨機(jī)數(shù)列放入指定觸控區(qū)域；用戶輸入密碼并確認(rèn)，STM32通過(guò)串口讀取用戶鍵入密碼；STM32讀取EEPROM預(yù)設(shè)密碼，并進(jìn)行比較；若用戶鍵入密碼與預(yù)設(shè)密碼一致，則通過(guò)串口使DGUS屏跳轉(zhuǎn)輸入正確頁(yè)面；若用戶鍵入密碼與預(yù)設(shè)密碼不一致，則跳轉(zhuǎn)輸入密碼錯(cuò)誤頁(yè)面，并點(diǎn)擊重新輸入[7～8]。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于STM32和迪文DGUS屏的隨機(jī)鍵盤設(shè)計(jì)，以STM32位主控制芯片，以迪文DGUS液晶屏為顯示器件，以兩兩交換法為核心算法，經(jīng)實(shí)際效果測(cè)試，隨機(jī)排列生產(chǎn)效果良好，能達(dá)到較好的隨機(jī)鍵盤效果。采用本設(shè)計(jì)，可以有效解決在公共場(chǎng)合的密碼輸入旁窺問(wèn)題，可以有效防止在自動(dòng)提取款機(jī)上通過(guò)記憶鍵盤點(diǎn)擊位置的木馬竊取密碼。

圖3 系統(tǒng)流程圖