保險(xiǎn)箱無(wú)所不在，其電子設(shè)計(jì)聽(tīng)起來(lái)比較直接簡(jiǎn)單，可實(shí)際上卻充滿(mǎn)了獨(dú)有的挑戰(zhàn)。本文將介紹一款簡(jiǎn)單的電子保險(xiǎn)箱設(shè)計(jì)方案，并討論有關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括如何避免侵入者的破壞以及確保最低功耗的電源設(shè)計(jì)技術(shù)等。本文還將討論有助于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)這款簡(jiǎn)單產(chǎn)品功能的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　根據(jù)維基百科的定義：保險(xiǎn)箱可上鎖的安全儲(chǔ)物柜，用于存儲(chǔ)有價(jià)值的物品，以免被盜竊或損壞。電子保險(xiǎn)箱則是采用電子技術(shù)的電子機(jī)械保險(xiǎn)箱?！?/p>

　　電子保險(xiǎn)箱的基本形式就是一個(gè)厚厚的鋼箱，加上一個(gè)更厚的鋼制門(mén)。電子保險(xiǎn)箱一般大小為200 mm（高） X 450 mm（寬） X 350 mm（深），價(jià)格約100美元。門(mén)上安有堅(jiān)固的鋼鎖，開(kāi)鎖要通過(guò)鎖鈕來(lái)操作。圖1給出了電子保險(xiǎn)箱界面示例。我們要用小鍵盤(pán)輸入解鎖碼，并通過(guò)一組LED顯示輸出、作為I/O界面。許多保險(xiǎn)箱還提供機(jī)械鑰匙，以備在忘記組合密碼的情況下緊急開(kāi)柜。大多數(shù)電子保險(xiǎn)箱還提供其它功能，如電池電量不足報(bào)警、反復(fù)輸入錯(cuò)誤的組合密碼時(shí)鎖定，以及輸入錯(cuò)誤組合密碼時(shí)長(zhǎng)時(shí)間蜂鳴報(bào)警等。電子保險(xiǎn)箱常見(jiàn)于酒店中，每位新客人都能設(shè)定和重設(shè)組合密碼。

　　　　圖1用戶(hù)界面

　　使用場(chǎng)景

　　以下介紹的是電子保險(xiǎn)箱操作時(shí)的簡(jiǎn)單場(chǎng)景：

　　電子保險(xiǎn)箱上鎖

　　旋轉(zhuǎn)機(jī)械鎖鈕，讓鋼鎖旋轉(zhuǎn)到位，從而把保險(xiǎn)箱門(mén)鎖上。凸輪機(jī)制將確保逆向鎖扭轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)讓電子保險(xiǎn)箱上鎖。如以下圖2所示。

　　圖2——為電子保險(xiǎn)箱上鎖

　　電子保險(xiǎn)箱開(kāi)鎖

　　在打開(kāi)電子保險(xiǎn)箱時(shí)，用戶(hù)應(yīng)在小鍵盤(pán)上輸入組合密碼。每次按鍵都會(huì)發(fā)出短暫的嘀聲，向用戶(hù)確認(rèn)按鍵已被接受。如果用戶(hù)輸入錯(cuò)誤的組合密碼，則“ERR”LED顯示燈將亮起，告知密碼輸入錯(cuò)誤，同時(shí)發(fā)出響亮的蜂鳴聲通知用戶(hù)。反復(fù)輸入錯(cuò)誤密碼將導(dǎo)致小鍵盤(pán)和電子保險(xiǎn)箱鎖死，這時(shí)必須用緊急鑰匙才能打開(kāi)保險(xiǎn)箱，然后還要按照以下介紹的方法重設(shè)組合密碼。

　　電池放電條件

　　倘電池完全沒(méi)電，鎖將永久鎖死，這時(shí)只能用緊急鑰匙打開(kāi)保險(xiǎn)箱。電池電量低于一定水平時(shí)，“BAT”LED顯示燈將亮起，提醒用戶(hù)更換電池。

　　組合密碼丟失

　　如果丟失了組合密碼，可用緊急鑰匙打開(kāi)保險(xiǎn)箱。

　　設(shè)置/重設(shè)組合密碼

　　設(shè)置和重設(shè)組和密碼功能只有在保險(xiǎn)箱打開(kāi)情況下才可用。順序按下一組按鍵將打開(kāi)微控制器并設(shè)置新的組合密碼。微控制器將組合密碼保存在非易失性存儲(chǔ)器中?！?/p>

　　實(shí)施

　　早期的電子保險(xiǎn)箱設(shè)計(jì)方案使用的硬件電路通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)確定正確的組合密碼。隨后的設(shè)計(jì)方案則改用微控制器，因?yàn)槲⒖刂破骱蛙浖幊叹哂懈叩撵`活性。圖3給出了基于微控制器設(shè)計(jì)方案的方框圖，它包括一個(gè)微控制器和一個(gè)電池供電的電動(dòng)機(jī)。微控制器通過(guò)小鍵盤(pán)按鍵獲得輸入，并根據(jù)密碼激活電動(dòng)機(jī)和門(mén)鎖機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖。根據(jù)微控制器的狀態(tài)、電池情況以及讀取代碼過(guò)程中發(fā)生的各種錯(cuò)誤，LED顯示燈也會(huì)被激活。我們還用光學(xué)對(duì)象感應(yīng)器來(lái)檢測(cè)保險(xiǎn)箱門(mén)的狀態(tài)。

　　圖3——方框圖

　　機(jī)械構(gòu)造

　　本文介紹的主要是電子保險(xiǎn)箱的電子技術(shù)，不過(guò)對(duì)于良好可靠的保險(xiǎn)箱而言最重要的問(wèn)題還在于它的機(jī)械構(gòu)造。電子印刷電路組件（PCA）隱藏在實(shí)鋼結(jié)構(gòu)的身后發(fā)揮作用。如果通過(guò)強(qiáng)力借小鍵盤(pán)打開(kāi)前面板，那么保險(xiǎn)箱中存儲(chǔ)的東西就沒(méi)有安全可言了。比如有人可能會(huì)企圖將PCA與小鍵盤(pán)分離。因此，PCA應(yīng)隱藏在實(shí)鋼結(jié)構(gòu)之后，而小鍵盤(pán)則應(yīng)位于箱門(mén)上?！?/p>

　　功效

　　功耗是電子保險(xiǎn)箱的第二大重要因素。我們可用不同的實(shí)施方案節(jié)能，比如小鍵盤(pán)給定時(shí)間沒(méi)有輸入則進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)。微控制器工作范圍較大，有助于在電池放電期間保持長(zhǎng)期工作。使用7片段的LED顯示燈是電子保險(xiǎn)箱的標(biāo)準(zhǔn)，這種組件功耗較低。

　　主組合密碼

　　主組合密碼是一種可選特性，可用來(lái)打開(kāi)所有保險(xiǎn)箱，就像緊急鑰匙的作用一樣。主組合密碼是一組順序按鍵，可打開(kāi)特定型號(hào)的所有保險(xiǎn)箱。應(yīng)當(dāng)盡量避免使用這種主密碼，否則可能為電子保險(xiǎn)箱制造商帶來(lái)安全隱患。更好的辦法是結(jié)合使用“電子保險(xiǎn)箱開(kāi)鎖”和“設(shè)置/重設(shè)組合密碼”中介紹的步驟?！?/p>

　　故障安全固件代碼

　　電子保險(xiǎn)箱的代碼不容許出錯(cuò)，因此必須認(rèn)真審核，并經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證。不過(guò)，為了針對(duì)所有意外故障做好準(zhǔn)備，固件的設(shè)計(jì)應(yīng)確保電子保險(xiǎn)箱程序不會(huì)鎖死。我們可用監(jiān)視計(jì)時(shí)器來(lái)避免這一問(wèn)題。如果固件代碼在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)鎖死，監(jiān)視計(jì)時(shí)器則將重設(shè)電子保險(xiǎn)箱上的固件，同時(shí)避免干擾鎖的自身狀況。

　　一次性可編程（OTP）微控制器

　　最好選擇支持OTP特性的微控制器，避免競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和黑客對(duì)固件進(jìn)行逆向工程。

　　硬件可靠性

　　應(yīng)采取控制 電磁干擾、免受電磁干擾影響的措施，這類(lèi)似于敏感電子器件與電動(dòng)機(jī)等潛在噪聲源相互靠近的嵌入式系統(tǒng)。硬件不可靠，就會(huì)造成重設(shè)，導(dǎo)致保險(xiǎn)箱不安全。

　　減少硬件組件

　　硬件組件越少，可能發(fā)生故障的組件就越少，系統(tǒng)可靠性也就越高。減少組件還能降低功耗。片上系統(tǒng)（SoC）微控制器可用來(lái)集成眾多硬件功能，減少組件數(shù)量，進(jìn)而提升可靠性，降低功耗和成本。類(lèi)似于賽普拉斯半導(dǎo)體公司 PSoC（可編程片上系統(tǒng)）的SoC能通過(guò)內(nèi)部比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行功率檢測(cè)。蜂鳴器可用SoC上集成的脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制。

　　檢測(cè)保險(xiǎn)箱的打開(kāi)

　　許多使用情境都需要固件檢測(cè)出保險(xiǎn)箱是否打開(kāi)。我們用光學(xué)感應(yīng)器來(lái)檢測(cè)箱門(mén)的打開(kāi)狀況。光學(xué)感應(yīng)器通過(guò)微控制器控制，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。

　　用戶(hù)操作流程和內(nèi)置自檢測(cè)（BIST）

　　在保險(xiǎn)箱使用壽命周期內(nèi)，用戶(hù)可能需要更換電池，而這需要更換電池的明確程序。如果手頭沒(méi)有保險(xiǎn)箱手冊(cè)，那么內(nèi)置自檢測(cè)功能可檢查板上的所有接口，確保更換電池后不會(huì)存在任何故障。

　　制造

　　最后要提到的重要一點(diǎn)是，我們要用固件對(duì)電子保險(xiǎn)箱編程，隨后還要運(yùn)行制造測(cè)試，確保所有塊都能按需工作，而且設(shè)備不存在任何制造瑕疵，做到這一點(diǎn)也是一大挑戰(zhàn)。為了確保承包制造商不欺詐，我們應(yīng)實(shí)施帶認(rèn)證功能的編程模具。制造測(cè)試進(jìn)程應(yīng)確保涵蓋100%的硬件。

　　局限性

　　回收材料的故障分析

　　板上接口數(shù)量的增多也將增加侵入者攻擊系統(tǒng)的途徑。這是嵌入式系統(tǒng)最大的局限性之一。

　　用紫外墨水對(duì)組合密碼進(jìn)行逆向工程

　　侵入者可用紫外墨水復(fù)制小鍵盤(pán)上的指印。由于知道了密碼包含哪些按鍵，侵入者能更方便地猜出組合密碼。為了避免這一問(wèn)題，用戶(hù)可設(shè)置包含所有數(shù)字的組合密碼。

　　哪些地方可以改進(jìn)？

　　電容按鈕

       用電容感應(yīng)按鈕替代機(jī)械按鈕是目前的發(fā)展趨勢(shì)。電容感應(yīng)按鈕能感應(yīng)到手指的電容并激活“打開(kāi)”信號(hào)。電容按鈕消除了機(jī)械按鈕潛在的故障，能降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提高可靠性。賽普拉斯的PSoC是一款獨(dú)特的SoC，能作為一款單芯片解決方案提供上述大部分功能。它提供了高度可配置的算法，能檢測(cè)工具電容，而且能供嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和工程師免費(fèi)使用。