保險箱無所不在，其電子設(shè)計聽起來比較直接簡單，可實際上卻充滿了獨有的挑戰(zhàn)。本文將介紹一款簡單的電子保險箱設(shè)計方案，并討論有關(guān)設(shè)計問題。設(shè)計挑戰(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)計技術(shù)等。本文還將討論有助于在傳統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上改進(jìn)這款簡單產(chǎn)品功能的技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　根據(jù)維基百科的定義：保險箱可上鎖的安全儲物柜，用于存儲有價值的物品，以免被盜竊或損壞。電子保險箱則是采用電子技術(shù)的電子機(jī)械保險箱。　

　　電子保險箱的基本形式就是一個厚厚的鋼箱，加上一個更厚的鋼制門。電子保險箱一般大小為200 mm（高） X 450 mm（寬） X 350 mm（深），價格約100美元。門上安有堅固的鋼鎖，開鎖要通過鎖鈕來操作。圖1給出了電子保險箱界面示例。我們要用小鍵盤輸入解鎖碼，并通過一組LED顯示輸出、作為I/O界面。許多保險箱還提供機(jī)械鑰匙，以備在忘記組合密碼的情況下緊急開柜。大多數(shù)電子保險箱還提供其它功能，如電池電量不足報警、反復(fù)輸入錯誤的組合密碼時鎖定，以及輸入錯誤組合密碼時長時間蜂鳴報警等。電子保險箱常見于酒店中，每位新客人都能設(shè)定和重設(shè)組合密碼。

　　　　圖1用戶界面

　　使用場景

　　以下介紹的是電子保險箱操作時的簡單場景：

　　電子保險箱上鎖

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

　　圖2——為電子保險箱上鎖

　　電子保險箱開鎖

　　在打開電子保險箱時，用戶應(yīng)在小鍵盤上輸入組合密碼。每次按鍵都會發(fā)出短暫的嘀聲，向用戶確認(rèn)按鍵已被接受。如果用戶輸入錯誤的組合密碼，則“ERR”LED顯示燈將亮起，告知密碼輸入錯誤，同時發(fā)出響亮的蜂鳴聲通知用戶。反復(fù)輸入錯誤密碼將導(dǎo)致小鍵盤和電子保險箱鎖死，這時必須用緊急鑰匙才能打開保險箱，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

　　倘電池完全沒電，鎖將永久鎖死，這時只能用緊急鑰匙打開保險箱。電池電量低于一定水平時，“BAT”LED顯示燈將亮起，提醒用戶更換電池。

　　組合密碼丟失

　　如果丟失了組合密碼，可用緊急鑰匙打開保險箱。

　　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箱打開情況下才可用。順序按下一組按鍵將打開微控制器并設(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器中。　

　　實施

　　早期的電子保險箱設(shè)計方案使用的硬件電路通過計數(shù)器來確定正確的組合密碼。隨后的設(shè)計方案則改用微控制器，因為微控制器和軟件編程具有更高的靈活性。圖3給出了基于微控制器設(shè)計方案的方框圖，它包括一個微控制器和一個電池供電的電動機(jī)。微控制器通過小鍵盤按鍵獲得輸入，并根據(jù)密碼激活電動機(jī)和門鎖機(jī)制，從而實現(xiàn)開鎖。根據(jù)微控制器的狀態(tài)、電池情況以及讀取代碼過程中發(fā)生的各種錯誤，LED顯示燈也會被激活。我們還用光學(xué)對象感應(yīng)器來檢測保險箱門的狀態(tài)。

　　圖3——方框圖

　　機(jī)械構(gòu)造

　　本文介紹的主要是電子保險箱的電子技術(shù)，不過對于良好可靠的保險箱而言最重要的問題還在于它的機(jī)械構(gòu)造。電子印刷電路組件（PCA）隱藏在實鋼結(jié)構(gòu)的身后發(fā)揮作用。如果通過強(qiáng)力借小鍵盤打開前面板，那么保險箱中存儲的東西就沒有安全可言了。比如有人可能會企圖將PCA與小鍵盤分離。因此，PCA應(yīng)隱藏在實鋼結(jié)構(gòu)之后，而小鍵盤則應(yīng)位于箱門上。　

　　功效

　　功耗是電子保險箱的第二大重要因素。我們可用不同的實施方案節(jié)能，比如小鍵盤給定時間沒有輸入則進(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期工作。使用7片段的LED顯示燈是電子保險箱的標(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，可用來打開所有保險箱，就像緊急鑰匙的作用一樣。主組合密碼是一組順序按鍵，可打開特定型號的所有保險箱。應(yīng)當(dāng)盡量避免使用這種主密碼，否則可能為電子保險箱制造商帶來安全隱患。更好的辦法是結(jié)合使用“電子保險箱開鎖”和“設(shè)置/重設(shè)組合密碼”中介紹的步驟。　

　　故障安全固件代碼

　　電子保險箱的代碼不容許出錯，因此必須認(rèn)真審核，并經(jīng)過充分驗證。不過，為了針對所有意外故障做好準(zhǔn)備，固件的設(shè)計應(yīng)確保電子保險箱程序不會鎖死。我們可用監(jiān)視計時器來避免這一問題。如果固件代碼在某個時間點鎖死，監(jiān)視計時器則將重設(shè)電子保險箱上的固件，同時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，避免競爭對手和黑客對固件進(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，這類似于敏感電子器件與電動機(jī)等潛在噪聲源相互靠近的嵌入式系統(tǒng)。硬件不可靠，就會造成重設(shè)，導(dǎo)致保險箱不安全。

　　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能通過內(nèi)部比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行功率檢測。蜂鳴器可用SoC上集成的脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制。

　　檢測保險箱的打開

　　許多使用情境都需要固件檢測出保險箱是否打開。我們用光學(xué)感應(yīng)器來檢測箱門的打開狀況。光學(xué)感應(yīng)器通過微控制器控制，實現(xiàn)檢測功能。

　　用戶操作流程和內(nèi)置自檢測（BIST）

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

　　制造

　　最后要提到的重要一點是，我們要用固件對電子保險箱編程，隨后還要運行制造測試，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，做到這一點也是一大挑戰(zhàn)。為了確保承包制造商不欺詐，我們應(yīng)實施帶認(rèn)證功能的編程模具。制造測試進(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。為了避免這一問題，用戶可設(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。電容感應(yīng)按鈕能感應(yīng)到手指的電容并激活“打開”信號。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，同時提高可靠性。賽普拉斯的PSoC是一款獨特的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，能檢測工具電容，而且能供嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員和工程師免費使用。