基于音频及USB数据传输的金融密匙及其控制方法

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基于音频及USB数据传输的金融密匙及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种音频密匙，具体涉及一种基于音频及USB数据传输的低功耗高性能金融密匙及其控制方法。\n背景技术\n[0002] 伴随着互联网技术的迅速发展，近年来电子商务发展迅猛，那么如何确保交易特别是用户网银的安全性，也就成了人们最关心的问题。目前基于PC的交易主要是用通用串行总线（Universal Serial BUS，USB）密匙（key）来保证。USBKey主要用来存储数字证书，并在USBKey内部进行签名认证，同时USBKey的密钥永远不能导出，这样保证了通信交互的安全性。\n[0003] 但是随着智能手机等移动互联设备的普及，交易不再局限于传统的基于PC的网络交易，因此，就出现了各种基于移动互联终端的安全key，如，苹果key，安全SD卡以及音频key等。这几种key有一个共同的弱点，那就是无论是苹果key还是安全SD卡均有针对性，如苹果key只适合于苹果的产品，安全SD卡则需要移动互联设备有SD（TF）接口。但是我们知道，无论是智能手机还是pad等移动互联设备都有音频接口，因此，通过音频接口进行数据传输的音频key基本上可以兼容绝大部分的智能手机及pad等。\n[0004] 音频key一般都采用锂电池供电，通过标准的3.5mm音频接口与智能手机或pad相连来实现双向的数据传输。通讯时，智能手机的麦克风作为输入通路，耳机作为输出通路。与其他类型的key相比，音频key除了安全性高，携带方便的特点外，兼容性好使其在基于移动互联设备的加解密应用中更具有优势。但是目前的音频key产品大都电路比较复杂，需要用到AD及DA来做安全芯片与智能手机端的数据转换，这就使得key的PCB板变的复杂，导致成本较高，同时功耗也比较高。本发明对于这些问题提出了改进方案，在提升系统性能的同时，PCB板的复杂程度和功耗都得到了有效的降低，使得产品更贴近消费者的需求。\n发明内容\n[0005] 本发明提供一种基于音频及USB数据传输的金融密匙及其控制方法，支持音频接口连接、USB接口连接，可用于手机，平板电脑及计算机端的身份认证及数据加解密，低成本，低功耗。\n[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种基于音频及USB数据传输的金融密匙，其特点是，该密匙包含：\n[0007] 音频接口，其连接外接的音频设备，接收或输出音频信号；\n[0008] USB接口，其连接外接设备，用于对密匙的供电和信号传输；\n[0009] 音频信号转换电路，其连接音频接口，对音频信号进行处理后输出；\n[0010] 安全芯片，其通过音频信号转换电路连接音频接口接收音频信号；并通过USB接口连接至外接设备；\n[0011] 电池，其用于存储电能，并对密匙供电；\n[0012] 电池管理芯片，其连接电池，对电池进行充放电控制；\n[0013] 电源控制单元，其分别电路连接电池管理芯片、音频接口、安全芯片；\n[0014] 当音频接口与USB接口未连接外接设备时，不对密匙的电路系统供电，关闭电源；\n[0015] 当只有USB接口连接外接设备时，通过USB接口对密匙的电路系统供电，同时电池管理芯片控制对电池充电；\n[0016] 当只有音频接口连接外接的音频设备时，电源控制单元通过电池管理芯片控制电池向密匙的电路系统供电。\n[0017] 上述的电源控制单元还电路连接有线性稳压器，并通过该线性稳压器向密匙的电路系统供电。\n[0018] 上述的音频信号转换电路与安全芯片之前通过总线扩展器电路连接。\n[0019] 上述的音频信号转换电路采用阻容网络。\n[0020] 上述的音频信号转换电路包含音频输入电路和音频输出电路；\n[0021] 上述的音频输入电路包含第二电容，第二电容的两端分别连接至安全芯片输入端和音频接口的左声道；第二电容与安全芯片输入端之间电路连接有第三电阻和第四电阻；\n第三电阻接地，第四电阻接电源；\n[0022] 上述的音频输出电路包含串联连接的第二电阻和第一电容；第二电阻连接安全芯片输出端，第一电容连接音频接口的麦克风端；第二电阻和第一电容之间电路连接有第一电阻，该第一电阻接地。\n[0023] 上述的电源控制单元包含：串联连接的第二电感、第五电阻和三极管；第二电感连接音频接口的右声道，第五电阻连接三极管的基极；三极管的发射极连接电池管理芯片，集电极连接密匙的系统电路；第五电阻与三极管的发射极之间电路连接有第六电阻。\n[0024] 上述USB接口连接的外接设备包含：计算机、平板电脑或手机。\n[0025] 上述密匙内部通信以及与外部通信的信号数据采用曼彻斯特编码方式。\n[0026] 一种如上述基于音频及USB数据传输的金融密匙的静态功耗控制方法，其特点是，该方法包含：当音频密匙连接至外接的音频设备时，电源控制单元中的三极管导通，此时电池向系统供电；\n[0027] 当音频密匙不用、不连接音频设备时，连接音频接口的右声道一端为开路，三极管截止，系统不供电。\n[0028] 一种如上述基于音频及USB数据传输的金融密匙的动态功耗控制方法，其特点是，该方法包含：工作中，首先安全芯片将应用中没有用到的模块时钟关闭；\n[0029] 并在每个命令处理完成后，安全芯片进入睡眠模式，当有外部命令时，总线扩展器上的电平变化再次将安全芯片唤醒，安全芯片开始接收并处理下一条外部命令，外部命令完成后安全芯片又进入睡眠模式。\n[0030] 本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙及其控制方法和现有技术的音频密匙相比，其优点在于，本发明中采用简单的阻容网络代替了AD/DA模块，使音频密匙的PCB板面复杂程度降低，可节约30%的成本；\n[0031] 本发明在去掉AD/DA模块的同时，通过命令处理采用静态功耗控制方法和动态功耗控制方法，降低了系统的功耗。\n附图说明\n[0032] 图1为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的结构示意图；\n[0033] 图2为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的音频信号转换电路的电路图；\n[0034] 图3为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的电源控制单元的电路图；\n[0035] 图4为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的密匙内部通信以及与外部通信的信号数据波形图；\n[0036] 图5为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的通讯协议case1图；\n[0037] 图6为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的通讯协议case2图；\n[0038] 图7为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的通讯协议case3图；\n[0039] 图8为本发明基于音频及USB数据传输的金融密匙的通讯协议case4图。\n具体实施方式\n[0040] 以下结合附图进一步说明本发明的具体实施例。\n[0041] 如图1所示，本发明公开一种基于音频及USB数据传输的金融密匙，该金融密匙为一种音频密匙，其包含：音频接口5、USB接口6（通用串行总线，Universal Serial BUS）、音频信号转换电路2、安全芯片1、电池3、电池管理芯片4、电源控制单元和线性稳压器（low dropout regulator，LDO）。\n[0042] 音频接口5包含有左声道端、右声道端和麦克风端，其连接外接的音频设备，通过左声道端和右声道端接收音频信号，并通过麦克风端（Mic）输出音频信号。音频设备可以采用手机等移动互连设备。\n[0043] USB接口6连接外接设备，用于对密匙的供电和信号传输。外接设备可以为计算机PC、平板电脑PAD或手机。\n[0044] 音频信号转换电路2电路连接音频接口5，对经过的音频信号进行处理后输出。本发明中音频信号转换电路2采用简单的阻容网络替代现有技术的AD/DA模块，使移动互连设备的音频口与安全芯片的GPIO口通过简单的阻容网络直接连接。\n[0045] 安全芯片1采用型号为AC3192的安全芯片，其通过总线扩展器（GPIO，General Purpose Input Output，通用输入/输出）电路连接音频信号转换电路2，通过音频信号转换电路2连接音频接口5接收音频信号。该安全芯片1还通过USB接口6连接至外接设备。\n[0046] 电池3采用锂电池，其用于存储电能，并对密匙系统电路的音频信号转换电路2、安全芯片1、音频接口5、USB接口6进行供电。\n[0047] 电池管理芯片4电路连接电池3，用于对电池3进行充放电控制。\n[0048] 电源控制单元分别电路连接电池管理芯片4、音频接口5的右声道、安全芯片1。\n[0049] 线性稳压器与电源控制单元电路连接，电源控制单元通过3.3V的LDO线性稳压器的输入端向密匙的系统电路供电。\n[0050] 当音频接口5与USB接口6未连接外接设备时，不对密匙的电路系统供电，关闭电源。\n[0051] 当只有USB接口6连接外接设备时，通过USB接口6对密匙的电路系统供电，同时电池管理芯片4控制对电池3充电。\n[0052] 当只有音频接口5连接外接的音频设备时，电源控制单元通过电池管理芯片4控制电池3向密匙的电路系统供电。\n[0053] 如图2所示，本实施例中，音频信号转换电路2包含音频输入电路和音频输出电路。\n[0054] 音频输入电路包含第二电容C2，第二电容C2的两端分别连接至A_In端和A_Out端，A_In端连接安全芯片1输入端，M_Out连接音频接口的左声道。第二电容C2与安全芯片输入端之间电路连接有第三电阻R3和第四电阻R4；第三电阻R3接地，第四电阻R4接3.3V的电源VDD。其中，第二电容C2为100nF，第三电阻R3为51kΩ，第四电阻R4为51 kΩ。\n[0055] 音频输出电路包含串联连接的第二电阻R2和第一电容C1；第二电阻R2连接A_Out端，A_Out端连接至安全芯片输出端；第一电容C1连接M_In端，M_In端连接至音频接口5的麦克风端。第二电阻R2和第一电容C1之间电路连接有第一电阻R1，该第一电阻R1接地。其中第一电阻R1和第二电阻R2为51 kΩ，第一电容C1为100nF。\n[0056] 由于GPIO口输出为3.3V VPP，为了避免对移动互联设备的音频输入电路的可能损害，故采用第一电阻R1、第二电阻R2做分压处理，之后再通过电容去掉其中的直流分量后才能进入移动互联设备的音频输入口。\n[0057] 安全芯片1的GPIO口的输入范围是0-3.3V，而移动互联设备的音频输出信号是没有直流分量的，即有正有负，因此如图2中下面所示，通过第三电阻R3，第四电阻R4给移动互联设备的音频输出信号叠加了一个直流分量(1.65V)，以利于安全芯片1处理。安全芯片1的IO口作为输入时，输入高电平的最低值为2.0V，输入低电平时的最高值为0.8V，可通过调节手机的媒体输出音量，使其Vpp大于1V即可使安全芯片1正确识别输入信号。在使用音频密匙时，软件会先记录当前的媒体音量，之后将媒体音量调整至最大，此时则可以完全保证通讯时数据的正常收发，应用结束后软件再将媒体音量恢复的之前的大小即可。\n[0058] 如图3所示，电源控制单元包含：串联连接的第二电感L2、第五电阻R12和三极管Q1。第二电感L2连接AR端，AR端电路连接音频接口5的右声道，第五电阻R12连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接VBat端，该VBat端电路连接电池管理芯片4，通过电池管理芯片4连接并控制电池3。三极管Q1的集电极连接VLDO_IN端，VLDO_IN端通过线性稳压器LDO连接密匙系统电路中的各个模块。第五电阻R12与三极管Q1的发射极之间电路连接有第六电阻R13。其中，第二电感L2为100uH，第五电阻R12为10 kΩ，第六电阻R13为100 kΩ。\n[0059] 当音频密匙未通过音频接口5及USB接口6连接至任何设备时，AR端悬空，此时三极管Q1截止，系统不供电。当音频密匙通过USB接口6连接至计算机PC时，三极管Q1截止，系统的供电由USB接口6提供，此时可以向锂电池3充电.当音频密匙通过音频接口连接至移动互连设备时，三极管Q1导通，系统的电源由锂电池3提供。\n[0060] 由于音频输出端一般都有耦合电容，因此输出应该是连续变化的信号，故本发明中采用uart传输方式，密匙内部通信以及与外部通信的信号数据采用曼彻斯特编码的方式。如图4所示，上半部分分别是’0’和’1’的波形，下半部分是一个字节的波形，图中的波形表示数据0x5A。\n[0061] 音频密匙与移动互联设备的通讯协议：每次数据通讯总是由移动互联设备端发起。音频密匙与移动互联设备通讯时的基本单位为包，每包数据的组成如下，其中LOAD段最大长度为200Bytes：\n[0062] \nHEAD(1 Byte) LEN(1 Byte) LOAD(LEN Bytes)\n[0063] LOAD段的定义参考了通用7816协议，分别定义了case1，case2，case3以及case4等4种通讯方式，其中HEAD字段为数据包头，固定为0xFF或者0x00，这是因为有些手机实际录音结果可能会反相，数据解码时会根据收到的HEAD字段来选择相应的解码方式。LEN字段为数据包中LOAD段的总长度，最大为0xC8。LOAD段为数据包所包含的数据。\n[0064] 命令格式具体为：\n[0065] \nCMD（5字节） XOR（1字节） DATA（n字节） XOR（1字节）\n[0066] CMD字段：\n[0067] \nCLA INS P1P2LC/Le\n[0068] CLA：Class，可具体参考7816相关文档。\n[0069] INS：Instructions，可具体参考7816相关文档。\n[0070] LC（1字节）：发送数据的长度。指命令头后面的DATA的长度，不包含校验码。\n[0071] Le（1字节）：期望返回的数据长度。不包含返回的CRC和状态的长度。\n[0072] XOR：命令头部分异或校验码共1字节。\n[0073] Stuff（2字节）：任意数据。\n[0074] DATA：数据，长度等于LC。\n[0075] XOR：数据部分异或校验码，共1字节。\n[0076] 命令响应的格式为：\n[0077] \nDATA STATUS XOR（1字节）\n[0078] DATA：返回的数据。\n[0079] STATUS：状态字。可具体参考7816相关文档。\n[0080] \nSW1 SW2\n[0081] XOR：数据部分和状态部分异或值，不包括HEAD。\n[0082] 如图5所示，是case1通信方式，该case无数据传输，移动互联设备发送命令（5Bytes），音频key命令处理后返回状态码。\n[0083] 如图6所示，是case2通信方式，该case的过程为：移动互联设备发送命令（5Bytes），音频key命令处理后返回数据和状态码。\n[0084] 如图7所示，是case3通信方式，该case的过程为：移动互联设备将数据和命令发送至音频密匙，音频密匙处理接收到的数据和命令，并返回状态码\n[0085] 如图8所示，是case4通信方式，该case分三部分，分别是起始命令阶段，数据阶段以及结束命令阶段。命令阶段是通过类似case1的一条命令告诉音频密匙后续数据是加密或是解密，用什么算法等，结束阶段则告诉音频密匙该case的数据已经全部处理。与前面的三个case的不同之处在于：首先前面的三个case要么没有数据传输，要么只是单向的数据传输，而case4是双向都有数据传输；其次，前面三个case只有一个收发回合，即由移动互联设备发送命令至安全芯片，安全芯片处理完成后返回状态码，一个case就完成了，而case4则是有多个回合的命令及数据发送和返回数据及状态码。这样的好处在于，对于大批量的数据加解密处理，case4的效率要远高于前面的三个case。\n[0086] 本发明还公开一种基于音频及USB数据传输的金融密匙的静态功耗控制方法，该方法包含：\n[0087] 当音频密匙连接至外接的音频设备（移动互联设备）时，电源控制单元中的三极管Q1导通，此时电池3向系统供电。\n[0088] 当音频密匙不用、不连接音频设备（移动互联设备）时，连接音频接口5的右声道一端为开路，三极管Q1截止，系统不供电。\n[0089] 通过此电路可有效降低系统的静态功耗，延长电池的使用时间。\n[0090] 本发明还公开一种基于音频及USB数据传输的金融密匙的动态功耗控制方法，该方法包含：\n[0091] 密匙工作中，针对不同的应用，首先安全芯片1将应用中没有用到的模块时钟关闭。\n[0092] 并在每个命令处理完成后，安全芯片1进入睡眠模式，当有外部命令时，总线扩展器上的电平变化再次将安全芯片1唤醒，安全芯片1开始接收并处理下一条外部命令，外部命令完成后安全芯片1又进入睡眠模式。\n[0093] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。