专利名称：一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于电子授权控制领域，具体涉及一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片。
背景技术：
通常权限管理分为授权和验证两个步骤。海关转口贸易中，集装箱数量多、流动性大， 其监控管理具有挑战性。传统上采用钥匙、电子密码或者其它身份证明进行监管，手段较为
单一，安全性不高。
2006，26(6)兵工学报高杨《CMG机构优化编码方法》文章(106 U0)中公开了一种抗
干涉齿轮集(CMG: counter-meshing gears)机构的编码方法，该编码方法用于机械密码验证
机构，构思巧妙，保密性高，但其机构加工涉及MEMS(微电子机械系统)加工工艺，而MEMS
工艺对设备的要求极高，这阻碍了其实际应用。
发明内容
为了克服现有的电子授权方法和装置手段较为单一，安全性不高的不足，本发明提供一 种密码位置组合授权方法及其专用芯片。
本发明的一种密码位置组合授权验证方法，包括以下步骤
a) 进行密码授权
通过VHDL程序，按CMG机构编码规则对密码进行编码，再用下载方式将该程序固化成 FPGA逻辑电路；
b) 进行位置授权
通过授权信息装定器装定授权位置信息，包括授权半径和授权中心点坐标；
c) 进行位置验证
由位置获取装置获取实时位置坐标( /，『，//)，实时位置坐标包括经度、维度、高
度;该数值与装定的授权中心点坐标作比较，经计算,得到授权中心与实时位置之间的距离D ， 其计算公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，『，//)为实时中心点坐标，(《/'，『'，为授权中心点坐标； D再与装定的授权半径及作比较；如果将授权边界以外指定为授权位置，则当￡>>/ 时， 判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权边界以内指定为授权位置，则当ZX及时，判
断为专用芯片处于授权范围内； d)进行密码验证
输入密码，根据编码规则进行密码验证，验证通过则输出触发信号。 所述的位置信息获取装置采用GPS接收机，密码输入装置为键盘或其他输入装置。 所述的位置授权采用确定中心点坐标和授权半径i 的方法进行。 所述授权范围包括如下内容
如果将授权边界以外指定为授权位置，则当"〉/ 时，专用芯片处于授权范围内； 如果将授权边界以内指定为授权位置，则当￡></ 时，专用芯片处于授权范围内。 本发明的专用芯片，包括串口通信模块、装定器接口模块、CMG编码模块、控制模块、 位置比较模块，各模块用VHDL语言编程实现并被集成到一片FPGA中，其中
a) 串口通信模块在专用芯片内部与控制模块相连，在专用芯片外部与位置获取装置相 连；通过串口通信模块，可从外部接收位置坐标；
b) 装定器接口模块与CMG编码模块、控制模块、位置比较模块分别相连，通过专用芯片 管脚可与外部装定器相连；通过装定器接口模块，可从外部接收密码序列；
c) CMG编码模块与装定器接口模块、位置比较模块分别相连，通过专用芯片管脚可与外 部执行机构相连；通过CMG编码模块，可进行密码验证；
d) 控制模块与串口通信模块、装定器接口模块、位置比较模块相连，通过专用芯片管脚 可与外部数值显示装置相连；
e) 位置比较模块与装定器接口模块、CMG编码模块、控制模块相连；通过位置比较模块 中的算术逻辑单元，可进行位置信息验证；采用开平方和电路计算授权中心点和实时位置之 间的距离；通过位置比较模块和CMG编码模块的逻辑关联，可进行位置信息和密码的组合验 证。
所述的CMG编码模块，采用状态机组实现CMG编码运算，采用状态机组对该CMG编码的 二维迷宫映射图进行描述；小圆圈对应状态机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为 该状态的编码，弧线为状态转移线，用来描述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了 状态步进顺序；密码"A"是驱动状态机Assembly A步进的敏感信号，密码"B"是驱动状 态机Assembly B步进的敏感信号，当两组状态机步进过程中的当前状态相"与"结果均为 "0000"时，密码验证通过。
本发明根据抗干涉齿轮集机构中的编码方法，确定了机械结构与密码序列的一一映射关
系。再通过在flash工艺FPGA中固化逻辑状态机，来描述CMG机械结构间的逻辑关联，从而 在专用芯片中建立该密码编码，实现密码授权；通过往FPGA内部记忆体中输入并保存目标位 置信息进行位置授权；通过专用芯片外接输入装置，输入序列信号进行密码验证；通过专用 芯片外接位置信息获取装置，输入实时位置信息进行位置验证。两种验证均通过后，在专用 芯片内部产生触发电平，并由引脚输出，指示验证通过。
本发明具有如下特点
1、 专用芯片具有体积小、通用性好，验证速度快。
2、 由于用全电子方式实现了抗干涉此轮集机构的编码方法，使得该专用芯片实现了密码 隐含、保密性高的密码验证功能。
3、 专用芯片在密码验证的基础上加入了位置验证逻辑，一方面实现了位置授权控制功能， 另一方面增加了专用芯片的安全级别。
4、 本发明可用于转口贸易中的集装箱管理。
图1为本发明的总体结构示意框图
图2为图1中的外部装定器2的工作示意框图
图3为图1中的外部显示装置8的工作示意框图
图4为图1中的串口通信模块3的工作示意图
图5为图1中的装定器接口模块4的工作示意图
图6为图1中的控制模块6的工作示意图 -
图7为图1中的位置比较模块7的工作示意图
图8为CMG编码实例二维迷宫映射图
图9为CMG编码实例的状态机组描述
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图l为本发明的总体结构，将串口通信模块3、装定器接口模块4、 CMG编码模块5、控 制模块6、位置比较模块7用硬件描述语言VHDL编程并被集成到一片FPGA9中，其中
控制模块6由数据选通模块15、时钟管理模块16、 FIFO模块17、显示控制模块18组成， 组成密码、位置组合授权-验证专用芯片的主体部分；
装定器接口模块4的一端与控制模块6和CMG编码模块5分别相连，另一端与装定器2
相连，通过装定器接口模块4将装定器的输入数值转换成可识别的编码数值；
CMG编码模块5的一端与装定器接口模块4相连，接收来自装定器2的密码，另一端与
位置比较模块7相连，接收来自位置比较模块7的三态门控制信息；
位置比较模块7的一端与控制模块6相连，另一端与CMG编码模块5相连。 本发明的专用芯片内部功能模块及其外部组件的工作原理如下。
位置获取装置1获取定位坐标，包括经度、纬度、高度。将数据组帧，以串口通信的方
式通过串口通信模块3进入控制模块6中的三个独立FIFO进行保存；
装定器2将授权半径和授权中心点坐标分别输入位置比较模块6和CMG编码模块。 位置比较模块6中的寄存器组分别保存来自控制模块6中的实时位置坐标和装定器2的
授权半径、授权中心点坐标，两种数据在位置比较模块6中的算术逻辑单元内进行运算，从
而得到位置验证结果。位置验证结果用逻辑"1"表示位置验证通过，用逻辑"0"表示位置
验证失败。
验证结果产生的逻辑输出与CMG编码模块5中的三态门相连，用于控制键盘密码序列的 输入，当位置验证结果为逻辑"1"时，三态门导通，密码序列进入CMG编码模块5，否则三 态门呈高阻状态。CMG编码模块中的状态机组映射了 CMG的编码结构。输入的解码序列驱动 状态机，在各状态下产生输出量，并进行与运算，运算通过则密码验证通过。
所述的位置信息获取装置采用GPS接收机采用jupiter 12型0EM板，接收机的20针 脚中第l、 3、 4脚为天线和接收机部分的电源输入脚接+5V直流电源，第ll脚为串行信号输 出脚，第20脚为GPS接收机的时钟输出脚，输出频率为10KHZ。串行信号通过排线，接入串 口接收模块ll。
所述的装定器如图2，采用行列扫描键盘，该键盘按键呈4X5矩形分布，包括数字键"l"、 "2"、 "3、" 4、 "5"、 "6"、 "7"、 "8"、 "9"、 "0""."，功能键"ENTER、 "CANCER"以及密码 开始键"C0DE"、经度开始键"J"、纬度开始键"W"、高度开始键"H"、半径误差开始键"R"、 密码键"A"、 "B"。键盘中的各键实际上就是一个个机械开关，该幵关位于行线和列线的交点 处，当键被按下时，其交点的行线和列线接通，相应行线或列线上的电平发生变化，从而确 定被按下的功能键。键盘通过PCB板上的布线与键盘接口模块4的d0-d3输入端相连。
所述的显示装置如图3，采用7段带小数点数码管。Dl-D9、 A、 B与控制模块6中显示控 制模块18相连，其中D1-D9分别显示经度、纬度、高度数值，A、 B分别显示密码序列。
所述的串口通信模块3如图4所示，由波特率发生模块10、串口接收模块ll组成；波
特率发生模块10的clkin端与控制模块6的elk—uart端相连，波特率发生模块10的波特率 输出端bd一out与串口接收模块的波特率输入端rxd_bd相连，串口接收模块11的rxd端通过 串口线与GPS接收模块1的txd端相连，串口接收模块11的数据输出端data_0-data一7与控 制模块6的dataj)-data一7输入端相连。
所述的装定器接口模块4如图5所示，由键盘扫描模块12、键盘消抖模块13、键盘译码 模块14组成；键盘扫描模块12的clkin端与控制模块6的elk—key端相连，键盘消抖模块 13的clkin端与控制模块6的clk—jitter相连。键盘消抖模块13的keyout—0-keyout一2与 控制模块的keyin—0-keyin—2相连。
所述的控制模块6如图6所示，由时钟管理模块15、 FIFO模块16、取数据模块17、显 示控制模块18组成。FIFO模块16由3个相互独立FIFO (first in first out)构成，一 个容量为11X4bit的FIF0模块用于存储误差半径， 一个容量为11X4bit的FIF0模块用于 存储中心点经度参数， 一个容量为llX4bit的FIF0模块用于存储中心点纬度参数， 一个容 量为11X4bit的FIFO模块用于存储中心点高度参数；显示控制模块由11个数码管控制模块 组成，其中9个模块控制经纬度数值显示，2个模块控制密码序列显示。FIF0缓存模块17的 数据输出端q0-q7与显示控制模块18的数据输入端in0-in7相连，FIFO缓存模块17为256 个字节。
所述的位置比较模块如图7所示，由坐标比较模块19、状态判别模块20组成。在坐标 比较模块19中，授权中心点坐标存放在一块3X10bit的ROM中(ROM编程配置在FPGA9内 部)，授权半径i '存放在状态判别模块20中一块1X10bit的寄存器中。坐标比较模块的数 据输入端d0-d7与装定器接口模块的数据输出端cd—dout0-cd—dout7相连；在状态判别模块 20中，输入端d0-d9与坐标比较模块的输出端d0-d9相连；状态判别模块20的逻辑输出端 1_0与CMG编码模块的逻辑输入端1_1相连。
在坐标比较模块19中的计算过程如下
z>= V(j - / ')2 + (『_『')2 + (// _ ')2
其中，( /， w， //)为实时中心点坐标，( /'，『'，//')为授权中心点坐标。￡>为实 时中心点与授权中心点之间的距离。
在状态判别模块20中，d与授权半径/H乍比较，根据比较结果产生逻辑输出。如果将授
权边界以外指定为授权位置，则当1)>/ 时，判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权
边界以内指定为授权位置，则当￡><及时，判断为专用芯片处于授权范围内。图8是一个CMG编码实例的二维迷宫映射图，"迷宫"是由"墙"和"路"构成的。该图 反映了CMG机构的逻辑实质，即只有图中AND运算结果为"全0"的节点，才是"路"，将这 样的节点命名为"路节点(route node)";反之，命名为"墙节点(wall node)"。迷宫中的每 个节点。显然，若将X径向的路节点取值为"A"，将Y径向的路节点取值为"B"，则该二维 迷宫可导出唯一的解码路径"ABBBBAAABAAABBAABBBABAAB"。
CMG编码模块5中，采用了状态机组对该二维迷宫映射图进行了描述。图9是一个描述 该编码的状态机组实例。图中，Assembly A、 Assembly B是两个相互独立的状态机，小圆圈 对应状态机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为该状态的编码，弧线为状态转移线， 用来描述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了状态步进顺序。密码序列由符号"A"、 "B"组成，"A"是驱动状态机Assembly A步进的敏感信号，"B"是驱动状态机Assembly B 步进的敏感信号，当两组状态机步进过程中的当前状态相"与"结果均为"0000"时，密码 序列验证通过。因此，该组状态机及其运算映射了一个唯一的密码 "ABBBBAAABAAABBAABBBABAAB"。
CMG编码模块5的三态门控制端tri一l与状态判别模块20的输出端tri J)相连；输出端 直接连接到FPGA的输出管脚上，该管脚用于指示最终的组合授权是否通过。
本发明将多个数据接口模块、数据存储模块、显示控制模块、算术逻辑单元集成在FPGA9 中，使其成为专用控制专用芯片。由于FPGA9可在线编程，可与上位机进行通信，因此可根 据实际使用情况更改授权范围和授权密码，使专用芯片的安全性进一步提高。
权利要求
1. 一种密码位置组合授权验证方法，所述的方法包括以下步骤a)进行密码授权通过VHDL程序，按CMG机构编码规则对密码进行编码，再用下载方式将该程序固化成FPGA逻辑电路；b)进行位置授权通过授权信息装定器装定授权位置信息，包括授权半径和授权中心点坐标；c)进行位置验证由位置获取装置获取实时位置坐标(J，W，H)，实时位置坐标包括经度、维度、高度；该数值与装定的授权中心点坐标作比较，经计算，得到授权中心与实时位置之间的距离D，其计算公式如下其中，(J，W，H)为实时中心点坐标，(J′，W′，H′)为授权中心点坐标；D再与装定的授权半径R作比较；如果将授权边界以外指定为授权位置，则当D>R时，判断为专用芯片处于授权范围内；如果将授权边界以内指定为授权位置，则当D<R时，判断为专用芯片处于授权范围内；d)进行密码验证输入密码，根据编码规则进行密码验证，验证通过则输出触发信号。
2. 根据权利要求1所述的一种密码位置组合授权验证方法，其特征在于所述的位置信息获 取装置采用GPS接收机，密码输入装置为键盘或其他输入装置。
3. 根据权利要求1所述的密码位置组合授权验证方法，其特征在于所述的位置授权采用确 定中心点坐标和授权半径i 的方法进行。
4. 根据权利要求1所述的密码位置组合授权验证方法，其特征在于所述授权范围包括如下 内容如果将授权边界以外指定为授权位置，则当￡>>及时，专用芯片处于授权范围内； 如果将授权边界以内指定为授权位置，则当/)</ 时，专用芯片处于授权范围内。
5. 用于权利要求1所述的一种密码位置组合授权验证方法的专用芯片，其特征在于所述的 专用芯片包括串口通信模块3、装定器接口模块4、 CMG编码模块5、控制模块6、位置比较 模块7，各模块用VHDL语言编程实现并被集成到一片FPGA9中，其中a)串口通信模块3在专用芯片内部与控制模块6相连，在专用芯片外部与位置获取装置 相连；通过串口通信模块3，可从外部接收位置坐标；b) 装定器接口模块4与CMG编码模块5、控制模块6、位置比较模块7分别相连，通过 专用芯片管脚可与外部装定器相连；通过装定器接口模块4，可从外部接收密码序列；c) CMG编码模块5与装定器接口模块4、位置比较模块7分别相连，通过专用芯片管脚 可与外部执行机构相连；通过CMG编码模块5，可进行密码验证；d) 控制模块6与串口通信模块3、装定器接口模块4、位置比较模块7相连，通过专用 芯片管脚可与外部数值显示装置相连；e) 位置比较模块7与装定器接口模块4、 CMG编码模块5、控制模块6相连；通过位置 比较模块7中的算术逻辑单元，可进行位置信息验证；采用开平方和电路计算授权中心点和 实时位置之间的距离；通过位置比较模块7和CMG编码模块5的逻辑关联，可进行位置信息 和密码的组合验证。
6.根据权利要求5所述的专用芯片，其特征在于所述的CMG编码模块5，采用状态机组实 现CMG编码运算，采用状态机组对该CMG编码的二维迷宫映射图进行描述；小圆圈对应状态 机的某个确定状态，圈内4bit长的二进制字串为该状态的编码，弧线为状态转移线，用来描 述状态步进后的状态转移，弧线上的数字描述了状态步进顺序；密码"A"是驱动状态机 Assembly A步进的敏感信号，密码"B"是驱动状态机Assembly B步进的敏感信号，当两 组状态机步进过程中的当前状态相"与"结果均为"0000"时，密码验证通过。
全文摘要
本发明提供了一种密码位置组合授权验证方法及其专用芯片。本发明按照CMG机构编码规则对密码进行编码，再用逻辑电路实现该组编码以实现密码授权；通过装定授权中心坐标和授权半径进行位置授权；通过算术逻辑单元的开平方和运算和减法运算进行位置验证；位置验证通过后导通三态门，使状态机组激励信号通过，启动状态机运算，进行密码验证。密码验证通过则由专用芯片引脚产生触发信号，标识组合验证通过。本发明适用于电子授权技术领域。
文档编号G06F17/50GK101382963SQ20071005095
公开日2009年3月11日 申请日期2008年3月22日 优先权日2008年3月22日
发明者蔡林飞, 赵兴海, 杨 高 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所