摘 要：本文詳細(xì)介紹了一種基于USB總線的隨機(jī)信源設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容包括隨機(jī)信源噪聲的產(chǎn)生與采集、USB控制芯片AN2131SC的特點(diǎn)及其應(yīng)用以及USB驅(qū)動(dòng)、固件和客戶(hù)應(yīng)用軟件的編寫(xiě)等。
關(guān)鍵詞：USB；AN2131SC；固件；AD9281
引言
密碼技術(shù)是信息安全的核心技術(shù)之一，數(shù)據(jù)加密的安全性依賴(lài)于密鑰。密碼學(xué)意義上好的密鑰是指利用隨機(jī)現(xiàn)象產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，再通過(guò)對(duì)其編碼而生成的隨機(jī)序列，它具有等概率、獨(dú)立、平穩(wěn)等特性。隨機(jī)信源產(chǎn)生模擬的電子噪聲，利用ADC將其數(shù)字化，并最終提供真正隨機(jī)的數(shù)字序列，來(lái)產(chǎn)生不同格式的密鑰，從而滿(mǎn)足各種實(shí)際的應(yīng)用需求。因此隨機(jī)信源及其研究是信息安全領(lǐng)域不可或缺的部分。本文介紹了一種基于USB接口的隨機(jī)信源的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)。
硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)包括：信源噪聲產(chǎn)生電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和USB硬件模塊。圖1是該隨機(jī)信源的原理框圖。
信源噪聲產(chǎn)生
信源噪聲產(chǎn)生原理是利用具有雪崩效應(yīng)的齊納二極管產(chǎn)生噪聲，然后再將其經(jīng)寬帶放大器進(jìn)行放大。在具體設(shè)計(jì)中，最好選用10V左右的齊納二極管，此時(shí)按圖2的接法，通過(guò)微調(diào)可調(diào)電阻來(lái)改變流過(guò)齊納二極管的電流值，就能從耦合電容得到較平坦的頻譜�？梢赃m當(dāng)調(diào)整電流值，以尋找噪聲頻譜既平坦、噪聲電平又盡可能高的最佳點(diǎn)。雪崩噪聲的主要成分是散彈噪聲，屬于高斯白噪聲。
由于實(shí)際的寬帶放大器都不具有理想的濾波特性，這種高斯白噪聲通過(guò)寬帶放大電路后，一般就不再是白噪聲了。因此在設(shè)計(jì)寬帶放大器時(shí)，需要增加校正網(wǎng)絡(luò)，使輸出的噪聲在一定的帶寬范圍內(nèi)接近高斯白噪聲。
除了考慮足夠的信號(hào)強(qiáng)度和頻帶寬度外，還要采取增益控制、阻抗匹配、電源去耦、信號(hào)屏蔽等措施，防止電路出現(xiàn)自激振蕩，提高隨機(jī)信源電路的工作穩(wěn)定性。圖3是通過(guò)頻譜分析儀實(shí)測(cè)的信源噪聲的功率譜密度圖，其中3dB噪聲帶寬約為65MHz；等效噪聲帶寬約為200MHz。
A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換就是將寬帶放大器輸出的模擬電子噪聲轉(zhuǎn)化為數(shù)字噪聲的過(guò)程。在噪聲采集電路中，使用了AD9281芯片。該芯片內(nèi)部結(jié)合了兩個(gè)8bit、28MSPS的ADC，兩個(gè)輸入緩沖放大器，一個(gè)內(nèi)部參考電壓，多路復(fù)用數(shù)字輸出緩沖器。采用單電源供電，工作電壓范圍：2.7V~5.5V，功耗低，溫度適用范圍寬。
AD9281有四種信號(hào)輸入方式：?jiǎn)味溯斎敕绞�、差�?dòng)輸入方式、交流耦合輸入方式和變壓器耦合輸入方式。由于輸入信號(hào)是寬帶放大器經(jīng)電容耦合進(jìn)來(lái)的，沒(méi)有直流成分，本方案采用交流耦合輸入方式。
AD9281有五種工作模式：1V模式、2V模式、外部設(shè)置模式、外部參考電壓模式和參考緩沖模式。本方案采用的是外部設(shè)置模式，如圖4所示。使用內(nèi)部參考電壓，通過(guò)外部的電阻分壓來(lái)調(diào)整參考電壓：VREF=1+(Ra/Rb)，其中Ra和Rb分別是可調(diào)電阻兩部分的阻值，這種模式可滿(mǎn)足輸入信號(hào)電壓峰-峰值從0.7V到2.5V的變化范圍，避免了直接調(diào)整信號(hào)幅度所引起的負(fù)面影響。
USB硬件
USB接口控制使用的是Cypress公司的AN2131SC芯片。該芯片是一種全速USB控制器，遵循USB協(xié)議1.1版， 44個(gè)引腳，使用3.3V電源。
在整個(gè)噪聲采集過(guò)程中，AN2131SC的主要作用是：利用其USB內(nèi)核與主機(jī)通信并傳輸數(shù)據(jù)。利用其片上增強(qiáng)型8051作為控制器，使AD9281正常工作。具體工作過(guò)程為：AN2131SC上電復(fù)位后，芯片按照USB規(guī)范應(yīng)答，提供設(shè)備標(biāo)識(shí)，然后再次枚舉，加載對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給8051，8051對(duì)AD9281發(fā)采集指令，進(jìn)行噪聲采集，將所得的噪聲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部FIFO，當(dāng)一定字節(jié)的數(shù)據(jù)采集完后，再將它們通過(guò)USB總線傳至主機(jī)。噪聲采集工作原理可參看圖4。需要說(shuō)明的是，AN2131SC實(shí)際同步傳輸帶寬由8051能在同步端點(diǎn)FIFO內(nèi)、輸入和輸出的數(shù)據(jù)速度來(lái)決定。AN2131SC 8051的時(shí)鐘是24MHz(42ns)，其指令周期需4個(gè)時(shí)鐘：42 ns×4=168ns，將外部一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)移到IN端點(diǎn)FIFO的典型傳送循環(huán)需要9個(gè)指令周期：168ns×9≈1.5ms，環(huán)內(nèi)每ms傳送到IN FIFO的字節(jié)數(shù)為：1ms/1.5ms≈660字節(jié)。如果需要更快的速度，需對(duì)環(huán)內(nèi)循環(huán)代碼展開(kāi)，但這樣會(huì)增加程序代碼的數(shù)量，較好的方法是對(duì)環(huán)內(nèi)循環(huán)代碼作部分展開(kāi)。因?yàn)锳N2131SC同步傳輸帶寬決定AD9281的采樣頻率，根據(jù)以上分析，采樣頻率最好不要超過(guò)660KHz。本文實(shí)際的采樣頻率約為500 KHz。此時(shí)模擬噪聲的帶寬遠(yuǎn)大于實(shí)際的采樣頻率，采樣時(shí)噪聲的頻譜會(huì)產(chǎn)生重疊。由于本文不考慮噪聲的還原，這種影響是可以忽略的。
軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括USB總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備固件程序和主機(jī)應(yīng)用程序三部分。
USB總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
為了節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，本文在設(shè)計(jì)中直接使用了EZ-USB的通用驅(qū)動(dòng)程序(GPD)：ezusb.sys。 EZ-USB GPD支持符合USB1.1規(guī)范的IOCTL。主機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)I/O控制來(lái)訪問(wèn)GPD，即先通過(guò)調(diào)用一個(gè)Win32函數(shù)CreateFile()來(lái)獲得設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄，然后用函數(shù)DeviceIoControl()來(lái)提交I/O控制代碼和相關(guān)的輸入/輸出。
設(shè)備固件程序
設(shè)備固件程序主要為AN2131SC控制器接收和傳送噪聲數(shù)據(jù)提供所有的操作。首先固件代碼要