CN104569700A - 具有多种接口的设备功耗采集的装置 - Google Patents

Abstract

一种具有多种接口的设备功耗采集装置，包括：若干个与采样放大电路通过采样信号线相连的接口、与采样放大电路的输出端相连的示波器以及通过数据控制线与所述接口相连的微控制器，其中：接口与采样放大电路之间设有继电器或可变电阻，将来自接口的模拟信号输出至采样放大电路，微控制器的个GPIO端口与隔离MOS管的栅极相连，微控制器的GPIO端口控制隔离MOS管导通与关断，该隔离MOS管的漏极和与第地线相连，源极与第二地线相连；本发明在块电路板上(同个设备中)可分别(非同时)采集不同接口设备的功耗变化信息，完全准确地实时记录待测设备的功耗变化，同时本方法无须破坏待测设备本身的物理结构。

Description

具有多种接口的设备功耗采集的装置

技术领域

本发明涉及的是一种电气设备检测领域的技术，是一种具备多种接口可分别与不同接口的待测设备通信、并可以分别精确地采集待测设备工作时的功耗变化信息的装置。

背景技术

在安全技术领域功耗分析已经成为有效的攻击方法，安全加密设备的接口形式也是多样化，比如：智能卡接口、SPI(串行外设)接口，USB(通用串行总线)接口、SCI(串行通信)接口、SDIO(安全数字输入输出)接口等。不同接口形式的设备其功耗的大小不一样，其接口的工作电压和工作电流也不一样，对不同接口设备进行功耗采集时，由于有效信号大小也不一样，所要选择的采样电阻值也不相同。常用的方法是为每个接口提供一套独立的采样电路，主要包括用于通信的接口电路，采样电阻，信号放大电路。为此，很难做到将所有常用的接口设备的功耗采集做到一个设备中。因为会造成功耗采集设备的体积庞大而且成本较高。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102692553A，公开日：20120926，公开了一种可以进行多个通道的电压测量并将连续的测量结果记录在计算机上的数据记录仪产品。该产品使用时与计算机连接，由计算机的串行接口或USB口进行供电，产品采用微处理器进行控制，微处理器控制一个模拟开关组，使各个通道的被测量电压(也可以通过精密电阻分压后)通过模拟开关输入，输入的电压经过A/D转换器进行A/D转换，微处理器获得各通道电压的A/D转换结果，并进行数据处理，然后通过串行接口或USB接口将处理后的数据传送给计算机，在计算机界面上显示并存储。但该技术的缺陷在于：1：对不同的接口，需要不同的接口软硬件设计。2：功耗分析时，不仅仅是简单的对分析设备的接口进行功耗采集，更重要的是要对功耗所有细微变化值进行捕获，要将功耗的细微变化进行准确真实的记录，并将此信号进行不失真的放大。该现有技术是通过微处理器控制模拟开关组选择，再经过A/D转换来获得不同通道的电压值，这技术会因为模拟开关的存在，带来额外干扰信号，不能真实反应待测设备的时实功耗特征。

中国专利文献号CN101615153，公开日20091230，公开了一种USB接口功率测试装置，包括第一和第二USB接口及模拟装置，第一USB接口用于连接待测电路板，第二USB接口用于连接USB设备，模拟装置包括第一稳压器、第一电阻、第二电阻及负载电阻，所述的第一稳压器包括输入端，输出端及调节端，第一USB接口的信号引脚对应连接第二USB接口的信号引脚，第一USB接口的电压端分别连接第二USB接口的电压端及第一稳压器的输入端，第一电阻连接于第一稳压器的输出端与第一稳压器的调节端之间，稳压器的调节端经第二电阻接地，稳压器的输出端经负载电阻接地。所述的USB接口功率测试装置测试准确且方便。但该技术的缺陷在于：1：实时反应USB接口设备在通信过程中的功耗变化。2：会引入其它信号，影响对功耗波形的分析。3：不能测试其它接口设备时实功耗变化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，发明了一种具有多种接口的设备功耗采集的装置，针对在安全技术领域的功耗分析，对待测设备工作时的功耗变化进行实时采集和记录。利用微处理器可以实现分别与智能卡接口设备，SPI接口设备，SCI接口设备和SDIO接口设备进行通信，共用一套信号放大电路，通过可变电阻或者高频继电器，针对不同接口的设备选择不同阻值的采样电阻，即可实现在一块电路板上(同一个设备中)分别采集不同接口设备的功耗变化信息，完全准确地实时记录待测设备的功耗变化。本方法无须破坏待测设备本身的结构，能够降低测试设备的成本，且能够有效的采集和记录不同接口设备的工作时的功耗变化信息。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：设置于一块电路板上的若干个与采样放大电路通过采样信号线相连的接口、与采样放大电路的输出端相连的示波器以及通过数据控制线与所述接口相连的微控制器，其中：接口与采样放大电路之间设有继电器或可变电阻，将来自接口的模拟信号信息输出至采样放大电路，微控制器的一个GPIO端口与隔离MOS管的栅极相连，微控制器的GPIO端口控制隔离MOS管导通与关断，该隔离MOS管的漏极和与第一地线相连，源极与第二地线相连。

所述的接口用于实时采集待测设备工作时的功耗信息，包括但不限于：智能卡接口(7816接口)、SPI(串行外设)接口，USB(通用串行总线)接口、SCI(串行通信)接口和/或SDIO(安全数字输入输出)接口。

所述的待测设备包括但不限于：在安全技术领域的功耗采集与分析设备。

所述的第二地线用于与外接电源连接，其与采样电阻和采样放大电路相连的第一地线和不直接相连，且通过隔离MOS管实现隔离，所述微控制器根据检测类型的不同对隔离MOS管的栅极进行控制，使得隔离MOS管的漏极和源极连通或切断。

本发明涉及上述装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用微控制器硬件引脚连不同的接口，实现微控制器与待测设备通信，并将微控制器与电脑相连。

所述的功耗采集器主要指在安全技术领域中的功耗分析时，一个测试设备可以分别(非同时)对多个接口的待测设备工作时的功耗变化进行实时采集。

步骤二、每个接口各使用一个采样电阻，采样电阻的阻值在0到5Ω之间，通过微控制器控制高频继电器为每个接口选择相应的采样电阻。或者选用一个精密可调电阻，为每个接口通道选择一个合适的电阻值。

所述的采样电阻的阻值很小，在0到5Ω之间。如果为每个接口配置一个单独电阻，则可选用高频继电器，通过微控制器控制继电器选择相应的接口采样电阻；如果选用可调电阻，则用手动调整电阻，为每个电接口选择相应的电阻值。

所述的采样电阻由于阻值要求很小，现在的市场上很难找到阻值如此小的数字可调电位器，所以选用模拟的可调电阻，或者通过高频继电器选择对应的接口采样电阻。

步骤三、电路中采样电阻的接地处理，电路中有两个地线，它们不直接相连，利用MOS管与微控制器(MCU)相互工作，使两个地达到相连和断开的电气效果。

步骤四、各个接口分别通过采样电阻采样，之后信号经过同一套放大电路放大再经同一输出接口输出。

技术效果

与现有技术相比，本发明了在一套系统中通过微控器分别与不同接口的待测设备进行通信，合理的利用(或选择)不同的采样电阻，对不同接口设备进行实时功耗采集；通过同一套放大电路，将采样信号放大并输出。本方法能够有效的降低功耗采集器的生产成本，减小功耗采集器的体积，并且支持多个不同接口设备的功耗时实采集，准确的记录待测设备工作时的功耗变化信息。

附图说明

图1为本发明结构1示意图。

图2为本发明结构2示意图。

图3为本发明实施例1具体应用示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图3所示，本实施例包括：具有多种接口的设备功耗采集装置，包括：设置于一块电路板上的若干个与采样放大电路通过采样信号线相连的接口、与采样放大电路的输出端相连的示波器以及通过数据控制线与所述接口相连的微控制器，其中：接口与采样放大电路之间设有继电器，将来自接口的模拟信号信息输出至采样放大电路，微控制器的一个GPIO端口与隔离MOS管的栅极相连，微控制器的GPIO端口控制隔离MOS管导通与关断，该隔离MOS管的漏极和与第一地线相连，源极与第二地线相连。

所述的接口用于实时采集待测设备工作时的功耗信息，包括但不限于：智能卡接口(7816接口)、SPI(串行外设)接口，USB(通用串行总线)接口、SCI(串行通信)接口和/或SDIO(安全数字输入输出)接口。

所述的待测设备包括但不限于：在安全技术领域的功耗采集与分析设备。

所述的设备功耗采集装置内设有外接电源，该外接电源的外壳与第二地线相连。

所述的采样放大电路的外壳与第一地线相连。

所述的微控制器的的外壳与第二地线相连。

所述的接口的接地端各自通过一个采样电阻与第一地线相连，微控制器分别通过数据线和控制线与继电器相连以选择不同接口的采样放大电路。

所述的继电器为高频继电器，如带宽1GHz以下，接触电阴100mΩ以下，如G6K‐2F0RF。

所述的采样电阻为精密电阻，当所述接口为USB接口时，采样电阻值为0.2～0.8Ω，当所述接口为7816接口时采样电阻为5Ω。

接口与采样放大电路之间也可以不采用继电器而替换为可变电阻，将来自接口的模拟信号信息输出至采样放大电路，该可变电阻的接地端与第一地线相连。这样的优点在于：相对于使用继电器，对原始信号各频段的衰减较少，但市场上如此小值的可变电阻很难购买到，且不易受自动控制，对于本应用，要用手动方式改变电阻值，使用上不方便。

由于不同接口的设备其功耗大小会有很大的差别，而功耗采集器采样模块的放大电路中其增益和偏置范围已经固定，因此对于不同接口的设备如果使用相同的采样电阻可能会导致功耗较大的设备输出信号失真(无论如何调节增益和偏置都会失真)，比如：7816(智能卡)接口设备其采样电阻约5Ω，功耗采集器的放大电路在5Ω的采样电阻下可以保证7816接口的设备的输出功耗信号不失真，而此时如果将设备换为USB接口的设备(比如USBKEY(通用串行总线口令盘))，其功耗要远大于7816接口设备，而采样电阻不变的话就可能会导致功耗采集器输出的功耗信号失真(即将采样增益调节最小，偏置调节最低也有可能会失真)，因此必须减小USBKEY的采样电阻，这样才可以保证放大电路的输出信号不失真。如果功耗采集器上同时集成了7816接口和USB接口，甚至更多接口(SPI、SCI、SDIO等)的设备，必须为每种接口的设备配置不同的采样电阻，并且需要对不同的采样电阻配备相应的选择电路比如继电器或者采用可变电阻。同时，由于本方法主要是采集待测设备的实时功耗变化信息，要真实准确的反应待测设备工作时的功耗变化，不能引入其它的信号，所以对电路的接地处理要求很高。

如图3所示，上述实施例具体包括以下步骤：

1)利用微控制器硬件引脚连不同的接口，本实例主要实现了智能卡接口(7816)接口和USB(USBKEY)接口，实现微控制器与待测设备通信。同时微控制器可以与电脑通信。

2)智能卡(7816)接口的采样电阻使用阻值为5Ω的精密电阻，USB(USBKEY)接口的采样电阻使用阻值为0.3Ω的精密电阻。

3)微控制器控制高频继电器(如：G6K‐2F0RF)，为不同的接口设备选择不同的采样电阻。

4)整个设备的地线分为两个地，第一个地线为外接电源的地线，第二个地线为放大电路的地线，两个地线不直接连接。

5)两个地通过MOS管的漏极、源极相连，微控制器控制MOS管的栅极，当采集智能卡(7816)接口设备的功耗信息时，MOS管的漏极与源极关断，使两个地线隔离；当采集USB(usbkey)接口设备的功耗信息时，MOS管的漏极与源极导通，使两个地相连。

6)系统共用一套信号放大电路。

Claims (9)

1.一种具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征在于，包括：设置于一块电路板上的若干个与采样放大电路通过采样信号线相连的接口、与采样放大电路的输出端相连的示波器以及通过数据控制线与所述接口相连的微控制器，其中：接口与采样放大电路之间设有继电器或可变电阻，将来自接口的模拟信号输出至采样放大电路，微控制器的一个GPIO端口与隔离MOS管的栅极相连，微控制器的GPIO端口控制隔离MOS管导通与关断，该隔离MOS管的漏极和与第一地线相连，源极与第二地线相连；

所述的第二地线用于与外接电源连接，其与采样电阻和采样放大电路相连的第一地线和不直接相连，且通过隔离MOS管实现隔离，所述微控制器根据检测类型的不同对隔离MOS管的栅极进行控制，使得隔离MOS管的漏极和源极连通或切断。

2.根据权利要求1所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，所述的接口用于实时采集待测设备工作时的功耗信息，包括：智能卡接口、SPI接口、USB接口、SCI接口和/或SDIO接口。

3.根据权利要求1所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，所述的设备功耗采集装置内设有外接电源，该外接电源的外壳与第二地线相连；

所述的采样放大电路的外壳与第一地线相连；

所述的微控制器的的外壳与第二地线相连。

4.根据权利要求1所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，当接口与采样放大电路之间为继电器时，所述的接口的接地端各自通过一个采样电阻与第一地线相连，微控制器分别通过数据线和控制线与继电器相连以选择不同接口的采样放大电路。

5.根据权利要求1所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，所述的继电器为高频继电器。

6.根据权利要求1或5所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，所述的继电器的带宽1GHz以下，接触电阴100mΩ以下。

7.根据权利要求1或2所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，所述的采样电阻为精密电阻，当所述接口为USB接口时，采样电阻值为0.2～0.8Ω，当所述接口为7816接口时采样电阻为5Ω。

8.根据权利要求1所述的具有多种接口的设备功耗采集装置，其特征是，当接口与采样放大电路之间为可变电阻时，该可变电阻的接地端与第一地线相连。

9.一种根据上述任一权利要求所述装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用微控制器硬件引脚连不同的接口，实现微控制器与待测设备通信，并将微控制器与电脑相连；

步骤二、通过微控制器控制高频继电器为每个接口选择相应的采样电阻或一个精密可调电阻；

步骤三、电路中采样电阻的接地处理，两个地线不直接相连且利用MOS管与微控制器相互工作，使两个地达到电气相连和断开；

步骤四、各个接口分别通过采样电阻采样，之后信号经过同一套放大电路放大再经同一输出接口输出，实现检测。