CN107422863B - 安全键盘装置及其键盘按键识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种安全键盘装置及其键盘按键识别方法，其包含一键盘以及识别用的电路，键盘包含至少一介面线路与按键。位于第一位置与第二位置的按键将介面线路各别连接至第一与第二不同电容值的电容，上述电路连接至介面线路，且通过感测反应刺激波形而在介面线路上产生的电流，以检测按键是在第一位置或第二位置。

Description

安全键盘装置及其键盘按键识别方法
技术领域
本发明为有关于数据安全，且特别涉及安全键盘装置及其键盘按键识别方法。
背景技术
在各种应用中，人们需要提供机密信息，例如在自动提款机(ATM)中的个人识别码(PIN)，以及在移动式销售时点情报系统(POS)中的使用者ID号码。通常，通过人机介面(man-machine interface)，如键盘，以提供机密信息。键盘及其介面可能容易受攻击，其中未授权方试图辨识出输入的机密信息。以下提供用于防止键盘被攻击的先前技术领域的范例。
美国专利第6,426,710号，其公开内容通过引用并入本文，描述一种安全键盘矩阵扫描方法。该方法运用双向输入/输出埠(例如，X埠和Y埠)，其中X埠和Y埠的各线路可选性的设计为扫描线路或输出线路，以建构X埠和Y埠，使得两埠中的一埠的至少一线路可输出代表虚拟扫描信号的扫描信号同时实际扫描信号自另一埠的另一线路输出。
美国专利申请公开第2011/0152987号，其公开内容通过引用并入本文，描述具有多个键栏、多个电容元件以及量测电子器件的键盘，多个电容元件与键栏相关联。该量测电子器件用以检测电容元件的其中之一的电容值在位于第一电容值范围的非致动层级与在位于第二电容值范围的致动层级的改变，接着输出致动信号。因此，可通过电容值的增加来检测是否有人尝试操作键盘。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种装置包含键盘与电路，键盘包含至少一介面线路与按键。介面线路包含第一介面线路与第二介面线路，第一介面线路连接至一第一电容以及第二介面线路连接至一第二电容，其中按键位于第一位置时，第一介面线路与第二介面线路不相连接，按键位于第二位置时，按键使第一介面线路与第二介面线路相连接，进而将第一电容与第二电容并联连接。上述电路连接至介面线路，且通过感测反应刺激波形而在介面线路上产生的电流，以检测按键是在第一位置或第二位置。
在一实施例中，电路配置以在预定时间内对电流流过的电阻两端的电压进行积分来感测电流。在一实施例中，上述电路包含波形产生器，其配置以产生上述刺激波形。在一实施例中，波形产生器配置用以产生具有比介面线路与第一电容或第二电容的电阻电容(RC)时间常数更长的上升与下降时间的刺激波形。在一实施例中，波形产生器配置以经由串联电阻连接至介面线路，且配置以接收一表示串联电阻两端电压降的反馈信号，以及根据反馈信号调整刺激波形用以补偿电压降。
在一实施例中，当按键的位置在第一位置与第二位置间改变时，施加在上述介面线路的电压不改变。
根据本发明的实施例，另外提供一种方法，其包括通过将键盘的按键分别定位在第一位置与第二位置，将至少一键盘的介面线路连接至第一或第二不同电容值的电容。使用由该介面线路连接至键盘的电路，通过感测反应刺激波形而在介面线路上产生的电流，以检测该按键是在该第一位置或在该第二位置。其中，介面线路包含第一介面线路与第二介面线路，第一介面线路连接至第一电容以及第二介面线路连接至第二电容，其中按键位于第一位置时，第一介面线路与第二介面线路不相连接，按键位于第二位置时，按键使第一介面线路与第二介面线路相连接，进而将第一电容与第二电容并联连接。
附图说明
从以下结合附图的实施例中的详细描述可充分了解本发明：
图1为根据本发明的实施例示意性说明安全键盘系统的方块图。
图2为一图式，其根据本发明的实施例示意性说明矩阵键盘的扫描机制。
附图标号
20：安全键盘系统
22：键盘
23、39：接地点
24：应用特定集成电路
26：线路单元
28：参考插图
30：积分器
32：电压源
34：电阻
36：逻辑电路
40、41、42、43、44：导线
50：图式
52、54、56、58、60、62、64、66、68：脉冲
C1、C2、C3、C4、C5：电容
COL 0、COL 1、COL 2：列线路
ROW 0、ROW 1：行线路
K00、K01、K02、K10、K11、K12：按键
WFC0、WFC1、WFC2、WFR0、WFR1：波形
具体实施方式
概述
键盘用于各种应用中，例如移动式销售时点情报系统(POS)的终端装置或各种计算装置中。键盘可用于输入各种形式的信息，包含机密信息，例如个人识别码(PIN)代码。因此，键盘可能是试图获得这种信息的骇客攻击的目标。
例如，一假想键盘包含一按键矩阵，各按键连接一行线路与一列线路。通过施加脉冲至行线路与监控列线路，以读取键盘。当按压一给定按键，交会在该给定按键的行线路和列线路会相互连接藉此可感测列线路上的脉冲。窃听者可识别脉冲同时出现的行线路和列线路，且推断按下那个按键。此攻击容易启动，例如使用简单的电压计，且难以检测。
描述于此的本发明的实施例提供防止骇客攻击的方法读取键盘的改进技术。在一实施例中，各行线路和列线路经由在一端的各别电容以及在另一端的各别介面线路连接至接地电位。连接至列线路的电容的电容值在本文被称为“列电容值”，且连接至行线路的电容的电容值在本文被称为“行电容值”。列电容值不同于行电容值。当按压一按键时，连接至行线路以及连接至列线路的介面线路皆连接至列与行电容值的总和。
在一实施例中，具有预定波形(例如三角波)的电压脉冲的顺序为通过多个电压源施加至列线路与行线路。在一实施例中，各介面线路连接至各别的电流量测电路，每一电流量测电路包含在脉冲序列的周期内感测和积分电流流经的电阻两端的电压绝对值的积分器。连接至各种行线路和列线路的积分器的输出提供至上述电路，尤其检测按键是否被按压以及被按压的是哪个按键。
本公开技术在防止对于键盘介面线路的攻击非常有效，因为不能通过监视介面线路上的电压识别按下的按键。当使用此技术，攻击者甚至无法确定是否有按键被按，更不用说识别按下了哪个按键。因此，非法地感测流经介面线路的电流是相当困难的。再者，可相对容易发现以检测电流流量发动的攻击，例如在各别电路检测电阻的改变。
系统描述
图1为根据本发明的实施例示意性说明安全键盘系统20的方块图。系统20包含电容式矩阵键盘22以及应用特定集成电路(ASIC)24。
在本范例中，键盘22包含在三列线路(以COL 0、COL 1及COL 2表示)和两行线路(以ROW 0和ROW 1表示)上排列的六个按键的矩阵。通过对应于各别成对的列线路与行线路的两个索引标识来识别各按键。例如，K12是代表位于行线路1与列线路2按下的按键。按键的行和列与经由各别电容各自接地的各别行线路和列线路相关联。例如，列线路0经由电容C1接地以及行线路0经由电容C4接地。行线路和列线路也用作键盘22与ASIC 24之间的介面线路。
列线路0、1以及2经由各别的导线40、41及42连接至ASIC 24，且经由各别的电容C1、C2及C3在它们的另一端接地。行线路0及1经由各别的导线43及44连接至ASIC 24，且经由各别的电容C4及C5在它们的另一端接地。具有标示为C的相同电容值的电容C1、C2及C3实质上相似。在本范例中，具有高于C九倍电容值(即，9C)的电容C4及C5实质上相似。五个电容全部连接至共接地点23的一端点。
在图1的范例中，ASIC 24包含五个实质上相似的线路单元26A～26E。导线40～44各别连接至线路单元26A～26E。在图1的范例中，列线路0～2经由导线40～42各别连接至线路单元26A～26C，且行线路0和1经由导线43和44各别连接至线路单元26D和26E。
附图标记28所示为描述线路单元26的其中之一(例如，线路单元26E)的详细方块图。各线路单元26包含配置以产生刺激信号的电压源32(其连接一接地点39)。各信号包含一或多个刺激脉冲，其如同像图2描述的具有三角波形的电压脉冲。电压源32经由电阻34连接至其各别的列线路或行线路。积分器30与电阻34并联，且其配置以电阻34两端的电压的绝对值随时间进行积分。
在本范例中，电压源32被提供一反馈信号，其指出在电阻34的远端处的电压。使用此反馈信号，电压源32可补偿电阻34两端的电压降。一般而言，电压源32调整其自身的输出电压，使得各别介面线路(线路40～44其中之一)保持实质上相同而不受电阻34两端的电压降影响。
ASIC 24进一步包含逻辑电路36，其接收自线路单元26A～26C的积分器的输出，且配置以根据积分器输出来识别键盘22上被压下的按键。
键盘22中的各按键具有两个位置：压下位置，当使用者按压按键时，以及释放位置，当按键未被碰触时。线路单元26A～26E产生电压脉冲，无论任一按键是否被按压。当所有按键皆未被碰触时，各列线路连接至电容值“C”，且各行线路连接至电容值“9C”。当使用者按压由特定行线路和特定列线路相交的按键，该压下按下的按键连接行线路与列线路，引发其各别电容并联连接。
因此，当按压一按键时，此按键对应的列线路和行线路两者连接以致电容值相等于列电容值和行电容值的总和。例如，当按压按键K10，电容C1(自列线路0)和C5(自行线路1)的组合的电容值为9C+C＝10C。
在两种按键位置之间的不同的电容值造成不同的各别电流流经列线路和行线路的线路单元26的电阻34，且因此导致这些线路单元26的积分器的不同的各别输出。基于这个差异，逻辑电路36能够识别被按下的按键。例如，逻辑电路36可将各积分器30的输出与一阀值(threshold)做比较，阀值设定成当按下按键时积分器的正常输出，以及当未按按键时积分器的正常输出之间的中间点。
呈现于图1中的系统20的组态纯粹为示例描述。在替代性实施例中，可使用任意其他适合的系统组态。例如，图1所示的键盘22的特定组态。在替代性实施例中，该公开技术可加以必要的修改使用于各种其他类型的键盘，如桌上型电脑、笔记型电脑、ATM以及POS的终端装置。更进一步，键盘上按键的数量可从单一按键变化到适合期望应用的任何数量的按键。
系统20的各种元件通常在如图所示的硬件中被执行。然而，一系统元件，例如逻辑电路36也可被执行于软件中。
图2绘示一图式50，其根据本发明的实施例示意性说明矩阵键盘22的扫描方法。图式50呈现五个扫描波形(WFC0～WFC2以及WFR0～WFR1)，其经由线路单元26A～26C的积分器30产生。波形WFC0、WFC1及WFC2各别刺激列线路0、1及2，以及扫描波形WFR0及WFR1各别刺激行线路0及1。在图2的范例中，所有波形为三角形。在其他实施例中，波形可具有任何其他适合的形状。
线路单元26A、26B及26C产生脉冲52、54及56以具有给定频率的交错序列各别刺激列线路0、1及2。为了撷获按下的按键，列线路扫描周期为短于最小预期按键按压的期间。并行地，当上述脉冲刺激行线路时，线路单元26D和26E产生分别用以刺激行线路0和1的脉冲。
换言之，刺激行线路的脉冲伴随着同时对各列线路刺激的脉冲。例如，位于列线路0上的脉冲52与各别位于行线路0及1上的脉冲58及64同时产生。相似地，脉冲54、60及66同时各别产生于列线路1、行线路0及1；脉冲56、62及68同时各别产生于列线路2、行线路0及1。在图式50中所有刺激脉冲的波形实质上相同。
在一实施例中，各线路单元26的积分器30对于其各别行线路或列线路的串联电阻34两端的绝对值电压进行积分。当使用者按下按键时，相对应的行线路和列线路一起短路，同时各电压源32在各列线路和行线路上持续产生实质上相似的波形脉冲。
通常，列线路和行线路不包含可忽略的导线电阻之外的串联电阻。电容的充电/放电期间是由电阻电容(RC)时间常数决定，因此其值也接近于零。结果，列线路和行线路上产生的电压在两个按键位置之间不会改变。因此，感测导线40到44上的电压的窃听者无法识别按下的按键。在一实施例中，一个基本假设为，脉冲的上升与下降时间被设计为显着大于RC时间常数。
另一方面，两个按键位置之间的最终电容值的变化造成通过逻辑电路36辨认的积分器输出的改变。例如，当按压按键K01，由线路单元26B和26D一起看到的最终电容值为每个线路单元26看到的“10C”或“5C”。结果，由线路单元26B看到的最终电容值从“C”(其为按键被压之前电容C2的电容值)改变至5C(其为按键被压之后的最终电容值C2+C5的一半)。相似地，由线路单元26D看到的最终电容值从“9C”改变至“5C”。换言之，通过从线路单元26B接收较高的积分器输出读数(例如，充电“5C”而不是“C”)以及通过从线路单元26D接收较低的积分器输出读数(例如，充电“5C”而不是“9C”)，逻辑电路36可指出按键K01被按下。
逻辑电路36从线路单元26A～26E接收积分器输出且决定使用者是否按下按键，以及按下的是那个按键。在实施例中，逻辑电路36保有预定义阀值，其用于确定针对列线路(对应于电容值“C”)、行线路(对应于电容值“9C”)以及按下的按键(对应于电容值“10C”)获得的各别积分器结果。通过将电流与阀值进行比较，逻辑电路36可决定键盘22上的各按键的状态。
应当理解通过示例的方式引用上述的实施例，且本发明不限于所呈现与叙述于此的特定实施例。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述后想到和先前技术未公开的变化与修改。通过引用并入本申请中的文件被认为是本申请的组成部分，除了在这些并入的文件中以与本说明书中明确或隐含地作出的定义冲突的方式定义的任何术语之外，应考虑本说明书中的定义。

Claims (12)

1.一种安全键盘装置，其特征在于，所述安全键盘装置包含：
一键盘，其包含至少一介面线路与一按键，所述介面线路包含第一介面线路与第二介面线路，所述第一介面线路连接至一第一电容以及所述第二介面线路连接至一第二电容，其中所述按键位于第一位置时，所述第一介面线路与所述第二介面线路不相连接，所述按键位于第二位置时，所述按键使所述第一介面线路与所述第二介面线路相连接，进而将所述第一电容与所述第二电容并联连接，所述第一电容与所述第二电容的电容值不同；以及
一感测电路，其连接至所述介面线路且通过感测反应一刺激波形而在所述介面线路上产生的电流，以检测所述按键是在所述第一位置或所述第二位置。
2.根据权利要求1所述的安全键盘装置，其特征在于，所述感测电路配置以在一预定时间内对电流流过的一电阻两端的电压进行积分来感测所述电流。
3.根据权利要求1所述的安全键盘装置，其特征在于，所述感测电路包含一波形产生器，其配置以产生所述刺激波形。
4.根据权利要求3所述的安全键盘装置，其特征在于，所述波形产生器配置用以产生具有比所述介面线路与所述第一电容或所述第二电容的电阻电容时间常数更长的上升与下降时间的所述刺激波形。
5.根据权利要求3所述的安全键盘装置，其特征在于，所述波形产生器配置以经由一串联电阻连接至所述介面线路，且配置以接收表示所述串联电阻两端电压降的一反馈信号，以及根据所述反馈信号调整所述刺激波形用以补偿所述电压降。
6.根据权利要求1所述的安全键盘装置，其特征在于，当所述按键的位置在所述第一位置与所述第二位置间改变时，施加在所述介面线路的电压不改变。
7.一种键盘按键识别方法，其特征在于，所述键盘按键识别方法包含：
通过将一键盘的一按键分别定位在第一位置与第二位置，将所述键盘的至少一介面线路连接至第一电容或第二电容，所述第一电容与所述第二电容的电容值不同；以及
使用由所述介面线路连接至所述键盘的一感测电路，通过感测反应一刺激波形而在所述介面线路上产生的电流，以检测所述按键是在所述第一位置或在所述第二位置；
其中，所述介面线路包含第一介面线路与第二介面线路，所述第一介面线路连接至所述第一电容以及所述第二介面线路连接至所述第二电容，其中所述按键位于第一位置时，所述第一介面线路与所述第二介面线路不相连接，所述按键位于第二位置时，所述按键使所述第一介面线路与所述第二介面线路相连接，进而将所述第一电容与所述第二电容并联连接。
8.根据权利要求7所述的键盘按键识别方法，其特征在于，感测所述电流包含在一预定的时间内对于电流流经的电阻两端的电压进行积分。
9.根据权利要求7所述的键盘按键识别方法，其特征在于，使用所述感测电路以产生所述刺激波形。
10.根据权利要求9所述的键盘按键识别方法，其特征在于，产生所述刺激波形包含产生具有比所述介面线路与所述第一电容或第二电容的电阻电容时间常数更长的上升与下降时间的所述刺激波形。
11.根据权利要求9所述的键盘按键识别方法，其特征在于，产生所述刺激波形包含通过一串联电阻连接至所述介面线路的一电压源产生所述刺激波形，接收表示所述串联电阻两端电压降的一反馈信号，以及根据所述反馈信号调整所述刺激波形用以补偿所述电压降。
12.根据权利要求7所述的键盘按键识别方法，其特征在于，当所述按键的位置在所述第一位置与所述第二位置间改变时，所述介面线路的电压不改变。
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