CN110286878A - Mcu随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器及产生方法，包括MCU、电桥模块和放大器，所述MCU包括应用模块、随机数生成模块和ADC模块；电源VCC通过开关SW分别连接电桥模块和放大器，电桥模块的输出端与放大器相连，放大器的输出端连接ADC模块，ADC模块与随机数生成器相连，随机数生成器连接应用模块。本发明将电桥的输出经过放大器，然后由ADC对其输出进行转换，真随机数位数的大小能够通过应用模块控制，其工作模式相当灵活，能够满足通信系统的各种应用场景，以及需要各种随机数位宽的加密算法。

Description

MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器及产生方法

技术领域

本发明涉及一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器及产生方法。

背景技术

近年来，随着通信技术的不断发展，特别是如今马上进入5G时代，通信速率越来越高，通信质量越来越好，这些以前人们普遍关注的问题现在已经变得越来越不被人们重视了。现在，人们已经转移了其关注的重点，他们不再着重关注通信系统的通信速度或者通信质量，他们现在关注的重点是通信信息安全与否。别是在如今信息时代，信息的安全与否直接影响到国家、企业以及个人的利益，因为，21世纪是信息的时代，在各个领域的竞争中，谁掌握了信息，谁就掌握了在竞争中的主动权。

为了保障通信质量，通信系统的发射端，在发射数据之前必须要将通信数据进行加密，然后接收端对接收到的加密数据进行解密。如果在通信的过程中不先对传输的数据进行加密，那么数据很容易被非法接收者监听，很容易泄露发射端的秘密；并且这种未经加密的数据很也很容易被非法篡改，非法用户将篡改后的数据再发射出去，让接收者接收到错误的信息，或者让接收者执行不应该执行的命令，这会造成很大的安全隐患。如果发射端在数据被发射之前，对数据进行加密，接收者通过相同的方式来进行解密，非法用户就很难识别这种加密后的数据，并且就更加不能篡改信息，这种把要发射的数据加密后再传输的方式比不加密直接发射原始数据相对安全的多。

目前，加密算法可以分为对称加密和非对称加密，其中对称加密算法的加密与解密密钥相同，非对称加密算法的加密密钥与解密密钥不同，此外，很多加密算法都需要散列算法来产生一些重要的参数。在加密算法中，特别是在对称加密算法中，如果对同样的数据用同一个秘钥加密，那么得到加密后的数据肯定是一样的，这样也容易被非法用户破解。因此，现在加密算法中，适当添加随机数和待加密的数据一起被加密，那么即使加密同样的数据，但加密后的数据也完全不一样，能够提高通信的安全性。如果这种随机数是伪随机数，也一样是不够安全的，伪随机数也是有规律可言的，因此在通信的时候也较易被破解。在数字处理器中，也有使用传感器电路产生真随机数，但大部分是使用电路稳态的电压值，电压只会在电路有噪声的情况才会产生变化，这种变化很小，需要分辨率很高的ADC来转换，输出才会有变化，并且输出变化也很小，而且这种方案对ADC的分辨率要求很高，价格也就相对会增加，并且处理中也很难集成这种高分辨率的ADC。因此，急需一种专门用于处理器产生真随机数的解决方案。

现有的真随机数产生器，大部分人都致力于研究采用FPGA来实现，并且绝大部分的研究者都采用奇数个反相器构成振荡电路，这个振荡电路能够产生频率很高的时钟，并且不稳定，因此采用一个低频时钟来采集这种不稳定的高频时钟能够得到较随机的真随机数。在这个振荡电路中反相器越多产生的时钟越不稳定，但是反相器越多，产生的时钟频率就越低，这就会影响采集数据的随机性。也有部分研究者研究在单片机、DSP和ARM产生真随机数，但是在这些处理器中却不能使用像FPGA芯片里面使用的这种振荡电路，因为，MCU(微处理器)这种处理器都是专用芯片，只能采用软件编程的方式进行数据处理，这种方式只能产生伪随机数，然而伪随机数是很容易被破解的，因此需要采用外部电路和这些MCU联合产生真随机数。目前也有采用单片机的ADC(模数转换器)采集纯电阻分压电路的电压值来产生真随机数。

现有技术的缺点是：单独的真随机数产生器芯片，首先需要购买专用的芯片，价格昂贵，并且受制于人。FPGA全数字真随机数价格更贵，并且在不需要FPGA的应用场景，且必须由单片机，DSP，ARM来实现的场景，就需要适合这些MCU的真随机数产生方案；单片机使用编程的方式实现伪随机数发生器的方案很多，但是容易被破解，不适合安全信息要求比较高的场合。目前也有采用单片机ADC转换纯电阻分压电路的电压来实现真随机数的电路结构，但是这种纯电阻结构输出电压变化范围很小，如果电路噪声较小，那么分压后得到的电压值变化就不大，并且如果ADC的精度不够高，采集到的电压值可能变化很小或者不变化，因此得到的随机数的随机性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将电桥的输出经过放大器，然后由ADC对其输出进行转换，工作模式灵活，能够满足通信系统各种应用场景的MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器及产生方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，包括MCU、电桥模块和放大器，所述MCU包括应用模块、随机数生成模块和ADC模块；电源VCC通过开关SW分别连接电桥模块和放大器，电桥模块的输出端与放大器相连，放大器的输出端连接ADC模块，ADC模块与随机数生成器相连，随机数生成器连接应用模块；

所述应用模块，用于提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

所述随机数生成模块，用于在应用模块的控制下控制ADC模块将模拟电压转换为数字信号，从而产生真随机数。

进一步地，所述电桥模块采用惠斯通电桥，包括电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R2、R3、R4首尾相连，组成方形电路；其中，方形电路相对的一组顶点分别与开关SW和接地端相连；另一组相对的顶点分别连接放大器的两个输入端。

进一步地，所述电阻R1、R2、R3、R4中，任意一个电阻采用滑动变阻器，其余三个电阻采用普通电阻。

进一步地，所述放大器的输出端通过电容C接地。

本发明还提供一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生方法，包括以下步骤：

S1、应用模块提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

S2、计算ADC模块需要转换的次数N，开启电桥和放大器的供电开关SW；

S3、ADC模块开始转换放大器的输出电压，并根据随机数级别由ADC的采样值生成随机数；

S4、将ADC转换次数N减1，判断N是否为0，如果是则将生成的真随机数发送给应用模块，并且关闭开关SW；否则ADC模块进行随机延迟，然后返回步骤S3，直到N为0为止；

S5、将所有的真随机数拼接在一起，发给应用模块。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的使用ADC转换熵源动态变化过程的机制，变化过程可以是连续上升，也可以是连续下降，并且转换间隔时随机的；本发明将电桥的输出经过放大器，然后由ADC对其输出进行转换，在ADC转换的过程中，转换间隔是随机的，并且随机方式是可以控制的。真随机数位数的大小能够通过应用模块控制，其工作模式相当灵活，能够满足通信系统的各种应用场景，以及需要各种随机数位宽的加密算法。

2、在当今的通信系统，为了通信数据安全可靠，都需要将数据进行加密，而固定的加密算法很容易被截获和破解，因此在加密算法中添加随机数是必须的方式，如果加入的随机数是伪随机数，也很容易被破解，因此加入真随机数将大大提高加密算法的破解难度，提高通信系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器结构示意图；

图2为本发明的MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明采用一个通用的电路(不需要使用专门的真随机数发生器芯片)，实现高性价比的真随机数发生器。本发明通过一种带ADC的元器件(可以是单片机，ARM，DSP，FPGA等所有内嵌ADC的器件，当然也可以外加ADC专门的芯片，只是不推荐使用外部专门ADC芯片，会增加成本，增大设备面积)，该发明可以通过很少的外围电路，配合芯片内部ADC模块产生真随机数。这种随机数不可复制，能够用在加密算法和防碰撞算法等应用中。该方案产生的随机数接近真随机数特性，因此能够极大的增加加密算法的安全性，防止加密数据被破解；也能够用于防碰撞系统中，可以有效减小由伪随机数产生的防碰撞参数带来的碰撞问题。由于在将来的物联网终端节点中，大部分都需要有传感器的功能，这些带传感器功能的终端节点，也几乎都会有ADC模块，因此，在这内应用中，不需要额外的ADC，就能够产生真随机数，能够极大的减小系统的开销和减小产品的面积。

如图1所示，本发明的一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，其中主要的控制部分在MCU内部通过应用模块和随机数生成模块实现，外部的电桥和放大器电路提供熵源。单片机中的ADC用来转换放大器输出的模拟电压；单片机中的随机数生成模块，在应用模块的控制下控制ADC转换模拟电压为数字信号，从而产生真随机数。具体包括MCU、电桥模块和放大器，所述MCU包括应用模块、随机数生成模块和ADC模块；电源VCC通过开关SW分别连接电桥模块和放大器，电桥模块的输出端与放大器相连，放大器的输出端连接ADC模块，ADC模块与随机数生成器相连，随机数生成器连接应用模块；

所述应用模块，用于提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

所述随机数生成模块，用于在应用模块的控制下控制ADC模块将模拟电压转换为数字信号，从而产生真随机数。

进一步地，所述电桥模块采用惠斯通电桥，包括电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R2、R3、R4首尾相连，组成方形电路；其中，方形电路相对的一组顶点分别与开关SW和接地端相连；另一组相对的顶点分别连接放大器的两个输入端。所述电阻R1、R2、R3、R4中，任意一个电阻采用滑动变阻器，其余三个电阻采用普通电阻，可以选择R1、R2、R3、R4中的任意一个用滑动变阻器来代替普通电阻，这样可以调整电桥到平衡位置。

电桥输出经过放大倍数很大的放大器AMP，放大器可以放大电桥电路带来的噪声，导致输出变化很大，这样ADC采集到的数据就变化大，但是需要注意一点，不能让放大器饱和，这就需要平衡放大倍数和电桥输出电压，为了使放大器输出电压随机性增高，可以调整电桥输出A端电压比B端电压稍大一点，可以是10mV左右，这样使得放大器正常工作，并且放大器放大倍数可以达到100倍；如果电桥输出A端电压比B端电压稍大很多，比如100mV，那么放大器只能放大10-20倍就会饱和(具体多少倍由电源电压决定)，这就使得放大器输出一直趋于电源电压，这就导致放大器输出趋于稳定，输出电压变化量就很小。

进一步地，所述放大器的输出端通过电容C接地。电容C用来给放大器输出起缓冲作用，以确保MCU打开SW后，放大器输出有一个上升时间，能保证ADC进行多次转换后，放大器输出还是在上升，这样ADC输出的后几位变化都很大(这些位都能够用来生成真随机数)，可以减少ADC转换次数。如果ADC转换的是纯电阻分压后的电压值(不是才电压上升过程)，该电压变化完全依赖电路的噪声，而且如果电路噪声小(电路噪声大可能影响系统其他模块的性能)，电压变化就很小，那么ADC每次转换该电压后，其输出的数字数据可能只有最后1-2位有变化，或者可能也只有最后一位偶尔有变化，这样产生的随机数的随机性不高，并且如果应用模块需要32位的随机数，就需要ADC转换32次(取每次的最低位组成一个32位的真随机数)，这样随机数产生模块的效率就很低。如果ADC精度不够高，ADC可能分辨不出输入电压有变化，那么ADC输出的数字数据可能不会有变化，这样的电路产生的随机性数就不能够使用。

随机数生成模块开始工作后，首先配置ADC的工作模式，然后打开SW，随后开始连续转换放大器输出的电压值，连续转换的次数可以使用应用模块控制。由于刚刚打开开关，电桥输出极其不平衡，并且噪声很大，因此也会给放大器输出带来不确定性。打开开关后ADC就开始转换放大器输出电压值，这时候由于电容C的原因，放大器输出要给C充电，因此放大器输出达到稳定需要一个过程，这个电容C的大小可以由ADC的采样率和应用模块一起来选择，选择的依据是应用模块需要多长的随机数位流(ADC可能需要多次采集)，保证ADC最后一次转换结束前C不会被充满。这样转换放大器输出电压值的时候，放大器输出是持续上升的状态，如果放大器输出不是上升状态，而是已经稳定了，那么ADC采集到的数据可能不会变化，或者变化很小，只有最后1-2位在变化。因此ADC连续转换多次，可以得到多个随机数，这些随机数的值是逐渐增大的，因为放大器输出电压是一种处于上升模式。

在数字芯片中，使用ADC来转换模拟输入电压来产生数字输出的方式是一种很成熟的方法，这在传感器应用领域非常普遍，大都是采用ADC转换模拟信号为数字信号，然后给处理器做后续处理，但是采用ADC产生真随机数的方案比较少，因此本发明提出一种全新的方案，采用软硬件结合的方式，使用ADC转换输入连续变化的模拟电压来产生真随机数，并且ADC转换间隔随机(进一步提高随机数发生器的随机性)。目前大部分处理器都内嵌有ADC模块，因此不需要额外增加ADC芯片，这样可以节省很大一笔开销，也能够减小由于添加外部ADC而带来的设备面积增大的弊端，由于ADC都有一个固定的分辨率，大部分内嵌的ADC模块分辨率都小于16bits，如果应用模块需要大于ADC输出位数的随机数就需要进行多次转换。如果使用一次ADC转换结果的所有位，那么ADC每次转换输出的高几位变化概率很小，因此，为了提高真随机数的随机性，只能采用ADC输出的后几位。最后将转换后的数据拼接在一起，再发给应用模块去使用。

如图2所示，本发明还提供了一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生方法，包括以下步骤：

S1、应用模块提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

S2、(随机数生成模块)计算ADC模块需要转换的次数N，开启电桥和放大器的供电开关SW；

S3、ADC模块开始转换放大器的输出电压，并根据随机数级别由ADC的采样值生成随机数；

本步骤中生成随机数主要有两种情况：一是由于ADC的输出是有限的，一般8-16bits，但是应用模块可能需要32bits或者64bits等更高的位数，因此ADC采用的值只能是随机数的一部分；二是由于ADC输出的数据高位随机性不强(如果ADC是12bits的，如果输入变化不大，则ADC采样后的值可能高4位几乎不变)，因此需要考虑只选用ADC低几位的bits来作为随机数的一部分(到底是低几位，由随机数级别确定，如果随机数级别最高，则只取最后一位，最后一位随机数最高)。

S4、将ADC转换次数N减1，判断N是否为0，如果是则将生成的真随机数发送给应用模块，并且关闭开关SW；否则ADC模块进行随机延迟，然后返回步骤S3，直到N为0为止；这个随机延迟可以使用上一次ADC转换的后几位来确定(ADC后几位随机性强，因此可以达到随机间隔的目的)，也可以采用一个固定的延迟值，具体由用户自行定义。如果每次的转换由ADC转换的数据来确定，则可以提高转换电压值的随机性。延迟完成后，ADC继续转换输入的电压，转换结束后继续将N减1，并根据随机数级别提取ADC输出的数据和上一次输出的数据拼接在一起；然后继续判断N是否为0，确定ADC是否进行下一次转换，直到N为0为止，最后将拼接在一起的真随机数，发给应用模块。

S5、将所有的真随机数拼接在一起，发给应用模块。拼接在一起的真随机数：拼接方法也是随机的，可以不固定，比如应用模块要32bits，随机数级别是0(只要ADC最低的一位)，那么ADC需要采集32次，每次取最后一位，把这32位放在一起组成32bits的随机数。假设第一次采集到的最后一位是1，第二次是0，第三次是1，第四次是1，第五次是1，那么可以这样拼接：….11101，把第一采集到的放在32位随机数的最后一位，最后一次采集到的放到最高位，也可以反。只要每次采集随机数都是随机的，那么无论怎么拼接，结果也是随机的。

由于应用程序需要的随机数位数可能大于ADC的分辨率，因此需要多次采集，这里的随机数级别可以由用户定义，随机数级别可以通过一个任意的数来确定，如果是4bits的数，其值从0-15分别代表提取ADC最低有效位的第0到第15位为随机数的一部分。例如，如果随机数位数是32，随机数级别是3，那么，需要ADC采集8次，每次取ADC采集的第0到第3位(最低有效位的4位)作为随机数的一部分，然后将8次随机数拼接在一起发送给应用模块。

本发明技术方案是电桥输出经过放大倍数很大的放大器，然后由ADC对其输出进行转换，在ADC转换的过程中，转换间隔是随机的，并且随机方式是可以控制的。真随机数位数的大小也能通过应用模块控制，其工作模式相当灵活，能够满足通信系统的各种应用场景，以及需要各种随机数位宽的加密算法。在当今的通信系统，为了通信数据安全可靠，都需要将数据进行加密，而固定的加密算法很容易被截获和破解，因此在加密算法中添加随机数是必须的方式，如果加入的随机数是伪随机数，也很容易被破解，因此加入真随机数将大大提高加密算法的破解难度，提高通信系统的安全性。真随机数也能够用在多标签防碰撞的应用中，因为在防碰撞算法中，如果标签接收到读写器发出的盘存命令后，标签延迟响应不是随机的，就会导致某些标签一直被盘存，而也有另外一些标签盘存不到，因此在用数字芯片实现的防碰撞系统中，高效的产生真随机数的方法将非常重要。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，其特征在于，包括MCU、电桥模块和放大器，所述MCU包括应用模块、随机数生成模块和ADC模块；电源VCC通过开关SW分别连接电桥模块和放大器，电桥模块的输出端与放大器相连，放大器的输出端连接ADC模块，ADC模块与随机数生成器相连，随机数生成器连接应用模块；

所述应用模块，用于提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

所述随机数生成模块，用于在应用模块的控制下控制ADC模块将模拟电压转换为数字信号，从而产生真随机数。

2.根据权利要求1所述的一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，其特征在于，所述电桥模块采用惠斯通电桥，包括电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R2、R3、R4首尾相连，组成方形电路；其中，方形电路相对的一组顶点分别与开关SW和接地端相连；另一组相对的顶点分别连接放大器的两个输入端。

3.根据权利要求2所述的一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，其特征在于，所述电阻R1、R2、R3、R4中，任意一个电阻采用滑动变阻器，其余三个电阻采用普通电阻。

4.根据权利要求1所述的一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生器，其特征在于，所述放大器的输出端通过电容C接地。

5.一种MCU随机间隔转换电桥电压的真随机数产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、应用模块提供随机数位数和真随机数级别给随机数生成模块，并且使能随机数生成模块；

S2、计算ADC模块需要转换的次数N，开启电桥和放大器的供电开关SW；

S3、ADC模块开始转换放大器的输出电压，并根据随机数级别由ADC的采样值生成随机数；

S4、将ADC转换次数N减1，判断N是否为0，如果是则将生成的真随机数发送给应用模块，并且关闭开关SW；否则ADC模块进行随机延迟，然后返回步骤S3，直到N为0为止；

S5、将所有的真随机数拼接在一起，发给应用模块。