CN111880766B - 一种无线充电端的真随机数发生器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电端的真随机数发生器，主要解决现有真随机数发生器上电后数据没有随机性，制造成本高，制作工艺复杂的问题。该真随机数发生器包括振荡器电路，用于对振荡器电路输出信号同时进行采样的采样电路和1、0整形并输出串行随机数的线性反馈移动寄存器，以及与采样电路和线性反馈移动寄存器相连用于将串行随机数并行输出的并行输出模块；其中，采样电路和线性反馈移动寄存器接入采样时钟信号。本发明根据无线充电系统的应用特点，利用线圈每次耦合的时候电压不同，结合线性反馈移动寄存器防止经过采样后的数据流变成全1或者全0，从而产生不同的真随机数，电路设计成本低，工艺简单，便于实现。

Description

一种无线充电端的真随机数发生器及其实现方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体地说，是涉及一种无线充电端的真随机数发生器及其实现方法。
背景技术
真随机数生成器的主要用于数据加密领域，随着无线充电技术的发展，无线充电系统中，发射端和接收端之间的数据传输安全性越来越重要了。相应催生了加密及随机数的需求。根据无线充电的系统应用特点，可以利用线圈每次耦合的时候电压不同产生真随机数。这样只需要增加一点点成本即可完成随机数的产生。即线圈的耦合电压为真随机因子。
现实情况下，接收端(如手机)放到发射端(如充电板)上，不可能每次都放在同一个位置上，则根据放置位置，接收端根据产生的耦合电压，用来产生一个不同频率的振荡波，再由振荡波产生一组16bits的随机数。如图1所示，为线圈耦合示意图，当发射端和接收端线圈完全对齐，且中间没有其它传电介质时，耦合电压最大。最高可达5.5V；如图2所示，当发射端和接收端线圈没有完全对齐时，接收端耦合到的电压将比发射端小，如果发射端为5V，则接收端的电压将是一个随机变量。
现有技术中，真随机数产生主要利用芯片内置SRAM上电后初始化数据随机性产生随机数，这种方案的缺点：同一个芯片产生的随机数几乎永远一样；某些工艺的SRAM上电后数据没有随机性。为固定的全0或者全1。还有就是利用热噪声产生随机数，缺点为成本非常大，且需要对应的工艺支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线充电端的真随机数发生器及其实现方法，主要解决现有真随机数发生器上电后数据没有随机性，制造成本高，制作工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无线充电端的真随机数发生器，包括接收无线充电接收端与发射端的线圈耦合信号用于产生32K～2K的时钟输出的振荡器电路，用于对振荡器电路输出信号同时进行采样的采样电路和1、0整形并输出串行随机数的线性反馈移动寄存器，以及与采样电路和线性反馈移动寄存器相连用于将串行随机数并行输出的并行输出模块；其中，采样电路和线性反馈移动寄存器接入采样时钟信号。
进一步地，所述振荡器电路包括一个输入端接入使能信号的与门A1，输入端连接于与门A1输出端的振荡环，连接于振荡环输出端的电解电容C和施密特触发器S1，与施密特触发器S1的输出端相连并依次串联的反相器Inv1、Inv2、Inv3和缓冲器A2；其中，与门A1的另一输入端与反相器Inv3的输出端相连，电解电容C的另一端负极与反相器Inv1的输出端相连；缓冲器A2的输出端作为时钟信号的输出端。
进一步地，所述振荡环包括所有栅极连接到一起作为振荡环输入端的两个PMOS管P1、P2和两个NMOS管N1、N2；其中，PMOS管P1的源极接VCC，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地；PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连作为振荡环输出端。
进一步地，所述线性反馈移动寄存器包括D引脚和Q引脚依次连接的D触发器D1～D7，一个输入引脚与触发器D1的Q引脚相连、另一个输入引脚与触发器D3的Q引脚相连的异或门A3，一个输入引脚与异或门A3的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D5的Q引脚相连的异或门A4，一个输入引脚与异或门A4的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D7的Q引脚相连的异或门A5；其中，D触发器D1～D7的时钟引脚均接入采样时钟信号；异或门A5的输出端作为串行随机数并行输出的输出端。
本发明还提供了一种无线充电端的真随机数产生方法，采用了上述的无线充电端的真随机数发生器，包括如下步骤：
(S1)在无线进行充电时，利用接收端和发射端的每次线圈耦合产生耦合电压VDD；
(S2)将耦合电压VDD引入振荡器电路，利用振荡器电路产生32K～2K的时钟信号输出；
(S3)时钟信号经过采样电路采样及线性反馈移动寄存器1、0的整形后输出串行随机数；
(S4)串行随机数经过并行输出模块后输出并行随机数。
进一步地，在步骤(S2)中，所述振荡器电路中的振荡周期由反相器的驱动能力、电解电容C的大小以及施密特触发器的翻转电压决定。
进一步地，所述反相器的线性驱动电阻为：
其中μ为PMOS管的沟道电阻迁移率，W是PMOS管的沟道宽度，L是PMOS管的沟道长度；VT是PMOS管的阈值电压，VDD为电源电压。
进一步地，所述振荡器电路的振荡周期为：
其中，τ＝Ron·Capacitance；VD为PMOS管的体二极管导通电压；VH，VL为施密特触发器的翻转电压；VDD为电源电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明根据无线充电系统的应用特点，利用线圈每次耦合的时候电压不同，将该电压通过振荡器电路中产生32K～2K的时钟信号输出，再结合线性反馈移动寄存器防止经过采样后的数据流变成全1或者全0，从而产生不同的真随机数，电路设计成本低，工艺简单，便于实现。
附图说明
图1为无线充电系统中发射端和接收端一种耦合是示意图。
图2为无线充电系统中发射端和接收端另一种耦合是示意图。
图3为本发明的整体原理框图。
图4为本发明的振荡器电路原理图。
图5为本发明的线性反馈移动寄存器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图3～5所示，本发明公开的一种无线充电端的真随机数发生器，包括接收无线充电接收端与发射端的线圈耦合信号用于产生32K～2K的时钟输出的振荡器电路，用于对振荡器电路输出信号同时进行采样的采样电路和1、0整形并输出串行随机数的线性反馈移动寄存器，以及与采样电路和线性反馈移动寄存器相连用于将串行随机数并行输出的并行输出模块；其中，采样电路和线性反馈移动寄存器接入采样时钟信号。
在本实施例中，所述振荡器电路包括一个输入端接入使能信号的与门A1，输入端连接于与门A1输出端的振荡环，连接于振荡环输出端的电解电容C和施密特触发器S1，与施密特触发器S1的输出端相连并依次串联的反相器Inv1、Inv2、Inv3和缓冲器A2；其中，与门A1的另一输入端与反相器Inv3的输出端相连，电解电容C的另一端负极与反相器Inv1的输出端相连；缓冲器A2的输出端作为时钟信号的输出端。振荡器电路用于产生32K～2K的时钟输出，同时利用反相器实现负反馈。
在本实施例中，所述振荡环包括所有栅极连接到一起作为振荡环输入端的两个PMOS管P1、P2和两个NMOS管N1、N2；其中，PMOS管P1的源极接VCC，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地；PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连作为振荡环输出端，该部分作为振荡器电路的时钟产生单元。
在本实施例中，所述线性反馈移动寄存器包括D引脚和Q引脚依次连接的D触发器D1～D7，一个输入引脚与触发器D1的Q引脚相连、另一个输入引脚与触发器D3的Q引脚相连的异或门A3，一个输入引脚与异或门A3的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D5的Q引脚相连的异或门A4，一个输入引脚与异或门A4的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D7的Q引脚相连的异或门A5；其中，D触发器D1～D7的时钟引脚均接入采样时钟信号；异或门A5的输出端作为串行随机数并行输出的输出端，该电路的主要作用是防止连续的全0或者连续全1出现。
此外，采样电路及并行输出模块为本领域技术中常规选择电路，本领域技术人员可根据说明书记载的内容选择适当的电路以实现说明书所要达到的效果，其具体电路结构在此不在赘述。
本发明的无线充电端的真随机数发生器的实现方法如下：
(S1)在无线进行充电时，利用接收端和发射端的每次线圈耦合产生耦合电压VDD；
(S2)将耦合电压VDD引入振荡器电路，利用振荡器电路产生32K～2K的时钟信号Ns输出；其中，振荡器电路中的振荡环是一个受PVT(process工艺、voltage电压和temperature温度)影响较大的时钟产生单元。整个振荡环的振荡周期由反相器的驱动能力、电解电容C的大小以及施密特触发器的翻转电压决定。对于驱动能力很弱的反相器而言，其线性区驱动电阻为：
其中μ为PMOS管的沟道电阻迁移率，W是PMOS管的沟道宽度，L是PMOS管的沟道长度；VT是PMOS管的阈值电压，VDD为电源电压。可见Ron随PVT的变化而变化，其中电源电压VDD的影响最大。
对于电解电容C而言，采用的电容由于其介电常数与温度关系小，电压系数偏低，电容大小主要受工艺波动影响。
对于施密特触发器而言，其翻转电压有VH和VL，VH和VL是相对电源电压的一个比例。较佳的设置是VH＝0.6*VDD，VL＝0.4*VDD；迟滞电压VH-VL＝0.2*VDD。
忽略反相器链的延时，最终振荡器的周期可以表示为：
其中，τ＝Ron·Capacitance；VD为PMOS管的体二极管导通电压；VH，VL为施密特触发器的翻转电压；VDD为电源电压。
(S3)时钟信号经过采样电路采样及线性反馈移动寄存器1、0的整形后输出串行随机数Nr；此步骤的主要作用是防止连续的全0或者连续全1出现。
(S4)串行随机数经过并行输出模块后输出并行随机数。
通过上述设计，本发明根据无线充电系统的应用特点，利用线圈每次耦合的时候电压不同，将该电压通过振荡器电路中产生32K～2K的时钟信号输出，再结合线性反馈移动寄存器防止经过采样后的数据流变成全1或者全0，从而产生不同的真随机数，电路设计成本低，工艺简单，便于实现。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，包括接收无线充电接收端与发射端的线圈耦合信号用于产生32K～2K的时钟输出的振荡器电路，用于对振荡器电路输出信号同时进行采样的采样电路和1、0整形并输出串行随机数的线性反馈移动寄存器，以及与采样电路和线性反馈移动寄存器相连用于将串行随机数并行输出的并行输出模块；其中，采样电路和线性反馈移动寄存器接入采样时钟信号；
所述振荡器电路包括一个输入端接入使能信号的与门A1，输入端连接于与门A1输出端的振荡环，连接于振荡环输出端的电解电容C和施密特触发器S1，与施密特触发器S1的输出端相连并依次串联的反相器Inv1、Inv2、Inv3和缓冲器A2；其中，与门A1的另一输入端与反相器Inv3的输出端相连，电解电容C的另一端负极与反相器Inv1的输出端相连；缓冲器A2的输出端作为时钟信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，所述振荡环包括所有栅极连接到一起作为振荡环输入端的两个PMOS管P1、P2和两个NMOS管N1、N2；其中，PMOS管P1的源极接VCC，PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的源极相连，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极相连，NMOS管N2的源极接地；PMOS管P2的漏极与NMOS管N1的漏极相连作为振荡环输出端。
3.根据权利要求2所述的一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，所述线性反馈移动寄存器包括D引脚和Q引脚依次连接的D触发器D1～D7，一个输入引脚与触发器D1的Q引脚相连、另一个输入引脚与触发器D3的Q引脚相连的异或门A3，一个输入引脚与异或门A3的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D5的Q引脚相连的异或门A4，一个输入引脚与异或门A4的输出端相连、另一个输入引脚与触发器D7的Q引脚相连的异或门A5；其中，D触发器D1～D7的时钟引脚均接入采样时钟信号；异或门A5的输出端作为串行随机数并行输出的输出端。
4.一种无线充电端的真随机数产生方法，其特征在于，采用了如权利要求1～3任一项所述一种无线充电端的真随机数发生器，包括如下步骤：
(S1)在无线进行充电时，利用接收端和发射端的每次线圈耦合产生耦合电压VDD；
(S2)将耦合电压VDD引入振荡器电路，利用振荡器电路产生32K～2K的时钟信号输出；
(S3)时钟信号经过采样电路采样及线性反馈移动寄存器1、0的整形后输出串行随机数；
(S4)串行随机数经过并行输出模块后输出并行随机数。
5.根据权利要求4所述的一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，在步骤(S2)中，所述振荡器电路中的振荡周期由反相器的驱动能力、电解电容C的大小以及施密特触发器的翻转电压决定。
6.根据权利要求5所述的一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，所述反相器的线性驱动电阻为：
其中μ为PMOS管的沟道电阻迁移率，W是PMOS管的沟道宽度，L是PMOS管的沟道长度；VT是PMOS管的阈值电压，VDD为电源电压。
7.根据权利要求6所述的一种无线充电端的真随机数发生器，其特征在于，所述振荡器电路的振荡周期为：
其中，τ＝Ron·Capactitance；VD为PMOS管的体二极管导通电压；VH，VL为施密特触发器的翻转电压；VDD为电源电压。
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