CN112446058B - 一种数据安全防护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据安全防护装置，包括储能电池、动作检测模块、供电模块和微处理器；储能电池的电能输出端连接动作检测模块和供电模块；动作检测模块用于在检测到外部触发动作时控制其内部开关闭合，生成销毁信号及触发信号；供电模块在接收到触发信号后将储能电池提供的电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压；微处理器受电后生成供电自锁指令，控制供电模块锁住当前供电状态，确保其在内部开关失效后持续向微处理器供电；根据动作检测模块生成的销毁信号执行本地数据销毁动作；本发明在紧急时刻由电池为微处理器供电执行销毁动作，配合供电模块的自锁功能，解决了关键时刻电池电量不足问题，保证了设备高可靠、超低功耗的安全防护的能力。

Description

一种数据安全防护装置
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，更具体地，涉及一种数据安全防护装置，主要应用于对数据保护有特殊要求的应用场景。
背景技术
在信息安全领域，对数据的保护格外重要，目前设备级的物理安全防护方法众多，例如有使用霍尔传感器进行近距离检测实现防拆功能，也有使用光敏元件实现的防拆机制，也有采用集成度较高的专用防护芯片。这些常用的防护装置一般均使用电池为终端设备中执行数据销毁动作的控制器供电，一旦遇到非法拆卸，设备被拆卸之后控制器无法正常接收到电池提供的电能，将导致销毁过程中止；另外，在长时间的使用过程中电池电量逐渐衰减，如果控制器在执行数据销毁的过程中电池的电量消耗殆尽，同样将导致销毁过程中止；上述情况均会导致控制器无法正常完成数据销毁，致使防护可靠性严重降低；此外，防护装置还存在功耗相对过高，使用年限不足的问题。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种数据安全防护装置。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数据安全防护装置，包括储能电池、动作检测模块、供电模块和微处理器；
所述储能电池的电能输出端连接动作检测模块和供电模块；
所述动作检测模块用于在检测到外部触发动作时控制其内部开关闭合，生成销毁信号以及触发信号；
所述供电模块在接收到所述触发信号后将储能电池提供的电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压，为微处理器供电；
所述微处理器在受电后生成供电自锁指令并发送给供电模块，控制供电模块锁住当前供电状态，确保其在动作检测模块中的所述内部开关失效后持续向微处理器供电；以及，获取动作检测模块生成的所述销毁信号，根据该销毁信号执行本地数据销毁动作。
优选的，上述数据安全防护装置，所述供电模块包括供电自锁电路和升压电路；
所述供电自锁电路的输入端分别连接储能电池的电能输出端、动作检测模块的输出端以及微处理器的输出端，供电自锁电路的输出端连接升压电路；
该供电自锁电路用于接收动作检测模块输出的所述触发信号，根据该触发信号将储能电池提供的电能输送给升压电路，由所述升压电路将所述电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压；
该供电自锁电路还用于获取所述微处理器在受电后生成的供电自锁指令，所述供电自锁指令的作用与触发信号的作用相同，在所述供电自锁指令的触发下持续将储能电池提供的电能输送给升压电路。
优选的，上述数据安全防护装置，所述微处理器在完成本地数据销毁后生成解锁指令并发送给供电模块，使供电模块停止为微处理器供电。
优选的，上述数据安全防护装置，所述动作检测模块包括机械开关和电子开关；
所述机械开关在检测到外部触发动作时闭合，生成销毁信号及触发信号；所述销毁信号被分为两路，一路传输给所述微处理器；另一路经所述电子开关进行隔离后传输给外部处理器。
优选的，上述数据安全防护装置，所述供电自锁电路包括第一电子开关和第二电子开关；
所述第一电子开关的控制端子分别连接动作检测模块的第一输出端和微处理器，第一电子开关的输出端子与第二电子开关的控制端子相连；所述第二电子开关的输入端子连接储能电池的电能输出端，第二电子开关的输出端子连接升压电路；
第一电子开关在动作检测模块输出的触发信号以及微处理器发送的供电自锁指令的作用下导通，将触发信号、供电自锁指令发送给第二电子开关，控制第二电子开关导通；导通后的第二电子开关将储能电池提供的电能输送给升压电路。
优选的，上述数据安全防护装置，所述供电自锁电路还包括具有隔离作用的第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管、第二二极管的负极均连接第一电子开关的控制端子，第一二极管的正极作为供电自锁电路的第一输入端，用于连接动作检测模块的第一输出端；第二二极管的正极作为供电自锁电路的第二输入端，用于连接微处理器。
优选的，上述数据安全防护装置，所述第一电子开关为NPN晶体管，所述第二电子开关为PMOS管。
优选的，上述数据安全防护装置，所述机械开关采用自然状态下处于闭合状态的常闭开关，其与设备盖板接触时处于常开状态，与所述设备盖板分离后闭合。
优选的，上述数据安全防护装置，所述储能电池为一次性不可充电电池。
优选的，上述数据安全防护装置，所述微处理器的内部非易失存储器采用铁电存储器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用供电模块将储能电池输出的随时间变化电量逐渐降低的电池电压转换为微处理器所需的恒定的工作电压，使微处理器的工作不受储能电池电量的影响；微处理器在受电之后生成供电自锁指令给供电模块，供电模块锁住当前供电状态，如此，即便动作检测模块中的内部开关在遭遇强拆后失效，供电模块依然能够持续向微处理器供电，使微处理器正常完成数据销毁动作，提高了防护的可靠性和数据的安全性。
(2)本发明采用一次性不可充电电池，作为设备掉电时的供电源，由于正常情况下不消耗电池电量，只有其静态下的极低漏电流(nA级别)，因此本发明提供的安全防护系统可以达到超低功耗，防护模块使用寿命接近电池的存储寿命。在紧急时刻由电池供电执行销毁动作，配合供电自锁电路、升压电路，解决了关键时刻电池电量不足问题，保证了设备高可靠、超低功耗的安全防护的能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的数据安全防护装置的组成结构示意图；
图2是本发明实施例提供的动作检测模块的电路结构示意图；
图3是本发明实施例提供的供电自锁电路的电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的升压电路的电路结构示意图；
图5是本发明实施例提供的微处理器的电路结构示意图；
图6是本发明实施例提供的微处理器的软件处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1时本实施例提供的一种数据安全防护装置的组成结构示意图，参见图1，该装置包括储能电池、动作检测模块、供电模块和微处理器；
其中，储能电池的电能输出端分别连接动作检测模块和供电模块；
动作检测模块主要用于在检测到外部触发动作时控制其内部开关闭合，生成销毁信号以及触发信号，该销毁信号被传输给微处理器，该触发信号被传输给供电模块；
供电模块在接收到触发信号后将储能电池提供的电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压，为微处理器供电；
微处理器在受电之后，生成供电自锁指令并发送给供电模块，该供电自锁指令用于控制供电模块锁住当前供电状态，确保其在动作检测模块中的内部开关失效后持续向微处理器供电；此外，微处理器还获取动作检测模块生成的销毁信号，根据该销毁信号执行本地数据销毁动作。
本实施例中，采用供电模块将储能电池输出的随时间变化电量逐渐降低的电池电压转换为微处理器所需的恒定的工作电压，使微处理器的工作不受储能电池电量的影响；微处理器在受电之后生成供电自锁指令给供电模块，供电模块锁住当前供电状态，如此，即便动作检测模块中的内部开关在遭遇强拆后失效，供电模块依然能够持续向微处理器供电，使微处理器正常完成数据销毁动作，提高了防护的可靠性和数据的安全性。
本实施例中，储能电池优选采用一次性不可充电电池，作为设备掉电时的供电源，由于正常情况下不消耗电池电量，只有其静态下的漏电流(nA级别)，而设备整个生命周期内被恶意拆卸的机会不多，所以电池的使用寿命与电池本身的存储寿命相当，能达到10年以上时间。如果采用可充电电池，存储时漏电较严重，极可能发生在存储较长时间后电量很低或者电量为0的情况，存在极大的隐患。本实施例中采用的一次性电池，电池规格可灵活多变，根据产品生命周期长短，容量可大可小；根据产品对工作环境要求的不同，电池耐温可高可低。作为一个具体的示例，储能电池采用一次性不可充电电池CR2032，容量为240mAh，作为整个系统能量供给；CR2032电池的年放电率极低，静态下漏电流小于1uA，由于正常情况下电池不耗电，本实施例提供的安全防护系统可以达到超低功耗，防护模块使用寿命接近电池的存储寿命。
请继续参阅图1，作为一个可选的实施例，数据安全防护装置中的供电模块包括供电自锁电路和升压电路；
其中，供电自锁电路的输入端分别连接储能电池的电能输出端、动作检测模块的输出端以及微处理器的输出端，供电自锁电路的输出端连接升压电路；
该供电自锁电路主要用于接收动作检测模块输出的触发信号，在该触发信号的作用下，将储能电池提供的电能输送给升压电路，由升压电路将储能电池提供的电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压；
此外，供电自锁电路还用于获取微处理器在受电后生成的供电自锁指令，供电自锁指令的作用与动作检测模块发出的触发信号的作用相同，供电自锁电路在供电自锁指令的作用下能够持续将储能电池提供的电能输送给升压电路。如此，即便动作检测模块出现故障无法正常生成触发信号，或将触发信号发送给供电自锁电路，供电自锁电路依然能够在微处理器提供的供电自锁指令的作用下持续将储能电池的电能输送给升压电路，由升压电路为微处理器提供稳定的工作电压，确保销毁动作的正常执行。
储能电池随着时间流逝和使用过程中的能量流失，其电压从3.3V开始会逐渐降低。而微处理器所需要的供电电压供电范围有限，根据微处理器型号的不同，供电电压可以为2V～3.3V，或者2.5V～3.3V。本实施例采用升压电路将随着时间变化的电池电量转换成整个系统所需的稳定的3.3V电压，从而最大限度地将电池电量有效利用起来，达到跟降低功耗同样的效果。此外，由于采用稳压设计，保证了系统可靠稳定工作。
在一个优选的示例中，微处理器在完成本地数据销毁后生成解锁指令并发送给供电模块，该解锁指令的作用与供电自锁指令相反，目的是使供电模块停止为微处理器供电，避免造成电能浪费。
作为一个具体的示例，上述动作检测模块包括机械开关和电子开关；
其中，机械开关在检测到外部触发动作时闭合，触发销毁信号以及触发信号的形成；优选的，该机械开关采用自然状态下处于闭合状态的常闭开关，其与设备盖板接触时处于常开状态，一旦遭遇强拆，机械开关与设备盖板分离，由常开状态变为闭合状态。
销毁信号被分为两路，一路传输给微处理器；另一路经电子开关进行隔离后传输给外部处理器(如系统主CPU)。
本实施例采用常闭开关，配合设备结构上的顶针式设计，让设备在整机组装完成后开关处于常开状态，储能电池与整个系统处于断开状态，从而不必消耗电池电量。一旦结构被拆卸，常开开关闭合，储能电池给系统通电，并触发销毁动作，由微处理器接管，进行安全数据的擦除。
由于数据销毁动作需要的时间长短根据微处理器的不同而不同，为了达到可靠稳定工作，不至于被非法侵入方发现常闭开关的特性而进行人为地干预，本方案设计了供电自锁电路，一旦常闭开关有动作发生，立即锁住当前供电状态，保证常闭开关失效后也会继续为微处理器供电，继续执行销毁动作。
本实施例中，供电自锁电路包括第一电子开关和第二电子开关；其中，第一电子开关的控制端子分别连接动作检测模块的第一输出端和微处理器，第一电子开关的输出端子与第二电子开关的控制端子相连；第二电子开关的输入端子连接储能电池的电能输出端，第二电子开关的输出端子连接升压电路；
第一电子开关在动作检测模块输出的触发信号以及微处理器发送的供电自锁指令的作用下导通，将触发信号、供电自锁指令发送给第二电子开关，控制第二电子开关导通；导通后的第二电子开关将储能电池提供的电能输送给升压电路。
在一个优选的示例中，供电自锁电路还包括第一二极管和第二二极管；该第一二极管、第二二极管主要发挥隔离作用，第一二极管、第二二极管的负极均连接第一电子开关的控制端子，第一二极管的正极作为供电自锁电路的第一输入端，用于连接动作检测模块的第一输出端；第二二极管的正极作为供电自锁电路的第二输入端，用于连接微处理器。
图2是本实施例提供的动作检测模块的电路结构示意图，参见图2，该动作检测模块中包括常闭开关J9和电子开关Q13；在工作时，常闭开关J9的输入端连接储能电池，接收储能电池输出的电压VCC_Bat，第一输出端连接电子开关Q13，第二输出端连接供电自锁电路；
常闭开关J9处于自然状态下时处于闭合状态，当处于被按压状态时，开关开路。这样，当设备完成整机装配时，结构上的顶针式设计会让常闭开关J9被按下，处于开路状态。一旦设备外壳遇到非法拆卸，常闭开关J9被弹开，变为常闭状态，储能电池开始供电并触发销毁。具体而言，常闭开关J9闭合之后，生成触发信号VCC_Bat_out和销毁信号Press_Dsetory，触发信号VCC_Bat_out被传输给供电自锁电路，销毁信号Press_Dsetory被传输给微处理器(图5中的引脚3)；另外，销毁信号Press_Dsetory经过电子开关Q13进行隔离和翻转(低电平转换为高电平)后传输给系统主CPU，告知CPU执行数据销毁。
图3是本实施例提供的供电自锁电路的电路结构示意图，参见图3，该供电自锁电路包括第一电子开关Q18和第二电子开关U58；其中，第一电子开关Q18、第二电子开关U58的类型不作具体限制，在一个具体示例中，第一电子开关Q18为NPN型晶体管，第二电子开关U58为PMOS管，两者均工作在饱和区。第一电子开关Q18的基极分别连接动作检测模块的第二输出端、微处理器的输出端，接收动作检测模块输出的触发信号VCC_Bat_out以及微处理器发送的供电自锁指令power_contrl。第一电子开关Q18的发射极接地，集电极连接第二电子开关U58的栅极；第二电子开关U58的源极连接储能电池的电能输出端，接收储能电池输出的电能VCC_Bat，第二电子开关U58的漏极连接升压电路，将电压VCC_Bat_out1输出给升压电路。
供电自锁电路还包括二极管D36、D37，两者主要起到隔离作用。一旦常闭开关J9闭合，VCC_Bat_out有电，第一电子开关Q18饱和导通，控制第二电子开关U58饱和导通，第二电子开关U58将储能电池提供的电能VCC_Bat输出给升压电路，升压电路为微处理器供电后，微处理器开始工作，拉高其power_contrl引脚，输出高电平的power_contrl信号给供电自锁电路的第一电子开关Q18。这时，即便常闭开关J9处于弹开状态、VCC_Bat_out掉电，供电自锁电路正常死锁电压，依然能够输出电压VCC_Bat_out1给升压电路，保证VCC_Bat_out1一直有电，使升压电路为微处理器持续供电。
当微处理器完成本地数据销毁之后，可拉低power_contrl引脚，power_contrl信号由高电平变为低电平，完成系统掉电，进一步节省电量。
图4是本实施例提供的升压电路的电路结构示意图，参见图4，升压电路的主要作用在于将储能电池输出的不稳定电压转换成稳定的3.3V电压，给微处理器及周边元件供电。本实施例中，选用输出电流为mA级别的DC/DC芯片作为升压转换器，DC/DC及周边元件体积也较小，有利于缩小装置体积。
图5是本实施例提供的微处理器的电路结构示意图，参见图5，本实施例中，选用MSP430FR5738 MCU作为微处理器，其优点在于低功耗、内部非易失存储器容量较大，且为铁电存储器。铁电存储器兼有SRAM和Flash的特点，读写迅速、掉电也能保存数据。相对于传统的基于I2C、SPI等接口的存储器，大大节省了销毁时间。保证了数据在ms级的时间内快速销毁。因为为了保证数据销毁的可靠性，一般需要反复擦除、进行全0xff/0x00等写入操作。传统的flash一次操作需要1秒以上的擦除时间，反复擦除若干次会达到数秒时间。这给攻击者的反应时间太长，无法保证数据可靠擦除或者销毁。采用铁电存储器情况下，用户关键数据存储在MCU芯片的内部铁电存储器中。当有销毁事件发生时，数据在毫秒级即可完成多次反复擦除、读写操作，保证了数据保护的高可靠性。同时，由于擦除快速，又从侧面降低电池功耗。
信息安全领域中通常会预先存储一定量关键数据、敏感信息到设备中，为了保证数据安全，一般会存储到类似本申请的“安全防护模块”中。本实施例中，这些关键信息和数据的存储和擦除由MCU完成，MCU预先存储关键数据到内部flash中，执行销毁动作分为带电和不带电两种情况：带电情况下，一旦检测到销毁动作，一方面需要通知跟MCU互连的其他电路单元，如其他CPU，负责其他的告警或者记录日志；另一方面MCU会直接执行销毁动作。不带电情况下，一旦销毁开关闭合，说明有开盖动作，储能电池立即给MCU供电，并触发销毁动作，由MCU执行关键数据销毁和清除。
参见图6，本实施例中，MCU的工作流程分为有电状态下的数据销毁和掉电状态下的数据销毁。有电状态下，MCU由整机电源供电，MCU程序启动时，会立即监控销毁信号，直至销毁动作发生。销毁信号由动作检测模块中的常闭开关发出，MCU还会对该销毁信号进行防抖处理，超过一定时间的、持续性按键动作(对应的销毁信号也会持续一定时长)才被认定为销毁动作(一般为秒级)，以免发生误触碰。一旦识别到有效的销毁信号，马上触发销毁动作，进行内部flash的擦除。掉电状态下，MCU无电源供应，一旦有销毁动作发生，常闭开关闭合，由储能电池为MCU供电，程序启动，MCU开启销毁监控流程，对销毁信号进行防抖处理。当识别到有效的销毁信号即刻触发销毁动作。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，由于本发明所采用的电路或者方案灵活性极高，各个零部件可替代的方案众多，比如可以选用不同规格的不可充电电池，还可以选择不同规格型号的PMOS管、NPN晶体管，还可以选择其他厂家不同型号的MCU、升压芯片等等，因此凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数据安全防护装置，其特征在于，包括储能电池、动作检测模块、供电模块和微处理器；
所述储能电池的电能输出端连接动作检测模块和供电模块；
所述动作检测模块用于在检测到外部触发动作时控制其内部开关闭合，生成销毁信号以及触发信号；
所述供电模块在接收到所述触发信号后将储能电池提供的电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压，为微处理器供电；
所述微处理器在受电后生成供电自锁指令并发送给供电模块，控制供电模块锁住当前供电状态，确保其在动作检测模块中的所述内部开关失效后持续向微处理器供电；以及，获取动作检测模块生成的所述销毁信号，根据该销毁信号执行本地数据销毁动作。
2.如权利要求1所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述供电模块包括供电自锁电路和升压电路；
所述供电自锁电路的输入端分别连接储能电池的电能输出端、动作检测模块的输出端以及微处理器的输出端，供电自锁电路的输出端连接升压电路；
该供电自锁电路用于接收动作检测模块输出的所述触发信号，根据该触发信号将储能电池提供的电能输送给升压电路，由所述升压电路将所述电能转换为微处理器所需的稳定的工作电压；
该供电自锁电路还用于获取所述微处理器在受电后生成的供电自锁指令，在所述供电自锁指令的触发下持续将储能电池提供的电能输送给升压电路。
3.如权利要求1所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述微处理器在完成本地数据销毁后生成解锁指令并发送给供电模块，使供电模块停止为微处理器供电。
4.如权利要求1所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述动作检测模块包括机械开关和电子开关；
所述机械开关在检测到外部触发动作时闭合，生成销毁信号及触发信号；所述销毁信号被分为两路，一路传输给所述微处理器；另一路经所述电子开关进行隔离后传输给外部处理器。
5.如权利要求2所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述供电自锁电路包括第一电子开关和第二电子开关；
所述第一电子开关的控制端子分别连接动作检测模块的第一输出端和微处理器，第一电子开关的输出端子与第二电子开关的控制端子相连；所述第二电子开关的输入端子连接储能电池的电能输出端，第二电子开关的输出端子连接升压电路；
第一电子开关在动作检测模块输出的触发信号以及微处理器发送的供电自锁指令的作用下导通，将触发信号、供电自锁指令发送给第二电子开关，控制第二电子开关导通；导通后的第二电子开关将储能电池提供的电能输送给升压电路。
6.如权利要求5所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述供电自锁电路还包括具有隔离作用的第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管、第二二极管的负极均连接第一电子开关的控制端子，第一二极管的正极作为供电自锁电路的第一输入端，用于连接动作检测模块的第一输出端；第二二极管的正极作为供电自锁电路的第二输入端，用于连接微处理器。
7.如权利要求5所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述第一电子开关为NPN晶体管，所述第二电子开关为PMOS管。
8.如权利要求4所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述机械开关采用自然状态下处于闭合状态的常闭开关，其与设备盖板接触时处于常开状态，与所述设备盖板分离后闭合。
9.如权利要求1所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述储能电池为一次性不可充电电池。
10.如权利要求1所述的数据安全防护装置，其特征在于，所述微处理器的内部非易失存储器采用铁电存储器。
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