CN115878417A - 一种安全芯片的温度监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全芯片的温度监测装置和方法，属于集成电路领域。本发明的装置包括：温度监测单元101、互连总线102和安全处理器103；温度监测单元101用于安全芯片的温度感应和温度数值的生成，该单元将温度物理量转换为数值信号；互连总线102负责温度数值的传输以及温度监测单元101的状态和配置控制信号的传输；安全处理器103是安全芯片的核心计算处理单元，用于温度监测单元101的控制、调度以及特定事件的处理。本发明方法的电路规模小，精度高，适合芯片级的温度监测功能；本发明的装置的接口简单，便于芯片集成实现，温度监测单元即可作为IP集成在芯片内部，也可以作为独立电路模块实现为单芯片方案用于电路系统应用。

Description

一种安全芯片的温度监测装置和方法

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体涉及一种安全芯片的温度监测装置和方法。

背景技术

随着半导体技术、计算机技术以及网络技术的日益发展，移动通信、互联网以及各种便携式设备进入了社会的各个领域，由此引发的信息安全问题逐渐显现出来。作为信息系统基础的安全芯片在保护系统正常工作和数据安全可靠方面发挥着重要的作用，与此同时也出现了对于安全芯片的各种攻击手段，无论是侵入式攻击还是非侵入式攻击，都是通过各种物理手段影响安全芯片的正常工作，从而达到对数据信息进行干扰、监听或破坏的目标。为了对抗这些攻击手段，安全芯片也需要增加工作状态的检测能力，其中温度就是重要的指标之一。

一方面，安全芯片自身的设计与生产工艺决定了芯片能够在一定温度范围内正常工作，如果由于芯片所在具体系统和环境的原因，使得芯片超出了该限定温度条件，可能导致芯片失效甚至损坏，因此有必要对芯片的温度进行监测。

另一方面，为了应对侵入式攻击对芯片的开盖读取信息或是电路结构，安全芯片也会在内部嵌入微型电池进行实时供电，以便长假检测芯片的状态。由于电池的工作范围有限，温度过高或过低都会导致工作异常，出现安全漏洞，因此温度监测也是不可缺少的功能。

针对以上情况，对于安全芯片的温度监测不仅需要实时的读取当前时刻的具体温度，而且在温度超出高温或低温阈值时，具备感知能力并输出报警信号。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种安全芯片的温度监测装置和方法，以解决安全芯片的温度监测问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种安全芯片的温度监测装置，该装置包括温度监测单元(101)、互连总线(102)和安全处理器(103)；

温度监测单元(101)用于安全芯片的温度感应和温度数值的生成，该单元将温度物理量转换为数值信号；互连总线(102)负责温度数值的传输以及温度监测单元(101)的状态和配置控制信号的传输；安全处理器(103)是安全芯片的核心计算处理单元，用于温度监测单元(101)的控制、调度以及特定事件的处理；

温度监测单元(101)包括温度传感器(1011)和配置处理模块(1012)；温度传感器(1011)是温度监测的核心单元，用于生成温度对应的数字码，包括前端温度感应电路(1013)、模数转换电路(1014)和时序控制电路(1015)；配置处理模块(1012)用于生成温度传感器(1011)的时序控制信号，并对温度传感器(1011)生成的数字码进行温度转换计算处理，并将该温度值存入寄存器中；

安全处理器(103)通过互连总线(102)读取温度监测单元(101)的温度寄存器中的数据，传输给相应的温度应用功能单元；同时，安全处理器(103)将当前温度与前期设定的温度阈值进行比较，如果温度高于高温阈值或者低于低温阈值时，表示当前状态出现异常，安全处理器(103)通知安全芯片进行对应处理。

进一步地，前端温度感应电路(1013)包括偏置电路(201)、感温电路(202)以及校正补偿电路(203)；偏置电路(201)由运算放大器、双极晶体管和MOS管构成，用于为感温电路(202)提供固定的偏置电压，使感温电路(202)中晶体管具有恒定的集电极电流；感温电路(202)由电流镜和双极晶体管构成，用于将温度信号转换成模拟量；校正补偿电路(203)用于修正运放存在随机的输入失调电压以及电流镜的在生产工艺引入的失配。

进一步地，模数转换电路(1014)包括粗量化单元(204)、细量化单元(205)、数字滤波模块(206)和合并模块(207)，将温度模拟量转换温度数字码。

进一步地，粗量化单元(204)采用SAR结构，第一个工作周期复位掉电路中的初始电荷，后续若干周期进行内部电平比较，利用移位寄存器输出，作为整数部分，锁存等待细量化结果。

进一步地，细量化单元(205)采用Sigma-delta结构，包括第一级积分器(2051)、第二级积分器(2052)和加法器(2053)，第一级积分器(2051)采样和积分，得到的结果输入第二级积分器(2052)，第二级积分器(2052)进一步采样和积分；两级积分器循环采样和积分，第一级积分器(2051)的结果和第二级积分器(2052)的结果汇总到加法器(2053)中得到细量化结果，作为小数部分。

进一步地，细量化结果作为小数部分经过数字滤波模块(206)进行数字滤波与降采样，而后与粗量化单元(204)的整数部分结果送入合并模块(207)进行合并操作，即得到当前温度对应的最终数字码。

进一步地，时序控制电路(1015)负责控制温度传感器(1011)的时序逻辑，模数转换电路(1014)的数字码生成后，由时序控制电路(1015)生成同步信号锁存该数字码，并且作为标志有效位输出，完成一次温度检测处理。

进一步地，所述配置处理模块(1012)在检测到标志有效位后，对数字码进行采样，并通过如下计算公式，计算得到实际的温度值，并将该温度值存入寄存器中，其中，T为温度值，K为数字码，A、B、C为计算参数。

进一步地，所述温度应用功能单元包括打印输出、日志记录，对应处理包括：发送报警信号、点亮GPIO接口LED指示灯。

本发明还提供一种安全芯片的温度监测方法，该方法包括如下步骤：

S501、安全监测功能及电路复位；

S502、温度感应电路产生温度模拟量；

S503、对温度模拟量进行校正补偿处理；

S504、对温度模拟量进行粗量化处理；

S505、对温度模拟量进行细量化处理，而后完成数字滤波等处理；

S506、对S504和S505的结果进行加权和计算，生成温度数字码；

S507、对温度数字码进行温度转换计算，得到温度值，回到S502开始下一次温度感应处理；

S508、将温度值进行寄存器锁存；

S509、安全处理器通过互连总线读取温度值数据；

S510、对温度值数据进行打印输出；

S511、对温度值数据同步进行阈值监测；

S512、如果大于高温阈值，或者低于低温阈值，则启动报警信号，否则回到S509进行下一次温度值读取。

(三)有益效果

本发明提出一种安全芯片的温度监测装置和方法，本发明的有益效果在于：

本发明方法的电路规模小，精度高，适合芯片级的温度监测功能；

该方法对应装置的接口简单，便于芯片集成实现。

该方法的温度监测单元即可作为IP集成在芯片内部，也可以作为独立电路模块实现为单芯片方案用于电路系统应用。

附图说明

图1为本发明温度监测方法总体框图；

图2为温度感应电路功能框图；

图3为模数转换电路功能框图；

图4为细量化单元框图；

图5为温度监测方法工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明公开了一种用于安全芯片的温度监测方法与装置，能够实现芯片的实时温度检测，同时在温度超出设定阈值范围时上报异常状态信号，有效提升系统的安全性。

第一方面，本发明提供一种温度检测方法，用于实现温度的实时检测和温度值输出。

温度监测功能以温度传感器为基础，利用时序控制电路对电路功能的调度，通过温度感应电路生成温度模拟量，通过模数转换电路将模拟量转换为数字码，数字码经过转换计算处理得到温度数值数据。

第二方面，本发明提供一种用于安全芯片的温度监测装置。

温度监测方法可以实现为芯片电路以集成到安全芯片中，其计算得到的温度数值数据通过安全芯片的互连总线传输到安全处理器中，安全处理器利用该温度数据实现相应的应用处理。

同时，安全处理器根据设定的温度阈值，对温度数据进行比对，当温度数据超出设定阈值范围，安全处理器发出报警信号或点亮LED，以提示异常状态。

第三方面，本发明提供一种用于温度监测和报警的流程，以便于计算机程序实现。

实施例1：

下面给出本发明的具体实例。

基于本发明的温度监测装置用于安全芯片，主要包括温度监测单元(101)、互连总线(102)和安全处理器(103)等主要部分。

温度监测单元(101)用于安全芯片的温度感应和温度数值的生成，该单元将温度物理量转换为数值信号。

互连总线(102)负责温度数值的传输以及温度监测单元(101)的状态和配置等控制信号的传输。

安全处理器(103)是安全芯片的核心计算处理单元，用于温度监测单元(101)的控制、调度以及特定事件的处理。

温度监测单元(101)包括温度传感器(1011)和配置处理模块(1012)。温度传感器(1011)是温度监测的核心单元，用于生成温度对应的数字码，主要包括前端温度感应电路(1013)、模数转换电路(1014)和时序控制电路(1015)。

如图2所示，前端温度感应电路(1013)包括偏置电路(201)、感温电路(202)以及校正补偿电路(203)等三部分。偏置电路(201)由运算放大器、双极晶体管和MOS管构成，作用是为感温电路提供固定的偏置电压，使感温电路(202)中晶体管具有恒定的集电极电流。感温电路(202)由电流镜和双极晶体管构成，作用主要是将温度信号转换成模拟量。校正补偿电路(203)用于修正运放存在随机的输入失调电压以及电流镜的在生产工艺引入的失配。

模数转换电路(1014)包括粗量化单元(204)和细量化单元(205)，将温度模拟量转换温度数字码，功能框图如图3所示。

粗量化单元(204)采用SAR结构，第一个工作周期复位掉电路中的初始电荷，后续若干周期进行内部电平比较，利用移位寄存器输出，作为整数部分，锁存等待细量化结果。

细量化单元(205)采用Sigma-delta结构，如图4所示，采用两级积分器结构，包括第一级积分器(2051)、第二级积分器(2052)和加法器(2053)，第一级积分器(2051)采样和积分，得到的结果输入第二级积分器(2052)，第二级积分器(2052)进一步采样和积分；两级积分器循环采样和积分，第一级积分器(2051)的结果和第二级积分器(2052)的结果汇总到加法器(2053)中得到细量化结果，作为小数部分。

细量化结果作为小数部分经过数字滤波模块(206)进行数字滤波与降采样，而后与粗量化单元(204)的整数部分结果送入合并模块(207)进行合并操作，即得到当前温度对应的最终数字码。

时序控制电路(1015)负责控制温度传感器(1011)的时序逻辑。模数转换电路(1014)的数字码生成后，由时序控制电路(1015)生成同步信号锁存该数字码，并且作为标志有效位输出，完成一次温度检测处理。

配置处理模块(1012)用于生成温度传感器(1011)的时序控制信号，并对数字码进行温度转换计算处理，并将该温度值存入寄存器中。当检测到标志有效位后，配置处理模块(1012)对数字码进行采样，并通过如下计算公式，计算得到实际的温度值，并将该温度值存入寄存器中。其中，T为温度值，K为数字码，A/B/C为计算参数。

安全处理器(103)通过互连总线(102)读取温度监测单元(101)的温度寄存器中的数据，传输给相应的温度应用功能单元，如打印输出或日志记录等。同时，安全处理器(103)将当前温度与前期设定的温度阈值进行比较，如果温度高于高温阈值或者低于低温阈值时，表示当前状态出现异常，安全处理器(103)通知安全芯片进行对应处理，如发送报警信号、点亮GPIO接口LED指示灯等。

温度监测方法的工作流程如图5所示：

S501、安全监测功能及电路复位；

S502、温度感应电路产生温度模拟量；

S503、对温度模拟量进行校正补偿处理；

S504、对温度模拟量进行粗量化处理；

S505、对温度模拟量进行细量化处理，而后完成数字滤波等处理；

S506、对S504和S505的结果进行加权和计算，生成温度数字码；

S507、对温度数字码进行温度转换计算，得到温度值，回到S502开始下一次温度感应处理；

S508、将温度值进行寄存器锁存；

S509、安全处理器通过互连总线读取温度值数据；

S510、对温度值数据进行打印输出；

S511、对温度值数据同步进行阈值监测；

S512、如果大于高温阈值(如：85℃)，或者低于低温阈值(如：-40℃)，则启动报警信号，否则回到S509进行下一次温度值读取。

本发明的有益效果在于：

本发明方法的电路规模小，精度高，适合芯片级的温度监测功能；

该方法对应装置的接口简单，便于芯片集成实现。

该方法的温度监测单元即可作为IP集成在芯片内部，也可以作为独立电路模块实现为单芯片方案用于电路系统应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种安全芯片的温度监测装置，其特征在于，该装置包括温度监测单元(101)、互连总线(102)和安全处理器(103)；

温度监测单元(101)用于安全芯片的温度感应和温度数值的生成，该单元将温度物理量转换为数值信号；互连总线(102)负责温度数值的传输以及温度监测单元(101)的状态和配置控制信号的传输；安全处理器(103)是安全芯片的核心计算处理单元，用于温度监测单元(101)的控制、调度以及特定事件的处理；

温度监测单元(101)包括温度传感器(1011)和配置处理模块(1012)；温度传感器(1011)是温度监测的核心单元，用于生成温度对应的数字码，包括前端温度感应电路(1013)、模数转换电路(1014)和时序控制电路(1015)；配置处理模块(1012)用于生成温度传感器(1011)的时序控制信号，并对温度传感器(1011)生成的数字码进行温度转换计算处理，并将该温度值存入寄存器中；

安全处理器(103)通过互连总线(102)读取温度监测单元(101)的温度寄存器中的数据，传输给相应的温度应用功能单元；同时，安全处理器(103)将当前温度与前期设定的温度阈值进行比较，如果温度高于高温阈值或者低于低温阈值时，表示当前状态出现异常，安全处理器(103)通知安全芯片进行对应处理。

2.如权利要求1所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，前端温度感应电路(1013)包括偏置电路(201)、感温电路(202)以及校正补偿电路(203)；偏置电路(201)由运算放大器、双极晶体管和MOS管构成，用于为感温电路(202)提供固定的偏置电压，使感温电路(202)中晶体管具有恒定的集电极电流；感温电路(202)由电流镜和双极晶体管构成，用于将温度信号转换成模拟量；校正补偿电路(203)用于修正运放存在随机的输入失调电压以及电流镜的在生产工艺引入的失配。

3.如权利要求1所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，模数转换电路(1014)包括粗量化单元(204)、细量化单元(205)、数字滤波模块(206)和合并模块(207)，将温度模拟量转换温度数字码。

4.如权利要求3所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，粗量化单元(204)采用SAR结构，第一个工作周期复位掉电路中的初始电荷，后续若干周期进行内部电平比较，利用移位寄存器输出，作为整数部分，锁存等待细量化结果。

5.如权利要求4所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，细量化单元(205)采用Sigma-delta结构，包括第一级积分器(2051)、第二级积分器(2052)和加法器(2053)，第一级积分器(2051)采样和积分，得到的结果输入第二级积分器(2052)，第二级积分器(2052)进一步采样和积分；两级积分器循环采样和积分，第一级积分器(2051)的结果和第二级积分器(2052)的结果汇总到加法器(2053)中得到细量化结果，作为小数部分。

6.如权利要求5所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，细量化结果作为小数部分经过数字滤波模块(206)进行数字滤波与降采样，而后与粗量化单元(204)的整数部分结果送入合并模块(207)进行合并操作，即得到当前温度对应的最终数字码。

7.如权利要求1-6任一项所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，时序控制电路(1015)负责控制温度传感器(1011)的时序逻辑，模数转换电路(1014)的数字码生成后，由时序控制电路(1015)生成同步信号锁存该数字码，并且作为标志有效位输出，完成一次温度检测处理。

8.如权利要求7所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，所述配置处理模块(1012)在检测到标志有效位后，对数字码进行采样，并通过如下计算公式，计算得到实际的温度值，并将该温度值存入寄存器中，其中，T为温度值，K为数字码，A、B、C为计算参数；

9.如权利要求8所述的安全芯片的温度监测装置，其特征在于，所述温度应用功能单元包括打印输出、日志记录，对应处理包括：发送报警信号、点亮GPIO接口LED指示灯。

10.一种基于权利要求1-9任一项装置的安全芯片的温度监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S501、安全监测功能及电路复位；

S502、温度感应电路产生温度模拟量；

S503、对温度模拟量进行校正补偿处理；

S504、对温度模拟量进行粗量化处理；

S505、对温度模拟量进行细量化处理，而后完成数字滤波等处理；

S506、对S504和S505的结果进行加权和计算，生成温度数字码；

S507、对温度数字码进行温度转换计算，得到温度值，回到S502开始下一次温度感应处理；

S508、将温度值进行寄存器锁存；

S509、安全处理器通过互连总线读取温度值数据；

S510、对温度值数据进行打印输出；

S511、对温度值数据同步进行阈值监测；

S512、如果大于高温阈值，或者低于低温阈值，则启动报警信号，否则回到S509进行下一次温度值读取。

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