TWI604340B

TWI604340B - 安全鍵盤裝置及其鍵盤按鍵識別方法

Info

Publication number: TWI604340B
Application number: TW106102649A
Authority: TW
Inventors: 亞隆摩西
Original assignee: 新唐科技股份有限公司
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2017-11-01
Also published as: TW201809975A; US9698777B1; CN107422863B; CN107422863A

Description

安全鍵盤裝置及其鍵盤按鍵識別方法

本發明係有關於數據安全，且特別涉及鍵盤之安全讀出的方法與系統。

在各種應用中，人們需要提供機密資訊，例如在自動提款機(ATM)中的個人識別碼(PIN)，以及在移動式銷售時點情報系統(POS)中的使用者ID號碼。通常，透過人機介面(man-machine interface)，如鍵盤，以提供機密訊息。鍵盤及其介面可能容易受攻擊，其中未授權方試圖辨識出輸入的機密訊息。以下提供用於防止鍵盤被攻擊的先前技術領域之範例。

美國專利第6,426,710號，其公開內容通過引用併入本文，描述一種安全鍵盤矩陣掃描方法。該方法運用雙向輸入/輸出埠(例如，X埠和Y埠)，其中X埠和Y埠之各線路可選性的設計為掃描線路或輸出線路，以建構X埠和Y埠，使得兩埠中之一埠之至少一線路可輸出代表虛擬掃描訊號之掃描訊號同時實際掃描訊號係自另一埠之另一線路輸出。

美國專利申請公開第2011/0152987號，其公開內容通過引用併入本文，描述具有複數個鍵欄、複數個電容元件以及量測電子器件之鍵盤，複數個電容元件係與鍵欄相關聯。該量測電子器件係用以偵測電容元件之其中之一之電容值在位於第一電容值範圍之非致動層級與在位於第二電容值範圍之致動層級之改變，接著輸出致動訊號。因此，可透過電容值之增加來偵測是否有人嘗試操作鍵盤。

根據本發明之實施例，提通一種裝置包含鍵盤與電路，鍵盤包含至少一介面線路與按鍵。位於第一與第二位置的按鍵係將介面線路各別連接至第一與第二不同電容值的電容。上述電路係連接至介面線路，且藉由感測反應刺激波形而在介面線路上產生的電流，以偵測按鍵是在第一位置或第二位置。

在一實施例中，電路係配置以在預定時間內對電流流過的電阻兩端的電壓進行積分來感測電流。在一實施例中，上述電路包含波形產生器，其係配置以產生上述刺激波形。在一實施例中，波形產生器係配置用以產生具有比介面線路與第一或第二電容的電阻電容(RC)時間常數更長的上升與下降時間之刺激波形。在一實施例中，波形產生器係配置以經由串聯電阻連接至介面線路，且係配置以接收一表示串聯電阻兩端電壓降的反饋訊號，以及根據反饋訊號調整刺激波形用以補償電壓降。

在例示性實施例中，上述介面線路包含矩陣，其包含在該按鍵相交的第一與第二介面線路，其中在第一位置，第一介面線路係連接至第一電容以及第二介面線路係連接至第二電容；在第二位置，按鍵將第一與第二電容並聯連接到第一與第二介面線路。在一實施例中，當按鍵之位置在第一與第二位置間改變時，施加在上述介面線路之電壓不改變。

根據本發明之實施例，另外提供一種方法，其包括通過將鍵盤之按鍵分別定位在第一與第二位置，將至少一鍵盤之介面線路連接至第一或第二不同電容值的電容。使用由該介面線路連接至鍵盤之電路，藉由感測反應刺激波形而在介面線路上產生的電流，以偵測該按鍵是在該第一位置或在該第二位置。

概述

鍵盤用於各種應用中，例如移動式銷售時點情報系統(POS)之終端裝置或各種計算裝置中。鍵盤可用於輸入各種形式的資訊，包含機密資訊，例如個人識別碼(PIN)代碼。因此，鍵盤可能是試圖獲得這種訊息的駭客攻擊的目標。

例如，一假想鍵盤包含一按鍵矩陣，各按鍵連接一行線路與一列線路。藉由施加脈衝至行線路與監控列線路，以讀取鍵盤。當按壓一給定按鍵，交會在該給定按鍵之行線路和列線路會相互連接藉此可感測列線路上的脈衝。竊聽者可識別脈衝同時出現的行線路和列線路，且推斷按下那個按鍵。此攻擊容易啟動，例如使用簡單的電壓計，且難以偵測。

描述於此的本發明之實施例提供防止駭客攻擊之方法讀取鍵盤的改進技術。在一實施例中，各行線路和列線路係經由在一端之各別電容以及在另一端之各別介面線路連接至接地電位。連接至列線路之電容的電容值在本文被稱為「列電容值」，且連接至行線路之電容的電容值在本文被稱為「行電容值」。列電容值不同於行電容值。當按壓一按鍵時，連接至行線路以及連接至列線路之介面線路皆連接至列與行電容值之總和。

在一實施例中，具有預定波形(例如三角波)的電壓脈衝之順序係藉由多個電壓源施加至列線路與行線路。在一實施例中，各介面線路係連接至各別的電流量測電路，每一電流量測電路包含在脈衝序列的週期內感測和積分電流流經的電阻兩端之電壓絕對值之積分器。連接至各種行線路和列線路的積分器之輸出係提供至上述電路，尤其偵測按鍵是否被按壓以及被按壓的是哪個按鍵。

本公開技術在防止對於鍵盤介面線路的攻擊非常有效，因為不能透過監視介面線路上的電壓識別按下的按鍵。當使用此技術，攻擊者甚至無法確定是否有按鍵被按，更不用說識別按下了哪個按鍵。因此，非法地感測流經介面線路的電流是相當困難的。再者，可相對容易發現以偵測電流流量發動的攻擊，例如在各別電路偵測電阻的改變。

系統描述

第1圖為根據本發明之實施例示意性說明安全鍵盤系統20之方塊圖。系統20包含電容式矩陣鍵盤22以及應用特定積體電路(ASIC)24。

在本範例中，鍵盤22包含在三行線路(以COL 0、COL 1及COL 2表示)和兩列線路(以ROW 0和ROW 1表示)上排列之六個按鍵的矩陣。藉由對應於各別成對的列線路與行線路之兩個索引標識來識別各按鍵。例如，K12是代表位於列線路1與行線路2按下的按鍵。按鍵的行和列與經由各別電容各自接地的各別行線路和列線路相關聯。例如，行線路0經由電容C1接地以及列線路0經由電容C4接地。行線路和列線路也用作鍵盤22與ASIC 24之間的介面線路。

行線路0、1以及2係經由各別的導線40、41及42連接至ASIC 24，且經由各別的電容C1、C2及C3在它們的另一端接地。列線路0及1係經由各別的導線43及44連接至ASIC 24，且經由各別的電容C4及C5在它們的另一端接地。具有標示為C的相同電容值之電容C1、C2及C3實質上相似。在本範例中，具有高於C九倍電容值(即，9C)之電容C4及C5實質上相似。五個電容係全部連接至共接地點23之一端點。

在第1圖之範例中，ASIC 24包含五個實質上相似的線路單元26A~26E。導線40~44各別連接至線路單元26A~26E。在第1圖之範例中，行線路0~2係經由導線40~42各別連接至線路單元26A~26C，且列線路0和1係經由導線43和44各別連接至線路單元26D和26E。

請續參考插圖28，其描述線路單元26的其中之一(例如，線路單元26E)之詳細方塊圖。各線路單元26包含配置以產生刺激訊號的電壓源32(其連接一接地點39)。各訊號包含一或多個刺激脈衝，其如同像第2圖描述之具有三角波形之電壓脈衝。電壓源32係經由電阻34連接至其各別的列線路或行線路。積分器30與電阻34並聯，且其係配置以電阻34兩端之電壓的絕對值隨時間進行積分。

在本範例中，電壓源32被提供一反饋訊號，其指出在電阻34之遠端處的電壓。使用此反饋訊號，電壓源32可補償電阻34兩端之電壓降。一般而言，電壓源32調整其自身的輸出電壓，使得各別介面線路(線路40~44其中之一)保持實質上相同而不受電阻34兩端之電壓降影響。

ASIC 24進一步包含邏輯電路36，其接收自線路單元26A~26C之積分器之輸出，且係配置以根據積分器輸出來識別鍵盤22上被壓下的按鍵。

鍵盤22中之各按鍵具有兩個位置：壓下位置，當使用者按壓按鍵時，以及釋放位置，當按鍵未被碰觸時。線路單元26A~26E產生電壓脈衝，無論任一按鍵是否被按壓。當所有按鍵皆未被碰觸時，各行線路連接至電容值「C」，且各列線路連接至電容值「9C」。當使用者按壓由特定行線路和特定列線路相交之按鍵，該壓下按下的按鍵連接行線路與列線路，引發其各別電容並聯連接。

因此，當按壓一按鍵時，此按鍵對應的列線路和行線路兩者係連接以致電容值相等於列電容值和行電容值之總和。例如，當按壓按鍵K10，電容C1(自行線路0)和C5(自列線路1)之組合的電容值為9C+C=10C。

在兩種按鍵位置之間之不同的電容值造成不同的各別電流流經列線路和行線路之線路單元26之電阻34，且因此導致這些線路單元26之積分器之不同的各別輸出。基於這個差異，邏輯電路36能夠識別被按下的按鍵。例如，邏輯電路36可將各積分器30之輸出與一閥值(threshold)做比較，閥值係設定成當按下按鍵時積分器之正常輸出，以及當未按按鍵時積分器之正常輸出之間的中間點。

呈現於第1圖中的系統20之組態係純粹為示例描述。在替代性實施例中，可使用任意其他適合的系統組態。例如，第1圖所示之鍵盤22之特定組態。在替代性實施例中，該公開技術可加以必要的修改使用於各種其他類型的鍵盤，如桌上型電腦、筆記型電腦、ATM以及POS的終端裝置。更進一步，鍵盤上按鍵的數量可從單一按鍵變化到適合期望應用的任何數量的按鍵。

系統20之各種元件通常在如圖所示的硬體中被執行。然而，一系統元件，例如邏輯電路36也可被執行於軟體中。

第2圖繪示一圖式50，其根據本發明之實施例示意性說明矩陣鍵盤22之掃描方法。圖式50呈現五個掃描波形(WFC0~WFC2以及WFR0~WFR1)，其經由線路單元26A~26C之積分器30產生。波形WFC0、WFC1及WFC2各別刺激行線路0、1及2，以及掃描波形WFR0及WFR1各別刺激列線路0及1。在第2圖之範例中，所有波形為三角形。在其他實施例中，波形可具有任何其他適合的形狀。

線路單元26A、26B及26C產生脈衝52、54及56以具有給定頻率的交錯序列各別刺激行線路0、1及2。為了擷獲按下的按鍵，行線路掃描週期為短於最小預期按鍵按壓之期間。並行地，當上述脈衝刺激行線路時，線路單元26D和26E產生分別用以刺激列線路0和1的脈衝。

換言之，刺激行線路的脈衝係伴隨著同時對各列線路刺激的脈衝。例如，位於行線路0上的脈衝52與各別位於列線路0及1上的脈衝58及64同時產生。相似地，脈衝54、60及66係同時各別產生於行線路1、列線路0及1；脈衝56、62及68係同時各別產生於行線路2、列線路0及1。在圖式50中所有刺激脈衝的波形實質上相同。

在一實施例中，各線路單元26之積分器30對於其各別行線路或列線路之串聯電阻34兩端之絕對值電壓進行積分。當使用者按下按鍵時，相對應的行線路和列線路一起短路，同時各電壓源32在各列線路和行線路上持續產生實質上相似的波形脈衝。

通常，列線路和行線路不包含可忽略的導線電阻之外的串聯電阻。電容的充電/放電期間是由電阻電容(RC)時間常數決定，因此其值也接近於零。結果，列線路和行線路上產生的電壓在兩個按鍵位置之間不會改變。因此，感測導線40到44上之電壓的竊聽者無法識別按下的按鍵。在一實施例中，一個基本假設為，脈衝之上升與下降時間被設計為顯著大於RC時間常數。

另一方面，兩個按鍵位置之間的最終電容值之變化造成藉由邏輯電路36辨認之積分器輸出的改變。例如，當按壓按鍵K01，由線路單元26B和26D一起看到的最終電容值為每個線路單元26看到的「10C」或「5C」。結果，由線路單元26B看到的最終電容值從「C」(其為按鍵被壓之前電容C2的電容值)改變至5C(其為按鍵被壓之後之最終電容值C2+C5之一半)。相似地，由線路單元26D看到的最終電容值從「9C」改變至「5C」。換言之，藉由從線路單元26B接收較高的積分器輸出讀數(例如，充電「5C」而不是「C」)以及藉由從線路單元26D接收較低的積分器輸出讀數(例如，充電「5C」而不是「9C」)，邏輯電路36可指出按鍵K01被按下。

邏輯電路36從線路單元26A~26E接收積分器輸出且決定使用者是否按下按鍵，以及按下的是那個按鍵。在實施例中，邏輯電路36保有預定義閥值，其用於確定針對行線路(對應於電容值「C」)、列線路 (對應於電容值「9C」)以及按下的按鍵(對應於電容值「10C」)獲得的各別積分器結果。藉由將電流與閥值進行比較，邏輯電路36可決定鍵盤22上之各按鍵的狀態。

應當理解通過示例的方式引用上述之實施例，且本發明不限於所呈現與敘述於此之特定實施例。相反，本發明的範圍包括上述各種特徵的組合和子組合，以及本領域技術人員在閱讀前述描述後想到和先前技術未公開的變化與修改。通過引用併入本申請中的文件被認為是本申請的組成部分，除了在這些併入的文件中以與本說明書中明確或隱含地作出的定義衝突的方式定義的任何術語之外，應考慮本說明書中的定義。

20‧‧‧安全鍵盤系統
22‧‧‧鍵盤
23、39‧‧‧接地點
24‧‧‧應用特定積體電路
26‧‧‧線路單元
28‧‧‧參考插圖
30‧‧‧積分器
32‧‧‧電壓源
34‧‧‧電阻
36‧‧‧邏輯電路
40、41、42、43、44‧‧‧導線
50‧‧‧圖式
52、54、56、58、60、62、64、66、68‧‧‧脈衝
C1、C2、C3、C4、C5‧‧‧電容
COL 0、COL 1、COL 2‧‧‧行線路
ROW 0、ROW 1‧‧‧列線路
K00、K01、K02、K10、K11、K12‧‧‧按鍵
WFC0、WFC1、WFC2、WFR0、WFR1‧‧‧波形

從以下結合附圖之實施例中的詳細描述可充分了解本發明：

第1圖為根據本發明之實施例示意性說明安全鍵盤系統之方塊圖。

第2圖為一圖式，其根據本發明之實施例示意性說明矩陣鍵盤之掃描機制。

20‧‧‧安全鍵盤系統

22‧‧‧鍵盤

23、39‧‧‧接地點

24‧‧‧應用特定積體電路

26‧‧‧線路單元

28‧‧‧參考插圖

30‧‧‧積分器

32‧‧‧電壓源

34‧‧‧電阻

36‧‧‧邏輯電路

40、41、42、43、44‧‧‧導線

C1、C2、C3、C4、C5‧‧‧電容

COL0、COL1、COL2‧‧‧行線路

ROW0、ROW1‧‧‧列線路

K00、K01、K02、K10、K11、K12‧‧‧按鍵

Claims

一種安全鍵盤裝置，其包含：一鍵盤，其包含至少一介面線路與一按鍵，其中位於第一與第二位置之該按鍵係將該介面線路各別連接至第一與第二不同電容值的電容；以及一感測電路，其係連接至該介面線路且藉由感測反應一刺激波形而在該介面線路上產生的電流，以偵測該按鍵是在該第一位置或該第二位置。
如申請專利範圍第1項所述之安全鍵盤裝置，其中該感測電路係配置以在一預定時間內對電流流過的一電阻兩端的電壓進行積分來感測該電流。
如申請專利範圍第1項所述之安全鍵盤裝置，其中該感測電路包含一波形產生器，其係配置以產生該刺激波形。
如申請專利範圍第3項所述之安全鍵盤裝置，其中該波形產生器係配置用以產生具有比該介面線路與該第一或第二電容的電阻電容(RC)時間常數更長的上升與下降時間之該刺激波形。
如申請專利範圍第3項所述之安全鍵盤裝置，其中該波形產生器係配置以經由一串聯電阻連接至該介面線路，且係配置以接收表示該串聯電阻兩端電壓降的一反饋訊號，以及根據該反饋訊號調整該刺激波形用以補償該電壓降。
如申請專利範圍第1項所述之安全鍵盤裝置，其中該介面線路包含一矩陣，其包含在該按鍵相交的第一與第二介面線路，其中在該第一位置，該第一介面線路係連接至一第一電容以及該第二介面線路係連接至一第二電容；以及其中在第二位置，該按鍵將該第一與該第二電容並聯連接到該第一與該第二介面線路。
如申請專利範圍第1項所述之安全鍵盤裝置，其中當該按鍵之位置在該第一與該第二位置間改變時，施加在該介面線路之電壓不改變。
一種鍵盤按鍵識別方法，其包含：通過將一鍵盤之一按鍵分別定位在第一與第二位置，將該鍵盤之至少一介面線路連接至第一或第二不同電容值的電容；以及使用由該介面線路連接至該鍵盤之一感測電路，藉由感測反應一刺激波形而在該介面線路上產生的電流，以偵測該按鍵是在該第一位置或在該第二位置。
如申請專利範圍第8項所述之鍵盤按鍵識別方法，其中感測該電流包含在一預定的時間內對於電流流經的電阻兩端的電壓進行積分。
如申請專利範圍第8項所述之鍵盤按鍵識別方法，其包含使用該感測電路以產生該刺激波形。
如申請專利範圍第10項所述之鍵盤按鍵識別方法，其中產生該刺激波形包含產生具有比該介面線路與該第一或第二電容的電阻電容(RC)時間常數更長的上升與下降時間之該刺激波形。
如申請專利範圍第10項所述之鍵盤按鍵識別方法，其中產生該刺激波形包含藉由通過一串聯電阻連接至該介面線路之一電壓源產生該刺激波形，接收表示該串聯電阻兩端電壓降的一反饋訊號，以及根據該反饋訊號調整該刺激波形用以補償該電壓降。
如申請專利範圍第8項所述之鍵盤按鍵識別方法，其中該介面線路包含在該按鍵相交的第一與第二介面線路，且其中連接至該介面線路包含連接在該第一位置時，將該第一介面線路連接一第一電容以及將該第二介面線路連接至一第二電容；以及連接在該第二位至十，使用該按鍵將該第一與該第二電容並聯連接到該第一與該第二介面線路。
如申請專利範圍第8項所述之鍵盤按鍵識別方法，其中當該按鍵之位置在該第一與該第二位置間改變時，該介面線路之電壓不改變。