基于CH375的嵌入式USB文件加解密系统的设计

随着信息与通信技术的飞速发展，信息安全与通信加解密在个人隐私特别在军事情报和国家机密等方面显得尤为突出。数据加密技术无疑是保护信息安全最有效的一种方法。传统的文件加密方式是基于PC平台的，不能满足移动场合的应用需求。基于PC机的加密技术使明文到密文必须经过PC机环节，在不能保证PC机软硬件绝对可靠的情况下，可能失密。基于嵌入式设计的本系统可以便携使用，并在完成加密或解密过程后可将芯片程序擦除或将芯片破坏，避免加解密硬件环节的失密。本设计提高了系统的安全性，提供了便携使用的可能，有一定的理论意义和较高的使用价值。
　　1 USB HOST控制器CH375
　　CH375 是一款USB总线的通用接口芯片，支持USB HOST主机方式和USB DEVICE/SLAVE设备方式。CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。
　　CH375的USB 主机方式支持常用的USB 全速设备，外部单片机可以通过CH375 按照相应的USB 协议与USB 设备通信。CH375 还内置了处理海量存储设备的专用通信协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U盘）[1]。CH375的接口框图如图1所示。


　　2 系统结构
　　嵌入式文件加解密系统主要分为四个部分：运算处理模块、按键与状态显示模块、USB通信模块、电源模块。系统结构框图如图2所示。


　　运算处理模块由P89V51RD2单片机与32KB的RAM 62256及其外围电路组成,负责加解密计算与整个系统的控制。按键产生加解密操作的控制信号，LED显示当前系统状态。USB通信模块对USB存储设备进行数据传输与文件操作。电源模块为本系统供电并且为USB总线提供5V电源电压。

　　3 基于CH375的USB HOST在本系统的硬件设计实现
　　3.1 CH375与P89V51RD2单片机的接口部分
　　CH375与P89V51RD2单片机的接口如图3所示。CH375 的TXD引脚通过1kΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地，使CH375 工作于并口方式。CH375的CS#连接到单片机的A15 引脚，端口地址范围为0000H～7FFFH，为了避免冲突，外部RAM地址在8000H 以上。



　　电容C3用于CH375 内部电源节点退耦，C3是容量为0.01μF 的独石或高频瓷片电容。电容C4和C5用于外部电源退耦，C4是容量为0.1μF的独石或高频瓷片电容。晶体X1、电容C1和C2组成CH375的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，X1的频率为12MHz±0.4‰，C1和C2是容量约为15pF的独石或高频瓷片电容。
　　如果电源上电过程较慢并且电源断电后放电时间较长，将导致CH375不能可靠复位。所以在RSTI引脚与VCC 之间跨接一个容量为0.47μF 的电容C11，并且可以减少干扰。
　　在设计印刷线路板PCB 时，需要注意：退耦电容C3 和C4尽量靠近CH375 的相连引脚；使UD+和UD-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短XI和XO引脚相关信号线的长度，减少高频时钟对外界的干扰，并应该在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。
　　3.2 P89V51RD2单片机扩展部分
　　P89V51RD2单片机扩展部分电路图如图4所示。MCS-51 单片机用U2锁存A7～A0 地址。U3用于简单的地址译码，产生所需的片选信号，使本系统CH375 芯片的片选地址范围为B000H～BFFFH，本系统中CH375 需要占用两个地址：地址BXX1H用于写命令，地址BXX0H 用于读写数据。


　　3.3 供电电路部分
　　供电部分电路如图5所示，用于对USB总线供电。设计时除了要考虑自身功耗，更重要的是要保证对总线提供直流5V/500mA的供电。本设计所用的芯片都工作在直流5V下，所以选用常见的直流电压转换芯片μA7805。该系统工作时，只须外接能够输出直流电压为7V～20V的电源适配器即可（可外挂锂电池组或驳接车载12V电源便携使用）。




　　4 系统软件设计
　　4.1系统工作流程图
　　CH375对文件的读写模式分为扇区模式和字节模式。本系统选用速度较快的扇区模式，每次读取4个扇区数据，循环读写至文件结束。工作流程如图6所示。


　　4.2 单片机软件
　　单片机软件编写比较复杂，以下是CH375程序编写时的要点：
　　CH375芯片占用两个地址位，单片机A0 引脚为选择命令数据端口，并通过8 位并口对CH375 芯片进行读写，所有操作命令都是由一个命令码、若干个输入数据和若干个输出数据组成，部分命令不需要输入数据，部分命令没有输出数据[2]。
　　单片机对CH375的操作步骤如下：
　　(1)在A0=1时向命令端口写入命令代码；
　　(2)如果该命令具有输入数据，则在A0=0 时依次写入输入数据，每次一个字节；
　　(3)如果该命令具有输出数据，则在A0=0 时依次读取输出数据，每次一个字节；
　　(4)命令完成，可以暂停或者转到(1)继续执行下一个命令。CH375 芯片专门用于处理USB 通信，在接收到数据后或者发送完数据后，CH375以中断方式通知单片机进行处理。CH375内部中断逻辑图如图7所示。