求一种在鼠标概念基础上研究开发的密码输入方法

　　随着信息技术的发展，各种交易卡、身份卡也越来越多地进入到人们的日常生活。在这些活动中，经常需要输入几位数码的口令或密码即个人身份码（Personal Identify Number/PIN）以确认身份。目前，在自动取款机（ATM）上以及储蓄所和大部分证券交易所都使用数码位固定的密码小键盘。这种小键盘一般包括0～9共10个数字键和确认等若干个功能键。这种键盘的主要缺陷是容易被盗窃分子通过观察交易者输入密码的动作或用微型摄像机等工具窃去交易密码，给交易者造成经济损失、给金融机构造成诚信损失。这种键盘也容易被身旁的人窥视，给交易者造成不必要的尴尬。因而要求不断地研究新的保密程度高的身份确认技术，防止PIN被他人窥视和窃取。在一些安全级别要求高的场合，如国家安全、军事指挥机关等可以采用声音谱、眼底图像识别或者多重身份识别方法。有些技术，例如指纹识别技术的身份识别误差较大、成本高，因此目前这种数码位固定的密码键盘仍然是使用场合最广泛的密码输入方法。
　　本文介绍一种在鼠标概念基础上研究开发的密码输入方法，或者称为密码鼠标。这种密码鼠标采用滚动的数码输入方式，只有3～4个键，其输出编码结构、数码传输方法和传输率等与现行密码键盘完全相同，最大的不同是它可以完全防止输入密码时被他人窥视。
　　1 键盘的整体结构和工作原理
　　从外部看本键盘包括两部分：一部分是选码与操作部分;另一部分是数码显示部分，图1（a）、（b）分别给出了这种键盘的两种外型图。
　　
　　图1 两种外型图
　　选码与操作部分包括功能电路和若干个操作键，除了有与原来键盘相同的功能键外，还有一个选码键（或选码转轮），用该键取代原来键盘的0～9 10个数字，通过“+”或“-”的方式滚动选定0～9其中之一，然后再选定输入。图2是其结构框图。
　　
　　图2 结构框图
　　显示部分是一个一位的数码显示管，该部分即时显示选码键（或选码转轮）选中的数码。显示部分利用光学原理和光学材料限制数码显示视角。
　　上述两部分组合，完成密码的输入过程。工作原理如下：开始时键盘的显示部分会显示一个0～9之间的随机数。通过转动转轮改变BCD可逆计数器的数值，当转轮正向转动时， 计数器正向计数，即按0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-0的规律计数;转轮逆向转动时，计数器逆向计数，即按0-9-8-7-6-5-4-3-2-1-0的规律计数。在该BCD码计数器计数的同时，显示部分即时显示该计数器的数值。当选中要输入的数字时，按动“选定”键，该BCD码并行地存储到锁存器中，然后该BCD码按设定的传输率输出。按顺序全部输入完若干位密码后，按“确认”键。 通过加入其它的声光提示信息还可以提高键盘的操作灵活性。
　　2 键盘的实现电路和关键技术
　　2.1 硬件构成
　　实现上述功能可以采用分立电子元件也可以用单片机实现，还可以用可编程逻辑器件实现。根据现在的技术条件，采用单片机实现上述功能比较方便。利用8051单片机的紧凑结构芯片AT89C2051可以在很小的面积上布线，并完成图2的功能。由于AT89C2051的外部输入/输出引线有限，利用软件译码会占用7条输入/输出线，所以在AT89C2051和7段LED数码管之间接一个BCD码到7段显示码译码器CD4056。
　　从外部看，用P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P3.7作为五个热键（鼠标式的只用三个）的输入;P3.2、P3.3作为选码转轮的输入接口;由P1.4、P1.5、P1.6、P1.7共4位即时传送BCD码到CD4056;CD4056的输出直接驱动7段LED数码管。P3.5为串行通信口，用于传送经确定后的BCD码。
　　2.2 选码转轮和可逆计数器
　　选码转轮是一个在内径成环形均匀布有12小孔的圆形转轮，在PCB板上设有一个红外发光管和两个红外接收管。转轮转动会切割红外光线，通过光电二极管和转轮上的光孔形成信号，经过整形后利用两个信号输入的先后顺序识别转轮的正反转。
　　2.3 随机数发生器
　　为了防止他人从输入的动作和规律看出所输密码，键盘的每次启动或每输入一位码后再输入新一位码时，键盘总是在0～9之间随机显示一个数，在此数的基础上再进行加/减计数。这个随机数的产生用单片机一个内部寄存器完成。该寄存器不断进行BCD不带进位的高速加计数，当需要产生随机数时，从该寄存器即时取出当时的计数值。由于取数是操作人员按动“确认”键后进行，是一个随机时刻，所以取出的数也是一个0～9之间的随机数。
　　3 视角限制方法
　　在显示器的前面放置一层内部平面经过凹凸处理的透光材料。该层材料使与显示器平面法线方向平行的光线不失真射出，使偏离中心的光线发生散射，从而限制显示器在垂直方向的视角，即只允许交易者个人看到显示器的内容。调节显示器的电流使显示器的亮度为一个合适的值。通过调节显示器表面与透光材料的距离h也能达到限制显示器在垂直方向的视角，如图3。
　　
　　图3 显示器部分剖面图
　　图4是根据上述原理制作的鼠标结构密码键盘图。首先从功能上进行对比实验，对比键盘是深圳某公司出品的码位固定的明码键盘，当输入一个0～9之间的数字时，该键盘串行传送一个8位的二进制码3X，X是要传送的数字。制作的键盘采用相同的编码和传输率，接收端是一台计算机。经过100多次输入6位密码，两者性能完全相同。
　　设计的显示器视角为15°，即使在操作人员旁边站立，也很难从密码键盘输入端看到应输入的密码。输入速度在开始时较慢，经过简单熟悉后，设计制作的鼠标式密码键盘的输入速度与码位固定的明码键盘相同。
　　
　　图4 实际制作的鼠标结构键盘
　　此种输入方法最大的优势在于其输出编码结构、数码传输方法和传输率等与现行密码键盘完全相同，不需要另外设计配套接收电路。这种输入方法不局限于金融机构的密码输入，也可以应用在密码锁等其它需要输入若干位PIN的场合。