岳晴晴，潘曉陽(yáng)，孟祥冬

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，多設(shè)備協(xié)同工作越來(lái)越重要。目前的多設(shè)備協(xié)同工作多采用有線連接，但是有時(shí)設(shè)備距離過(guò)遠(yuǎn)，存在信號(hào)線纜過(guò)長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)布線過(guò)于繁瑣的問(wèn)題，且需要人工手動(dòng)連接。ZigBee是一種適用范圍較廣泛的短距離、低速率無(wú)線通訊技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)加密功能，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的靈活、便捷通訊連接，基于ZigBee的無(wú)線傳輸系統(tǒng)越來(lái)越被重視。通過(guò)ZigBee完成網(wǎng)絡(luò)信息的交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，已成為ZigBee技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-2]。

為滿足不同設(shè)備之間的無(wú)線通訊要求，本文設(shè)計(jì)出將數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、ZigBee、控制器域網(wǎng)（CAN）相結(jié)合的無(wú)線通訊系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線通訊系統(tǒng)組成如圖1所示，整個(gè)設(shè)備由DSP控制器、ZigBee無(wú)線收發(fā)電路、CAN總線收發(fā)器電路、加密電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、RS422收發(fā)器及BOOT配置電路6個(gè)部分組成[1]。DSP選用德州儀器（TI）的TMS320F28335，通過(guò)DSP外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)各功能需求。

圖1 無(wú)線通訊系統(tǒng)組成

（1）DSP控制器

TMS320F28335的主頻最高可達(dá)150 MHz，可進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，將從CAN總線收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)出去。

（2）ZigBee無(wú)線收發(fā)電路

ZigBee采用周立功ZM32系列ZM32P2S24E模塊，該模塊基于Silicon Labs公司REF32系列無(wú)線片上系統(tǒng)開發(fā)，具有低功耗、高可靠性的特點(diǎn)，頻率范圍為2.4～2.5 GHz，采用串行通訊接口（SCI）通訊，具有協(xié)調(diào)器、路由、終端3種設(shè)備類型，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊、星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、中繼路由結(jié)構(gòu)3種組網(wǎng)方式，能對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并能隨時(shí)對(duì)模塊進(jìn)行靈活配置。

（3）CAN總線收發(fā)器電路

CAN總線收發(fā)器電路主要包括隔離電路和CAN收發(fā)器電路，實(shí)現(xiàn)將DSP的CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合CAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的差分信號(hào)，并通過(guò)光耦合器、瞬變電壓抑制二極管（TVS）對(duì)其做隔離保護(hù)，防止CAN總線上產(chǎn)生的瞬間高電壓對(duì)其造成損傷。

（4）加密電路

加密電路采用北京宏思的WNG4數(shù)字物理噪聲源芯片,產(chǎn)生1 B的真隨機(jī)數(shù)序列作為ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)密鑰，通過(guò)通用輸入/輸出（GPIO）接口與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；產(chǎn)生8 B真隨機(jī)數(shù)序列作為加密算法的密鑰對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）及2路帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）。SRAM為并行接口，DSP通過(guò)外部擴(kuò)展接口（XINTF）對(duì)其空間進(jìn)行訪問(wèn)；EEPROM為串行外設(shè)接口（SPI），DSP處理器分別通過(guò)SPI總線及多通道緩存串口（McBsp）對(duì)EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

（6）RS422收發(fā)器及BOOT配置電路

RS422收發(fā)器及BOOT配置電路主要用來(lái)燒寫DSP中的應(yīng)用程序。

3 上位機(jī)軟件配置

上位機(jī)軟件運(yùn)行于PC端，主要作用是配置與查詢無(wú)線通訊系統(tǒng)的各種參數(shù)，使其可以正常工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的基本測(cè)試。本文通過(guò)調(diào)用CAN卡與無(wú)線通訊系統(tǒng)互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件與應(yīng)用軟件的通訊，主要實(shí)現(xiàn)功能包括連接狀態(tài)檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)號(hào)配置與查詢、CAN波特率配置、轉(zhuǎn)發(fā)策略配置與查詢、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)查詢與配置、CAN數(shù)據(jù)與無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試等。

上位機(jī)軟件工作流程如圖2所示。啟動(dòng)后首先選擇硬件CAN卡、與下位機(jī)對(duì)應(yīng)的波特率（默認(rèn)為250 kbit/s）及通訊通道（默認(rèn)通道0）；然后進(jìn)行CAN初始化，并設(shè)置與下位機(jī)相符的節(jié)點(diǎn)號(hào)；最后根據(jù)測(cè)試需要對(duì)下位機(jī)無(wú)線通訊系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)配置，包括轉(zhuǎn)發(fā)策略配置、CAN波特率配置、出廠編號(hào)配置等。

圖2 上位機(jī)軟件工作流程

4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與無(wú)線通訊

無(wú)線通訊系統(tǒng)應(yīng)用軟件運(yùn)行于DSP，與上位機(jī)軟件通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊，根據(jù)上位機(jī)軟件發(fā)送的配置命令對(duì)無(wú)線通訊系統(tǒng)進(jìn)行配置管理，并聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)如節(jié)點(diǎn)號(hào)配置、CAN總線波特率配置、上電次數(shù)查詢、連接狀態(tài)查詢、軟件版本號(hào)查詢、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、入網(wǎng)操作、轉(zhuǎn)發(fā)策略配置、CAN總線在線升級(jí)[3-4]、數(shù)據(jù)加密等功能。

DSP軟件數(shù)據(jù)處理控制流程如圖3所示。DSP軟件采用輪詢加中斷的方式：在CAN中斷時(shí)將相應(yīng)數(shù)據(jù)幀存入接收隊(duì)列，在輪詢函數(shù)時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)幀類型進(jìn)行參數(shù)配置或?qū)Ψ限D(zhuǎn)發(fā)策略的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密轉(zhuǎn)發(fā)；在串口中斷時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)存入串口接收隊(duì)列，在輪詢中進(jìn)行解密處理，并將解密后的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)出。

圖3 DSP軟件數(shù)據(jù)處理控制流程

數(shù)據(jù)加解密的處理是最重要的部分，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的安全性。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）算法，DES算法具有以下特性：（1）提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺(jué)的修改；（2）具有相當(dāng)高的復(fù)雜度，使破譯的成本超過(guò)收益本身，同時(shí)又便于理解和使用；（3）安全性由密鑰決定，與算法本身無(wú)關(guān)，56 bit的密鑰使算法的加密有256種結(jié)果；（4）算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

5.1 測(cè)試環(huán)境搭建

通過(guò)2臺(tái)設(shè)備互聯(lián)進(jìn)行無(wú)線通訊系統(tǒng)功能測(cè)試，應(yīng)用軟件測(cè)試環(huán)境如圖4所示。通過(guò)周立功USBCAN-2E-U實(shí)現(xiàn)無(wú)線設(shè)備與PC端的連接，上位機(jī)無(wú)線通訊系統(tǒng)測(cè)試軟件通過(guò)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)給無(wú)線通訊系統(tǒng)A，繼而通過(guò)天線發(fā)送數(shù)據(jù)給無(wú)線通訊系統(tǒng)B，并通過(guò)CAN總線上傳給上位機(jī)無(wú)線通訊系統(tǒng)測(cè)試軟件。

圖4 無(wú)線通訊系統(tǒng)應(yīng)用軟件測(cè)試環(huán)境

5.2 功能驗(yàn)證

測(cè)試環(huán)境搭建完成后，首先將DSP主頻配置為80 MHz，將ZigBee串口波特率配置成115200 bit/s，將CAN波特率配置成250 kbit/s，通過(guò)PC上位機(jī)將無(wú)線通訊系統(tǒng)A的ZigBee模塊配置為協(xié)調(diào)器，并創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。將無(wú)線通訊系統(tǒng)B的ZigBee模塊配置為終端，并搜索網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)連接后，協(xié)調(diào)器下發(fā)WNG4隨機(jī)產(chǎn)生的1 B網(wǎng)絡(luò)密鑰及8 B動(dòng)態(tài)密鑰給終端設(shè)備。接著配置各自的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并將在轉(zhuǎn)發(fā)策略范圍內(nèi)的CAN幀以10 ms每幀的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在發(fā)送時(shí)間周期為10 ms時(shí)，進(jìn)行10000幀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)加密，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)未丟幀，加解密數(shù)據(jù)未失敗，表明ZigBee通訊系統(tǒng)在增加DES算法后能夠正常進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密、傳輸工作。DES算法的引進(jìn)，不僅未引進(jìn)新的通訊問(wèn)題，還加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

圖5 數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試結(jié)果

DES算法耗時(shí)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。DSP主頻配置為80 MHz，每幀數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)CAN幀（數(shù)據(jù)為8 B），通過(guò)對(duì)10000幀數(shù)據(jù)進(jìn)行多次加解密測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，平均加解密耗時(shí)相近，為2.1425 ms左右，且加解密成功率均為100%，表明DES算法在DSP平臺(tái)運(yùn)行具有一定的穩(wěn)定性及可行性。

表1 DES算法耗時(shí)性能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了基于ZigBee的DES加密通訊系統(tǒng)，從器件選型、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試驗(yàn)證。此設(shè)計(jì)方案能夠滿足需求，并能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。該設(shè)計(jì)方案不局限于某種特定處理器和編程語(yǔ)言。在信息安全日益重要的今天，本研究為不同平臺(tái)的加密通訊系統(tǒng)提供了一種可靠的方案。