MSP430加密熔丝烧断器的制作
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MSP430系列单片机是德州仪器(TI)公司推出的一款16位超低功耗单片机。它能够在1.8～3.6V电压、1MHz频率的条件下运行,耗电电流在0.1～400μA。在运算速度上,MSP430系列单片机能在8 MHz 晶振的驱动下,实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等) 。
在整合方面,MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在片内,有如下一些模块:看门狗(WDT) 、模拟比较器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位/14位ADC、端口0～6 、基本定时器。其中定时器A、B均带有多个捕获/ 比较寄存器,同时可实现多路PWM 输出;模拟比较器与定时器配合,可方便地实现ADC;液晶驱动多达160 笔段;硬件ADC 模块在小于10 μs的速率下实现10～14 位的高速、高精度转换,同时提供采样/保持与参考电压;端口0、1、2能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入。
MSP430系列单片机的开发调试有多种技术方案,其中以JTAG和BOOTSTRAP(简称“BSL”) 方式最为方便。对于Flash型的MSP430单片机初期开发进行的仿真,只需要1台PC 机和1个JTAG控制器即可实现。进入产品级开发阶段,为了保护用户代码,烧断Flash的保护熔丝以后就无法再通过J TAG 口访问单片机, 这时用户对Flash中的程序再进行检查或更新就只能通过BOOT2STRAP 进行。不用担心用户代码会泄露,BOOTSTRAP提供了32字节256位的密码保护,能完全确保代码的安全性。
1 熔断加密原理
MSP430 系列单片机采用JTAG(实际上称为IEEE1149.1或边界扫描)接口技术,实现对单片机全部存储器的访问,包括程序Flash 、ROM、RAM ,并可对其进行擦除、读写。它能用于程序的下载,监测程序使用情况和各个变量与寄存器的使用情况, 并可对其进行修改。
JTAG接口需要4 根信号线、地线和电源线。具体信号线的定义如表1 所列。
表1 JTAG接口信号线
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引脚 方向 描述
TMS 输入 JTAG状态机控制信号线
TCK 输入 JTAG时钟输入线
TDI/TCLK 输入 JTAG数据输入线/ TCL K输入
TDO 输出 JTAG数据输出线
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JTAG接口为程序的调试、仿真及监控带来了很大的方便,大大提高了编程效率,缩短了开发周期;但在程序测
试完成转换为产品推向市场时,就必须对程序代码进行加密处理,防止程序代码的泄漏。JTAG接口的安全性很差,只要符合J TAG 标准的控制器就可以将程序代码读出,所以必须禁止J TAG 功能。对于MSP430 系列单片
机,禁止J TAG功能的途径是将单片机内部的加密保险丝熔断,熔断后的单片机就无法再使用JTAG功能,从而达到加密程序代码的目的。具体的JTAG及加密保险丝结构框图如图1所示。
MSP430系列单片机在上电复位时会通过TDI/TCLK端对保险丝进行检测,当保险丝完好时,在TDI/TCL K和地之间会有1mA 的电流流过。保险丝检测出现在上电复位以后TMS 端的第一个下降沿上,在第二个下降沿上会解除保险丝的检测,直到下一次的上电复位再进行保险丝检测,即在每一次的上电复位都会对保险丝进行检测。保险丝检测电流只有在保险丝检测方式时才会流过TDI/TCLK端,当检测不到保险丝电流时,JTAG功能就会失效,且这种加密方式是硬件方式的加密,一旦保险丝熔断,JTAG功能就永久失效了,无法再通过JTAG口访问单片机,从而保证了单片机内代码的安全。
2 熔断加密的时序及方法
MSP430单片机保险丝的熔断必须在特定的条件下进行。表2 列出了熔断保险丝所需的条件及具体参数。
表2 保险丝熔断条件及参数
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保险丝电参数 min nor max
熔断时单片机供电电压VCC(fb)/V 2.5 3.3 3.6
熔断时施加在TDI/TCLK端的电压Vfb/V 6 6.5 7
熔断时施加在TDI/TCLK端的电流Ifb/mA 100
熔断时间tfb/ms 1
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在满足表2 所列的条件下,简单地将6.5V电压加在TDI/TCLK端上时,是无法熔断保险丝的,必须在一定的时序及指令下才可以完成。下面是熔断保险丝所需的指令及时序:
IR_SHIFT(" IR_CN TRL_SIG_16BIT" )
DR_SHIFT_IN(0x7201) ;TDO 信号切换为TDI 功能。TDI信号端释放, TDO 切换为TDI
IR_SHIFT(" IR_PREPARE_BLOW" ) ;通过TDO 信号端传输
MsDelay(1) ;延时1ms。等待,连接Vpp至TDI信号端
IR_SHIFT(" IR_EX_BLOW") ;通过TDO 信号端给目标板发送指令
MsDelay(1) ;延时1 ms ,将Vpp 从TDI 信号端
;移开;切换TDI 信号端返回TDI
;功能,同时复位J TA G状态机
IR_SHIFT(" IR_CNTRL_SIG_16BIT" )为切换J TAG进入16位数据接收模式;DR_ SHIFT_ IN(0x7201)为将TDO 信号切换为TDI功能,TDI信号释放,为接入熔断电压Vpp作准备;IR_SHIFT(" IR_ PREPARE_BLOW" )为设置MSP430 进入保险丝熔断方式;MsDelay(1)为延时1ms,同时连接熔断电压Vpp 至TDI信号端;IR_ SHIFT("IR_BX_BLOW" )为执行保险丝熔断;MeDelay(1) 为延时1ms,同时断开TDI端的熔断电压Vpp,TDI信号端切换回TDI功能,JATG状态机复位。保险丝加密熔断完成。
3 熔断加密器的设计与实现
熔断加密器可以实现对MSP430Flash单片机的编程、烧熔丝和BSL下载。可以选择编程后是否熔断芯片内熔丝,进行加密;可自行设置密码,彻底保护芯片内容;可进行完全擦除编程和保留编程,通过BSL 方式读出目标CPU内的代码。
熔断加密器的硬件采用了MSP430F1111A作为系统芯片,实现对目标JTAG口的通信控制、熔断电压V pp的加载与分离、目标MSP430 单片机中保险丝熔断指令的控制。在电源部分,熔断电压V pp 及100mA的熔断电流是在7806三端稳压芯片与地之间串接二极管IN4001来实现的;熔断电压Vpp的加载与分离通过继电器的通断来实现,并使用了3 个LED分别指示目标单片机保险丝未熔断、正在熔断及已熔断的状态。熔断加密器系统控制部分的电路如图2 所示。
软件部分是通过C 语言来实现熔丝加密器与目标单片机之间的数据通信及指令控制的。具体软件流程如图3所示。
以下为加密熔断器主程序:
| LEADBBS CODE |
#include "MSP430x11x.h" void main (void) { unsigned char k ; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD ; P1DIR = 0xFE; P1OUT &= ~BIT2 ; // 断开Vpp P1OUT &= ~BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色) 亮 P2OUT |= BIT5 ; // 保险丝熔断成功指示(绿色) 灭 P2DIR = 0xEF ; while (1) { if ((P1IN&0x01)==0) { ResetTAP1(); //? delay(50000); IR_SHIFT(0x14); DR_SHIFT16 (0xAAAA); if(tdovalue != 0x5555) { // 保险丝未熔断 P1OUT |= BIT3; // 保险丝准备指示灯(黄色) 灭 IR_SHIFT(0x13); DR_SHIFT16(0x7201) ; delay(10000); tdopin=1; P2DIR |= BIT4; IR_SHIFT(0x22); P1OUT |= BIT2; // 接通Vpp,断开TDI delay(50000); IR_SHIFT(0x24); delay(10000); P1OUT &= ~BIT2; // 断开Vpp tdopin = 0; P2DIR &= ~BIT4; ResetTAP(); delay(50000); IR_SHIFT(0x14); DR_SHIFT16 (0xAAAA); if (tdovalue == 0x5555) { // 保险丝熔断成功 P2OUT &= ~BIT5 ; // 保险丝熔断成功指示(绿色) for (k=1; k<=3; k++) delay(50000) ; // 绿灯常亮 } else { // 保险丝未熔断黄灯闪烁3 次 for(k=1;k<=3;k++) { P1OUT &= ~BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色)亮 delay(50000) ; P1OUT |= BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色)灭 delay(50000) ; } } } else { // 保险丝已熔断 for(k=1;k<=3;k++) { P1OUT &=~BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色) 亮 P2OUT &=~BIT5 ; // 保险丝熔断成功指示(绿色)亮 delay(50000) ; P1OUT |= BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色) 灭 P2OUT |= BIT5 ; // 保险丝熔断成功指示(绿色)灭 delay(50000) ; } } P1OUT &= ~BIT3 ; // 保险丝准备指示灯(黄色)亮 } } } |
本加密熔断器在实际应用中取得了非常理想的效果,可对MSP430 系列单片机的保险丝进行可靠而有效的熔
断,完全保护了MSP430单片机中的代码安全。在实际的使用中达到非常好的经济效益和社会效益。
结语
本系统可应用于整个MSP430系列单片机,具有功能强大、性能可靠、成本低、体积小等特点。完全可以替代目前市场上售价高达1000～2000元的编程器,具有非常广阔的应用前景和推广价值。
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