保险箱无所不在，其电子设计听起来比较直接简单，可实际上却充满了独有的挑战。本文将介绍一款简单的电子保险箱设计方案，并讨论有关设计问题。设计挑战包括如何避免侵入者的破坏以及确保最低功耗的电源设计技术等。本文还将讨论有助于在传统设计基础上改进这款简单产品功能的技术发展趋势。

根据维基百科的定义：保险箱可上锁的安全储物柜，用于存储有价值的物品，以免被盗窃或损坏。电子保险箱则是采用电子技术的电子机械保险箱。

电子保险箱的基本形式就是一个厚厚的钢箱，加上一个更厚的钢制门。电子保险箱一般大小为200mm（高） X 450 mm（宽） X 350 mm（深），价格约100美元。门上安有坚固的钢锁，开锁要通过锁钮来操作。图1给出了电子保险箱界面示例。我们要用小键盘输入解锁码，并通过一组LED显示输出、作为I/O界面。许多保险箱还提供机械钥匙，以备在忘记组合密码的情况下紧急开柜。大多数电子保险箱还提供其它功能，如电池电量不足报警、反复输入错误的组合密码时锁定，以及输入错误组合密码时长时间蜂鸣报警等。电子保险箱常见于酒店中，每位新客人都能设定和重设组合密码。

图1用户界面

使用场景

以下介绍的是电子保险箱操作时的简单场景：

电子保险箱上锁

旋转机械锁钮，让钢锁旋转到位，从而把保险箱门锁上。凸轮机制将确保逆向锁扭转动不会让电子保险箱上锁。如以下图2所示。

图2——为电子保险箱上锁

电子保险箱开锁

在打开电子保险箱时，用户应在小键盘上输入组合密码。每次按键都会发出短暂的嘀声，向用户确认按键已被接受。如果用户输入错误的组合密码，则“ERR”LED显示灯将亮起，告知密码输入错误，同时发出响亮的蜂鸣声通知用户。反复输入错误密码将导致小键盘和电子保险箱锁死，这时必须用紧急钥匙才能打开保险箱，然后还要按照以下介绍的方法重设组合密码。

电池放电条件

倘电池完全没电，锁将永久锁死，这时只能用紧急钥匙打开保险箱。电池电量低于一定水平时，“BAT”LED显示灯将亮起，提醒用户更换电池。

组合密码丢失

如果丢失了组合密码，可用紧急钥匙打开保险箱。

设置/重设组合密码

设置和重设组和密码功能只有在保险箱打开情况下才可用。顺序按下一组按键将打开微控制器并设置新的组合密码。微控制器将组合密码保存在非易失性存储器中。

实施

早期的电子保险箱设计方案使用的硬件电路通过计数器来确定正确的组合密码。随后的设计方案则改用微控制器，因为微控制器和软件编程具有更高的灵活性。图3给出了基于微控制器设计方案的方框图，它包括一个微控制器和一个电池供电的电动机。微控制器通过小键盘按键获得输入，并根据密码激活电动机和门锁机制，从而实现开锁。根据微控制器的状态、电池情况以及读取代码过程中发生的各种错误，LED显示灯也会被激活。我们还用光学对象感应器来检测保险箱门的状态。

图3——方框图

机械构造

本文介绍的主要是电子保险箱的电子技术，不过对于良好可靠的保险箱而言最重要的问题还在于它的机械构造。电子印刷电路组件（PCA）隐藏在实钢结构的身后发挥作用。如果通过强力借小键盘打开前面板，那么保险箱中存储的东西就没有安全可言了。比如有人可能会企图将PCA与小键盘分离。因此，PCA应隐藏在实钢结构之后，而小键盘则应位于箱门上。

功效

功耗是电子保险箱的第二大重要因素。我们可用不同的实施方案节能，比如小键盘给定时间没有输入则进入深度睡眠状态。微控制器工作范围较大，有助于在电池放电期间保持长期工作。使用7片段的LED显示灯是电子保险箱的标准，这种组件功耗较低。

主组合密码

主组合密码是一种可选特性，可用来打开所有保险箱，就像紧急钥匙的作用一样。主组合密码是一组顺序按键，可打开特定型号的所有保险箱。应当尽量避免使用这种主密码，否则可能为电子保险箱制造商带来安全隐患。更好的办法是结合使用“电子保险箱开锁”和“设置/重设组合密码”中介绍的步骤。

故障安全固件代码

电子保险箱的代码不容许出错，因此必须认真审核，并经过充分验证。不过，为了针对所有意外故障做好准备，固件的设计应确保电子保险箱程序不会锁死。我们可用监视计时器来避免这一问题。如果固件代码在某个时间点锁死，监视计时器则将重设电子保险箱上的固件，同时避免干扰锁的自身状况。

一次性可编程（OTP）微控制器

最好选择支持OTP特性的微控制器，避免竞争对手和黑客对固件进行逆向工程。

硬件可靠性

应采取控制

电磁干扰、免受电磁干扰影响的措施，这类似于敏感电子器件与电动机等潜在噪声源相互靠近的嵌入式系统。硬件不可靠，就会造成重设，导致保险箱不安全。

减少硬件组件

硬件组件越少，可能发生故障的组件就越少，系统可靠性也就越高。减少组件还能降低功耗。片上系统（SoC）微控制器可用来集成众多硬件功能，减少组件数量，进而提升可靠性，降低功耗和成本。类似于赛普拉斯半导体公司 PSoC（可编程片上系统）的SoC能通过内部比较器和模数转换器（ADC）进行功率检测。蜂鸣器可用SoC上集成的脉冲宽度调制（PWM）进行控制。

检测保险箱的打开

许多使用情境都需要固件检测出保险箱是否打开。我们用光学感应器来检测箱门的打开状况。光学感应器通过微控制器控制，实现检测功能。

用户操作流程和内置自检测（BIST）

在保险箱使用寿命周期内，用户可能需要更换电池，而这需要更换电池的明确程序。如果手头没有保险箱手册，那么内置自检测功能可检查板上的所有接口，确保更换电池后不会存在任何故障。

制造

最后要提到的重要一点是，我们要用固件对电子保险箱编程，随后还要运行制造测试，确保所有块都能按需工作，而且设备不存在任何制造瑕疵，做到这一点也是一大挑战。为了确保承包制造商不欺诈，我们应实施带认证功能的编程模具。制造测试进程应确保涵盖100%的硬件。

局限性

回收材料的故障分析

板上接口数量的增多也将增加侵入者攻击系统的途径。这是嵌入式系统最大的局限性之一。

用紫外墨水对组合密码进行逆向工程

侵入者可用紫外墨水复制小键盘上的指印。由于知道了密码包含哪些按键，侵入者能更方便地猜出组合密码。为了避免这一问题，用户可设置包含所有数字的组合密码。

哪些地方可以改进？

电容按钮 用电容感应按钮替代机械按钮是目前的发展趋势。电容感应按钮能感应到手指的电容并激活“打开”信号。电容按钮消除了机械按钮潜在的故障，能降低系统成本，同时提高可靠性。赛普拉斯的PSoC是一款独特的SoC，能作为一款单芯片解决方案提供上述大部分功能。它提供了高度可配置的算法，能检测工具电容，而且能供嵌入式系统的设计人员和工程师免费使用。