钻井仪器保密通信研究

吴 成

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院钻井仪器研究所，黑龙江 大庆 163413）

开发仪器设备需要大量的资金、时间和人力等资源。如果开发的仪器被竞争对手破解甚至复制，就会严重影响企业的市场竞争力。由此，企业的知识产权保护工作，不应停留在法律层面上，还应该在开发的仪器本身采取必要的措施，也就是提高仪器的逆向工程的成本。

因为钻井仪器需要长时间工作在高温、高压、高震动环境中，所以，仪器的处理器性能较常温设备会差一些，仪器通讯设计也需要考虑从中断恢复的问题。

本文将设计一种通讯协议，其时序、通讯格式和加密方式与通用的通讯协议不同。

1 通讯处理器的选择

本设计使用CPLD处理通讯时序，理由如下：

（1）CPLD 内置配置电路的信息不易读取，而FPGA的外接配置芯片可以直接读取；

（2）通讯时序的实时性要求较高，单片机和DSP无法胜任；

（3）处理通讯时序所需的资源不多，CPLD 处理通讯时序时，还可以同时完成其他任务。

2 通讯电路的设计

主机和从机的通讯，是在同一条线上实现的半双工通讯，通讯接口外围电路如图1所示。需要考虑的实际问题和解决方法有：

图1 通讯接口外围电路

（1）信号冲突：如果通讯双方同时向总线发送数据，就会使引脚的电流过大，造成损坏或烧毁芯片。电路设计时，为通讯引脚串入限流电阻。

（2）通讯线破损：钻井施工的长时间高震动，会破坏线缆绝缘保护层，导致总线接触到壳体或其他线缆，导致引脚的电流过大。电路设计时，为通讯引脚串入限流电阻。

（3）通讯线靠近其他大功率信号线：大功率信号通过容性耦合和感性耦合，在邻近的其他线缆上产生干扰信号。电路设计时，使用一阶RC网络对通讯信号进行平滑滤波。考虑到RC网络对信号的延迟，需要根据电路调试情况选择电容。

（4）通讯中断：钻井施工的长时间高震动，导致通讯线瞬时接触不良，将使正在进行的通讯中断。由于多数CPU要求芯片引脚不能悬空，所以需要为通讯引脚提供一个确定的状态。电路设计时，使用上拉电阻，使总线和通讯引脚提供默认的高电平。

3 通讯协议的设计

一些标准设备，如逻辑分析仪，可以很方便地分析和破解标准通讯协议，例如SCI、SPI和CAN等。仪器自定义通讯协议，迫使竞争对手投入人力解析，将提高破解成本。

设计实例中，通讯双方使用CPLD作为接口芯片，CPLD 的时钟频率为12MHz，每50 个时钟周期进行一次总线信号采样。通讯格式：

（1）帧起始标志：所有的通讯均由主机发起，帧起始标志的时序为200*3个时钟周期高电平-200*3个时钟周期低电平-200*3 个时钟周期高电平-200*3 个时钟周期低电平；

（2）数据位格式：逻辑1的时序，为200个时钟周期高电平-200 个时钟周期低电平；逻辑0 的时序，为200个时钟周期低电平-200个时钟周期高电平；

（3）应答标志：仅逻辑1为有效应答；

（4）主机向从机发送命令和数据的通讯格式（时序如图2所示）：

图2 主机向从机传送命令、数据的通讯格式时序图

①Quab1 主机向从机发送帧起始标志，并等待从机应答。若从机应答超时，则本次通讯失败。

②从机检测到有效的帧起始标志后，向主机发送应答标志。

③主机在规定的时间内检测到有效的应答标志后，向从机发送数据。若主机应答超时，则本次通讯失败。

④从机接收数据，同时进行数据位有效性检查和生成校验数据。并在数据接收完成后，发送应答标志。

（5）从机向主机发送校验结果的通讯格式（时序如图3所示）：

图3 从机向主机传送数据校验结果的通讯格式时序图

①从机检测到有效的帧起始标志后，向主机发送应答标志。

②从机向主机发送校验数据。

③主机接收校验数据，并确认校验数据有效后，发送应答标志。若主机应答超时，则本次通讯失败。

④从机在规定的时间范围内检测到有效的应答标志后，将执行主机的命令，本次通讯成功完成。若主机应答超时，则本次通讯失败。

（6）若双方检测到通讯失败，将重新发起通讯。如果出现连续多次通讯失败，就可以判定为仪器通讯稳定性出现问题。在仪器起钻后，应检查通讯线的可靠性。

4 通讯加密的设计

数据加密，就是将明文通过密钥转换成无意义的密文，而接收方将密文解密还原成明文。钻井仪器工作在高温环境中，CPU的性能普遍不高。因此，在设计通讯协议时，不能使用复杂的加密算法。

设计实例中，通讯加密的步骤如下：

（1）取得预设的密钥：通讯加密预设的密钥是一个字节，8个字位不全为0或全为1，避免降低通讯协议的破解难度；

（2）加密明文第一个字节：将明文的第一个字节与密钥做异或，得到密文的第一个字节；

（3）加密明文其他数据：将明文的第二个字节与密文的第一个字节做异或，得到密文的第二个字节。与密文的第二个字节计算方法相同，即可得到密文之后的所有数据。

设计实例中，通讯解密的步骤如下：

（1）取得预设的密钥：通讯解密的密钥与加密的密钥相同；

（2）解密密文第一个字节：将密文的第一个字节与密钥做异或，得到明文的第一个字节；

（3）解密密文其他数据：将密文的第二个字节与密文的第一个字节做异或，得到明文的第二个字节。与明文的第二个字节计算方法相同，即可得到明文之后的所有数据。

设计实例中，校验数据密文的生成步骤如下：

（1）取得预设的密钥：校验数据使用的密钥与数据加密和解密的密钥不同。校验数据预设的密钥的各数据不能是全0或全1，否则将降低通讯协议的破解难度；

（2）校验数据的明文：将明文逐字节进行加和计算，将计算结果的最低字节作为校验数据的明文；

（3）校验数据的密文：将校验数据的明文与密钥做异或，得到校验数据的密文。

设计实例中，校验数据明文是将密文与对应的密钥做异或得到的数据。

5 结论

在调试过程中，内部通讯在接线良好时，通讯稳定；在人工模拟通讯干扰时，能很好地完成通讯任务；在人工模拟通讯中断时，出现了总线冲突，未造成通讯引脚损坏和CPU工作不正常，并且成功地从错误中恢复。

参考本文的设计思路，也可以设计出其他的通讯电路和通讯加密方法，为仪器的知识产权提供一个可行的保护方案。