一、普通出租車計價傳感器存在的漏洞

出租車計價器現在普遍采用電子傳感器方式，傳感器首先接收車的運行信息，然后送給計價器，計價器自動計算并顯示里程數和車費;電子傳感器方式計價器由傳感器和計價器兩部分組成。

其中，電子傳感器用來監測出租車的運行狀態，車行進一定的距離傳感器就向計價器發出一個符合要求的脈沖，微機控制部分對傳感器發來的脈沖進行計數，然后轉換成里程和車費送顯示部分進行顯示，功能鍵是用來完成計價器設置時間、日期及歷史記錄查詢等功能。

從電子式計價器原理可看出，只要向計價器發出符合要求的脈沖計價器便計費，不同的計價器對脈沖的要求不同，不同點包括正負脈沖、脈沖寬度和電平類型。現有技術模擬實現符合計價器要求的脈沖并不難，使得電子式計價器出現漏洞，降低了計價器計費的準確性和安全性。

二、建立加密傳感器加密算法模型

通過以上分析不難看出，導致電子式計價器出現漏洞的根本原因是傳感器發出的計數脈沖沒有加密，以至于使用者可以自行增加或處理脈沖，借此來達到增加計費的目的。加密傳感器的基本思想就是先對計數脈沖加密，使計費脈沖以密文方式傳輸，最后解密為明文脈沖，傳送到計價器計費。

常用的加密算法有對稱加密和非對稱加密，對稱加密中的序列密碼、分組密碼以其簡捷、快速、容易標準化等特點，成為移動通信等實時加密領域的主流算法。非對稱密碼加密以其安全性高等特點為身份認證、數據的保密性、數據的完整性提供了有力的支持，但該加密算法速度較慢，對系統資源有一定要求。

由于該系統要求實時加密，硬件系統資源非常有限，而且加密要求只是把單一的脈沖信號轉換成密文脈沖信號，所以采用對稱加密會好一些。

在所有的對稱加密算法中最簡單的一種就是“置換表”算法，在“置換表”中每一個不同的數據信號脈沖C對應著“置換表”中的一個偏移量ofrset，偏移量offset所對應的值就是這個數據信號所對應的密文文件M.加密程序和解密程序都需要“置換表”。這種加密算法比較簡單，加密解密速度都很快，為滿足系統需要，我們設計了如下加密算法：

首先把電子傳感器的每個計數脈沖C按照“置換表”轉換為一個n位的二進制數M，然后按規定的協議將M發出，送給解碼器，M既為該傳感器送出的密文文件，不同的傳感器發出不同的密文文件，當解碼器接接收到加密器發送的密文文件M后，首先和解碼器固有的密碼P比較，如果P=M，解碼器認為傳感器發的信號有效，然后向計價器發出一個計數脈沖；如果P≠M，解碼器認為傳感器發的信號非法，不向計價器發出計數脈沖，計價器不計費，由于加密器和解碼器都有自己固有的密碼，只有P=M時計價器方可計數，因此出租車司機自己更換傳感器后計價器根本不計費，計量部門可以用專用編程器改變加密協議中的“置換表”，改變加密器和解碼器的固有密碼。

三、加密傳感器系統設計

1、系統組成與工作原理

加密傳感器系統主要有加密器、解密器和密碼寫入器3大部分組成。

(1)加密器

接收霍爾元件發送的脈沖信號，檢測到這一變化后發出密碼送解碼器，每個加密器有一個固定密碼存放于程序存儲器中。

(2)密碼寫入器

為方便計量部門使用加密傳感器而設計了修改解碼器固有密碼的專門裝置，首先，讀出密碼寫入器小數字鍵上設定的密碼，當檢測到按鍵按下時，便向解碼器發送一組同步字符給解碼器，最后，把密碼按照規定的協議發送給解碼器。

(3)解碼器

可解密加密器發送的密碼，產生計數脈沖，也可以接收密碼寫入器的新密碼，從而改變解碼器固有密碼。

解碼器接收到數字信號時，首先判斷接收的是加密器發送的信號還是密碼寫入器發送的信號，它是通過判斷接收的第一組數據是否為同步字符來完成的，若是同步字符，則認為是密碼寫入器發送的信號，接收后面的數據并保存到E2PROM中，作為新的固有密碼。若不是同步字符，則讀出自己E2PROM中的固有密碼，與之相比較，若相等，則發送一個2ms的高電平的計數脈沖給計價器，否則不發送該脈沖。

2、單片機選型

在密碼傳感器中，為了保證其安全性，加密器必須與霍爾元件封裝于一起，這樣，加密器可占用空間很小，且環境溫度比較高(夏季達110℃)，因此，要求單片機具有外圍元件少、工作溫度高和體小等特點，解碼器對單片機要求除具有加密器的單片機特點外，還應具有E2PROM存儲單元，實現解碼器固有密碼的修改和保存，以方便計量部門給加密器和解密器的配對。密碼寫入器為計量部門專用設備，用來修改解碼器的固有密碼，對單片機無特殊要求，以價格低廉為主要目標。

美國Microchip公司生產的8位單片機PIC12C508Ac5J和PIC12CE518A型產品，僅有8個引腳，且具有低功耗、多功能、高性能、體積小和售價低等特點，在本系統中，加密器、解密器和密碼寫人器分別采用了PIC12C508A、PIC12CE518A和INTER8031單片機。

3、加密器設計

在本系統中，加密器固有密碼用5位十進制數表示，每位數字按脈沖方式發送，0發送10個脈沖，1至9發送的脈沖數與其值相等，脈沖格式如圖4，每個脈沖低電平的時間是10μs，高電平的時間是15μsS，周期為25μs，發送一個數所用的時間小于255μs。

加密器中的核心部件為12C508A，910為霍爾元件產生計數脈沖，PIC12C508A單片機接收到計數脈沖后首先進行加密，然后將密碼發送給解碼器。

4、解碼器設計

(1)電路原理圖

解碼器電路主要包括光電隔離部分、12CE518A單片機和計數脈沖輸出電路組成，光電隔離采用TPL521-1，用于去干擾，保證系統可靠性。12CE518A單片機是解碼器的核心部件，完成密碼接收、解密、密碼修改和計數脈沖輸出等工作。計數脈沖輸出電路用于TTL電平到+12V電平脈沖的轉換。

(2)固有密碼的存儲

串行E2PROM是可在線電擦除和電寫入的存儲器，具有體積小、接口簡單、數據保存可靠、可在線改寫、功耗低等特點，而且為低電壓寫入，在單片機系統中應用十分普遍，單片機PIC12CE518A內部有16個字節的E2PROM，CPU和E2PROM采用I2C總線結構連接，GP6(SDA)和GP7(SCL)分別為數據線，時鐘線，無需外接E2PROM。

(3)密碼接收

解碼器工作時，首先讀出E2PROM中OOH-04H中存放的固有密碼，分別保存在5個寄存器中，然后調用接收數據子程序，接受一個數據并存入寄存器中，判斷是否為同步字符，不是同步字符，說明數據來自加密器，繼續接收另外4個數據，將剛剛接收的5個數據與固有密碼比較，如果相同，則說明接收的密碼正確，在GPO引腳上發送一個2ms的計數脈沖，然后返回，否則直接返回;若是同步字符，則說明是密碼寫入器發送來的信號，要求修改解碼器的固有密碼，繼續接收5個分別寫入E2PROM的OOH-04H中，然后返回。程序只需在上電時從E2PROM中讀一次固有密碼，以后就不在訪問E2PROM，這樣可保證計費準確度符合國家標準。

在加密傳感器中，加密器向解碼器發送的是密碼，只有加密器和解密器固有密碼相同時，解碼器才向計價器中發送計數脈沖，計價器才計費。使用OTP單片機，程序一旦燒錄后是無法改變，要想修改解密器固有密碼，必須使用專用密碼寫入器，因此，加密傳感器提高了計價器計費可靠性，實現了計價器有國家計量部門統一安裝、維修和年檢的統一管理。