BlueGuard USB Dongle - Patent Schematics

📋 System Overview

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The BlueGuard USB Dongle is a hardware security device that provides pre-boot protection against Bluetooth-based attacks. It operates independently of the host operating system, detecting and blocking threats before they can compromise the system.

🔷 STM32F405RGT6

Main Security Processor

CoreARM Cortex-M4

Speed168 MHz

Flash1 MB

RAM192 KB

📡 nRF52840

Bluetooth 5.2 Module

ProtocolBLE 5.2

Frequency2.4 GHz

TX Power+8 dBm

Sensitivity-95 dBm

🔐 ATECC608A

Secure Crypto Element

InterfaceI2C

CryptoECDSA/ECDH

HashSHA-256

Key Slots16

⚡ Power System

USB-Powered Design

InputUSB 5V

Main Rail3.3V

RF Rail1.8V

Max Draw198 mA

Secure Boot Hardware Crypto Pre-Boot Protection USB 2.0 Full-Speed

🏗️ System Block Diagram

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⚡ Main Circuit Schematic

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    BLUEGUARD USB DONGLE - MAIN SCHEMATIC                     │
│                                                                              │
│  USB CONNECTOR          POWER MANAGEMENT        MAIN PROCESSOR              │
│  ┌──────────┐          ┌──────────────┐       ┌─────────────────────┐      │
│  │    J1    │          │     U4       │       │        U1           │      │
│  │  USB-A   │  VBUS    │  AMS1117-3.3 │       │    STM32F405RGT6    │      │
│  │  Male    ├─────┬───►│              │       │                     │      │
│  │          │     │ 5V │  IN      OUT ├──┬───►│ VDD (Multiple pins) │      │
│  │  D+  ────┼─────┼────┤              │  │3.3V│                     │      │
│  │  D-  ────┼─────┼────┤  GND     GND ├──┼───►│ VSS (Multiple pins) │      │
│  │  GND ────┼─────┼────┤              │  │    │                     │      │
│  │  Shield──┼─────┘    └──────────────┘  │    │  ARM Cortex-M4      │      │
│  └──────────┘                             │    │  168 MHz            │      │
│       │                                   │    │  1MB Flash          │      │
│       │                                   │    │  192KB RAM          │      │
│  ESD Protection                           │    │  Crypto Engine      │      │
│  ┌──────────┐                             │    │  TRNG               │      │
│  │    D1    │                             │    │                     │      │
│  │ USBLC6-  │                             │    │  Pins:              │      │
│  │  2SC6    │                             │    │  PA11 (USB_DM) ◄────┼──┐   │
│  │          │                             │    │  PA12 (USB_DP) ◄────┼──┤   │
│  │  TVS     │                             │    │  PA13 (SWDIO)       │  │   │
│  │  Diodes  │                             │    │  PA14 (SWCLK)       │  │   │
│  └──────────┘                             │    │  NRST (Reset)       │  │   │
│                                           │    │  BOOT0 (Boot Mode)  │  │   │
│  DECOUPLING CAPACITORS                    │    │                     │  │   │
│  C17: 47µF ───┬──────────────────────────┘    │  I2C1 (PB8/PB9) ────┼──┼─┐ │
│  C11: 10µF ───┤                                │  SPI1 (PA5/6/7) ────┼──┼─┤ │
│  C1-10: 100nF─┴─ (One per VDD pin)            │  USART1 (PA9/10)────┼──┼─┤ │
│                                                │  GPIO (PA0-PA15)    │  │ │ │
│  RESET CIRCUIT                                 │  GPIO (PB0-PB15)    │  │ │ │
│  ┌──────────┐                                  │  GPIO (PC13-PC15)   │  │ │ │
│  │ NRST ────┼────┬──► NRST (U1)                └─────────────────────┘  │ │ │
│  │ R6: 10kΩ │    │                                                    │ │ │
│  │  Pull-up │    │                                                       │ │ │
│  └──────────┘    │                                                       │ │ │
│                                                                           │ │ │
│  CLOCK CIRCUIT                                                            │ │ │
│  ┌────────────────────────────────────┐                                  │ │ │
│  │  8 MHz CRYSTAL (Y1)                │                                  │ │ │
│  │     C15        ┌────┐      C16     │                                  │ │ │
│  │     22pF   ────┤ Y1 ├────  22pF    │                                  │ │ │
│  │      │         └────┘        │     │                                  │ │ │
│  │  OSC_IN◄──────────────────►OSC_OUT│                                  │ │ │
│  │      │                       │     │                                  │ │ │
│  │     GND                     GND    │                                  │ │ │
│  └────────────────────────────────────┘                                  │ │ │
│                                                                           │ │ │
│  USB INTERFACE CIRCUIT                                                    │ │ │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────┐          │ │ │
│  │  D+ (from J1) ──R1 (22Ω)──┬───► PA12 (USB_DP)             │          │ │ │
│  │                            │                                │          │ │ │
│  │                            R3 (1.5kΩ)                       │◄─────────┘ │ │
│  │                            │                                │            │ │
│  │                          3.3V                               │            │ │
│  │  D- (from J1) ──R2 (22Ω)─────► PA11 (USB_DM)              │◄───────────┘ │
│  └────────────────────────────────────────────────────────────┘              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

🔋 Power Distribution Network

▼

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         POWER DISTRIBUTION SCHEMATIC                       │
│                                                                              │
│  USB 5V INPUT                                                                │
│  ┌──────────┐                                                                │
│  │   VBUS   │                                                                │
│  │  (from   │                                                                │
│  │  USB J1) │                                                                │
│  └────┬─────┘                                                                │
│       │  Ferrite Bead for noise filtering                                   │
│       │  ┌────────┐                                                          │
│       └──┤  FB1   ├──┬── VBUS_FILTERED (5V)                                 │
│          │ 600Ω   │  │                                                       │
│          │@100MHz │  │                                                       │
│          └────────┘  │                                                       │
│         Bulk Filter  │                                                       │
│          C17: 47µF ──┴── GND                                                 │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  PRIMARY 3.3V REGULATOR - U4: AMS1117-3.3                              │ │
│  │      VBUS_FILTERED                                                      │ │
│  │            │                                                            │ │
│  │            ▼                                                            │ │
│  │       ┌────────┐                                                        │ │
│  │  C18  │   IN   │                                                        │ │
│  │  10µF ├►       │                                                        │ │
│  │   │   │AMS1117 │                                                        │ │
│  │  GND  │  -3.3  │                                                        │ │
│  │       │  OUT   ├──┬── 3.3V_MAIN (500mA max)                            │ │
│  │       │  GND   │  │  C11: 10µF tantalum                                │ │
│  │       └────┬───┘  │  C19: 100nF ceramic                                 │ │
│  │           GND     │                                                     │ │
│  └───────────────────┼─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                      │  3.3V_MAIN Distribution                               │
│                      ├──► U1 (STM32F405) VDD pins                           │
│                      ├──► U2 (nRF52840) VDD                                 │
│                      ├──► U3 (ATECC608A) VCC                                │
│                      ├──► U5 (1.8V LDO input)                               │
│                      └──► LED circuits + I2C pull-ups                        │
│                                                                              │
│  POWER CONSUMPTION ANALYSIS                                                  │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  Component          │ Typ Current │ Max Current │ Supply Rail          │ │
│  ├─────────────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────────────┤ │
│  │ STM32F405 (active)  │    80 mA    │   150 mA    │ 3.3V_MAIN           │ │
│  │ nRF52840 (TX)       │    15 mA    │    25 mA    │ 3.3V_MAIN + 1.8V_RF │ │
│  │ ATECC608A           │     1 mA    │     3 mA    │ 3.3V_MAIN           │ │
│  │ LEDs (both on)      │    10 mA    │    10 mA    │ 3.3V_MAIN           │ │
│  │ LDO quiescent       │     5 mA    │    10 mA    │ -                   │ │
│  ├─────────────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────────────┤ │
│  │ TOTAL               │   111 mA    │   198 mA    │ USB 5V (500mA max)  │ │
│  └────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│  Power Budget: Well within USB 2.0 specification (500mA max) ✓              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

🔌 USB Interface Detail

▼

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         USB INTERFACE - DETAILED                           │
│                                                                              │
│  USB TYPE-A MALE CONNECTOR - J1                                              │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Pin 1: VBUS (5V, Red wire)                                          │   │
│  │  Pin 2: D-   (White wire)                                            │   │
│  │  Pin 3: D+   (Green wire)                                            │   │
│  │  Pin 4: GND  (Black wire)                                            │   │
│  │  Shell: Shield (connected to GND)                                    │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  ESD PROTECTION - D1: USBLC6-2SC6                                      │ │
│  │                                                                         │ │
│  │      VBUS ────────┬────────────────► VBUS (to power)                   │ │
│  │                   │                                                     │ │
│  │      D+ ─────┬────┼───┬──► D+_PROTECTED                                 │ │
│  │              │   ┌┴───┴┐                                                │ │
│  │              └───┤USBLC│                                                │ │
│  │              ┌───┤6-2SC│                                                │ │
│  │              │   └┬───┬┘                                                │ │
│  │      D- ─────┴────┼───┴──► D-_PROTECTED                                 │ │
│  │                   │                                                     │ │
│  │                  GND                                                    │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  Function: Bidirectional TVS diodes, clamping voltage 6V               │ │
│  │  Response time: <1 nanosecond                                          │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  USB DATA LINE TERMINATION                                             │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  D+_PROTECTED ──────R1 (22Ω)──────┬──────► PA12 (USB_DP)               │ │
│  │                                   │                                     │ │
│  │                                  R3                                     │ │
│  │                                 1.5kΩ                                   │ │
│  │                                   │                                     │ │
│  │                                 3.3V                                    │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  D-_PROTECTED ──────R2 (22Ω)──────┴──────► PA11 (USB_DM)               │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  R1, R2: Series termination (22Ω) for impedance matching                │ │
│  │  R3: Pull-up (1.5kΩ) indicates Full-Speed device (12 Mbps)             │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  PCB Layout Requirements:                                               │ │
│  │  • D+/D- routed as differential pair                                   │ │
│  │  • 90Ω ±10% differential impedance                                     │ │
│  │  • Equal trace lengths (max 150 mil difference)                        │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

📡 Bluetooth Module Interface

▼

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    BLUETOOTH MODULE (nRF52840) - INTERFACE                   │
│                                                                              │
│  MODULE: MDBT50Q-1MV2 (Raytac Nordic nRF52840)                              │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  SPI INTERFACE (Primary communication method)                          │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  STM32F405                           nRF52840 Module                   │ │
│  │  ┌────────────┐                      ┌────────────────┐                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PA5 (SPI1_SCK)  ────────────────► P0.23 (SCK)    │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PA7 (SPI1_MOSI) ────────────────► P0.24 (MOSI)   │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PA6 (SPI1_MISO) ◄────────────────  P0.25 (MISO)   │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PA4 (GPIO)      ────────────────► P0.26 (CS)     │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PB0 (GPIO)      ────────────────► RESET          │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PB1 (EXTI)      ◄────────────────  P0.27 (IRQ)    │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  └────────────┘                      └────────────────┘                │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  SPI Configuration:                                                     │ │
│  │  • Mode: SPI Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0)                                   │ │
│  │  • Clock speed: 8 MHz max                                              │ │
│  │  • Data bits: 8-bit, MSB first                                         │ │
│  │  • Protocol: HCI over SPI                                              │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  BLUETOOTH RF SECTION                                                  │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  nRF52840 Module (U2)                                                   │ │
│  │  ┌────────────────┐                                                    │ │
│  │  │  RF Section    │                                                    │ │
│  │  │                │                                                    │ │
│  │  │  P0.02 ────────┼──► Integrated PCB Antenna                         │ │
│  │  │  (ANT)         │    (2.4 GHz, 50Ω impedance)                        │ │
│  │  │                │                                                    │ │
│  │  │  RF Power:     │                                                    │ │
│  │  │  VDDH ◄─── 1.8V_RF (from U5 regulator)                             │ │
│  │  └────────────────┘                                                    │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  RF Specifications:                                                     │ │
│  │  • Frequency: 2400-2483.5 MHz (Bluetooth/BLE band)                     │ │
│  │  • TX Power: -20 to +8 dBm (configurable)                              │ │
│  │  • RX Sensitivity: -95 dBm @ 1 Mbps BLE                                │ │
│  │  • Range: 50-150 meters (depends on environment)                        │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

🔐 Secure Element & Crypto

▼

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    SECURE ELEMENT - ATECC608A SCHEMATIC                      │
│                                                                              │
│  SECURE CRYPTO IC - U3: Microchip ATECC608A-MAHDA-T                        │
│  Package: 8-pin UDFN (2mm x 3mm)                                            │
│                                                                              │
│       ┌─────────────────┐                                                   │
│  NC ──┤1              8├── VCC (3.3V)                                       │
│       │                │                                                     │
│ SDA ◄─┤2   ATECC608A  7├── NC                                              │
│  (I2C)│                │                                                     │
│       │                │                                                     │
│  NC ──┤3              6├── SCL (I2C)                                       │
│       │                │                                                     │
│ GND ──┤4              5├── NC                                               │
│       └─────────────────┘                                                   │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  I2C INTERFACE CONNECTION                                              │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  STM32F405                           ATECC608A                         │ │
│  │  ┌────────────┐                      ┌────────────────┐                │ │
│  │  │  PB8 (I2C1_SCL) ─────┬───────────► Pin 6 (SCL)    │                │ │
│  │  │            │         │           │                │                │ │
│  │  │            │        R4           │                │                │ │
│  │  │            │        10kΩ         │                │                │ │
│  │  │            │         │           │                │                │ │
│  │  │            │       3.3V          │                │                │ │
│  │  │            │                      │                │                │ │
│  │  │  PB9 (I2C1_SDA) ─────┬───────────► Pin 2 (SDA)    │                │ │
│  │  │            │         │           │                │                │ │
│  │  │            │        R5           │  Decoupling:   │                │ │
│  │  │            │        10kΩ         │  C10: 100nF    │                │ │
│  │  │            │         │           │                │                │ │
│  │  │            │       3.3V          │                │                │ │
│  │  └────────────┘                      └────────────────┘                │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  I2C address: 0x60 | Clock: 100-400 kHz                                 │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  CRYPTOGRAPHIC VERIFICATION CHAIN (PATENT CLAIM)                       │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  1. POWER ON                                                            │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  2. STM32 ROM BOOTLOADER                                                │ │
│  │     • Reads firmware from Flash                                        │ │
│  │     • Extracts firmware signature                                      │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  3. VERIFY FIRMWARE SIGNATURE (via ATECC608A)                           │ │
│  │     • STM32 sends firmware hash to ATECC608A over I2C                  │ │
│  │     • ATECC608A verifies using Slot 1 (verification key)               │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  4. IF VALID → Boot firmware | IF INVALID → Halt (LED red)            │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  5. BLUETOOTH DEVICE DETECTED                                           │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  6. CHECK WHITELIST (via ATECC608A)                                     │ │
│  │     • Challenge-response authentication                                 │ │
│  │     ↓                                                                   │ │
│  │  7. IF VALID → Allow (LED green)                                       │ │
│  │     IF INVALID → Block (LED red, log threat)                          │ │
│  │                                                                         │ │
│  │  Key Slots: 0=Device Private, 1=Firmware Verify, 2-7=Whitelist, 8=AES   │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

📜 Patent Claims Demonstrated

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#	Claim	Schematic Evidence
1	Hardware-Enforced Pre-Boot Protection	USB 5V power directly feeds ARM processor. STM32F405 boots independently within 500ms. No dependency on host OS for initialization.
2	Dedicated Security Processor Architecture	Separate ARM Cortex-M4 security processor (U1). Independent from host computer CPU. Hardware crypto engine in STM32F405 + ATECC608A for key storage.
3	Bluetooth Threat Interception	Dedicated Bluetooth subsystem (nRF52840). Direct SPI/UART connection to security processor. Hardware-level packet processing at 2.4 GHz.
4	Cryptographic Verification Chain	ATECC608A secure element with write-once key slots. Hardware-accelerated ECDSA/ECDH operations. Firmware signature verification. Monotonic counter for anti-rollback.
5	USB-Based Security Architecture	USB Type-A male connector for universal compatibility. USB 2.0 Full-Speed interface (12 Mbps). 5V power delivery (up to 500mA). ESD protection for robustness.