基于多密鑰iButton的智能水卡的設(shè)計(jì)

摘要：DS1991是一種多密鑰信息紐扣，文章介紹了DS1991的主要特點(diǎn)、工作原理及讀寫方法。給出了一種基于DS1991和PIC單片機(jī)的智能水卡設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成原理和軟件設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：信息紐扣;單總線;單片機(jī) 1 DS1991概述 iButton?information Button信息紐扣是一種封裝在扁圓型不銹鋼外殼里的直徑為16毫米的微型智能化信息載體。具有雙向通訊功能，數(shù)據(jù)傳輸使用獨(dú)特的1-Wire(單總線)協(xié)議，僅用一根數(shù)據(jù)線即可與外界進(jìn)行信息交換。iButton信息鈕扣與其讀寫器的信息傳遞只需短暫接觸即可完成，傳輸速率可達(dá)16.3kbps。信息紐扣內(nèi)置的NVSRAM存儲(chǔ)器可存放文字或數(shù)字化的圖像，任何時(shí)刻只要短暫的觸碰就可更改存放的信息。在每一個(gè)信息紐扣的晶片上都有工廠光刻的、獨(dú)一無二的64位注冊(cè)碼，該號(hào)碼具有不可偽造性。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及封裝形式賦予了iButton超強(qiáng)的抗沖擊、防靜電、防腐蝕、防水、防摩擦等性能，極大的提高了數(shù)據(jù)的安全性，并可確保十年以上的使用壽命。 圖1 DS1991是一種加密存儲(chǔ)型信息紐扣，它有三個(gè)獨(dú)立的電子密鑰分區(qū)(提供1152位的可讀寫非易失安全存儲(chǔ)器)和512位暫存器。每個(gè)密鑰分區(qū)包括384位，具有獨(dú)立的64位密碼和64位ID碼。對(duì)密鑰分區(qū)的讀/寫操作均需進(jìn)行密碼驗(yàn)證。三個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)可分別操作，互不干擾。512位的暫存器主要用于加密數(shù)據(jù)的拷貝，以保證安全存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的完整性。DS1991可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)帶密碼保護(hù)的數(shù)據(jù)傳送。 DS1991通過嚴(yán)格的1-Wire(單總線)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。1-Wire協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1和讀數(shù)據(jù)時(shí)序等幾種信號(hào)類型，所有單總線命令序列都是由這些基本的信號(hào)類型組成的。單片機(jī)訪問DS1991必須嚴(yán)格遵循單總線命令序列，即初始化、ROM操作、存儲(chǔ)器功能命令。 DS1991的ROM操作命令有讀取(33H)、匹配(55H)、搜索(F0H)、跳過(CCH)等。這些命令可作用于DS1991的64位光刻注冊(cè)碼。DS1991有6個(gè)設(shè)備檢測(cè)命令：寫暫存器(96H)、讀暫存器(69H)、復(fù)制暫存器(3CH)、

寫密碼(5AH)、寫密鑰子區(qū)(99H)、讀密鑰子區(qū)(66H)。存儲(chǔ)器功能命令由三段組成：一為功能代碼，二為命令的起始地址和子密鑰的地址代碼，三為第二個(gè)字節(jié)的取反。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 本文設(shè)計(jì)了一種基于DS1991的智能水卡。這種智能水卡由于運(yùn)用了iButton信息紐扣，因而便于攜帶，不易損壞，只需在觸頭上一碰，水就嘩嘩的流出，再次觸碰則可關(guān)閉水龍頭，從而很好的達(dá)到了節(jié)約用水的目的。 本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)選用Microchip公司的PIC16C63，其最大優(yōu)點(diǎn)是省電，該單片機(jī)在低功耗休眠狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)電流小于1μA，正常工作時(shí)的最小工作電流僅為15μA，并具有看門狗復(fù)位電路，特別適合用來設(shè)計(jì)小型電子產(chǎn)品。無用戶用水時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)水卡第一次碰觸頭時(shí)，單片機(jī)從休眠狀態(tài)喚醒。iButton觸頭與單片機(jī)的連線極其簡(jiǎn)單，只需將PIC16C63的一根口線與其相連并外接一個(gè)上拉電阻即可。選用24WC02存儲(chǔ)器可在掉電時(shí)保存數(shù)據(jù)。CD4098是雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。流量傳感器選用基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，可將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電磁閥選用12V低壓電磁閥。其硬件連接如圖1所示。 使用時(shí)，先由管理員將用戶預(yù)購(gòu)的水量存于卡中。用水時(shí)，用戶將水卡與觸頭一碰。單片機(jī)首先判斷是否為壞卡，然后讀取iButton序列號(hào)以判斷是否為該供水系統(tǒng)所接受的智能水卡。水卡辨識(shí)正確后再讀取卡中的水量信息并打開電磁閥，此后，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示并扣除卡中所有現(xiàn)存水量，以防用戶不進(jìn)行關(guān)水觸碰。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集流量信號(hào)，并做相應(yīng)扣除。當(dāng)剩余水量小于初始給定值時(shí)，水卡發(fā)出聲音報(bào)警提示用戶及時(shí)購(gòu)水。當(dāng)用戶用水完畢再次觸碰后或剩余水量為零時(shí)，關(guān)閉閥門，并將剩余水量存入水卡，同時(shí)存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)存儲(chǔ)卡中信息，以備系統(tǒng)故障時(shí)正確處理。 3　軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)對(duì)DS1991進(jìn)行的操作主要包括三個(gè)過程：其中讀取序列號(hào)和讀密鑰子區(qū)的流程圖見圖2所示。寫密鑰子區(qū)的流程圖見圖3。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，本設(shè)計(jì)對(duì)欲寫的數(shù)據(jù)組都追加一個(gè)計(jì)算出的CRC校驗(yàn)碼，并對(duì)讀出的數(shù)據(jù)組添加CRC校驗(yàn)。只有檢驗(yàn)正確，才視為讀出的數(shù)據(jù)組，從而確保了觸碰時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。 1-Wire的CRC校驗(yàn)碼由如圖4所示的多項(xiàng)式生成。該多項(xiàng)式方程為X8+X5+X4+1。每片DS1991都有唯一的64位ROM代碼，即：8位家族碼+48位唯一序列碼+8位CRC校驗(yàn)碼。移位寄存器進(jìn)行零初始化后從8位家族碼的最低有效位開始移入，每次移1位，當(dāng)?shù)?位家族碼移入后開始移入序列號(hào)，第48位序列號(hào)移入后，移位寄存器中的值即是CRC值，此后繼續(xù)移入DS1991內(nèi)部的8位CRC校驗(yàn)碼。此時(shí)如果接收數(shù)據(jù)正確，則使移位寄存器歸零。CRC的編程如下： CHECKCRC: MOVLW 8 MOVWF RXBUF CRCLP:

BTFSS MD2,0 GOTO CRC0 MOVLW 1 GOTO CRC1 CRC0: MOVLW 0 CRC1: XORWF MD1,W MOVWF NUMB RRF NUMB BTFSS STATUS,0 GOTO CRC2 MOVF MD1,W XORLW 18H MOVWF MD1 CRC2: RRF MD1 RRF MD2 DECFSZ RXBUF GOTO CRCLP RETURN 本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為初始化模塊、檢驗(yàn)壞卡模塊、讀序列號(hào)模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、讀/寫DS1991模塊、流量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理模塊、I2C存儲(chǔ)器存儲(chǔ)模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊以及報(bào)警提醒模塊等。

4 結(jié)束語 使用iButton作智能水卡時(shí)，其堅(jiān)固的不銹鋼外殼確保了水卡的抗沖擊、防水、耐磨、耐腐蝕特性;而先進(jìn)的防靜電電路及芯片則可確保iButton能承受高達(dá)8,000伏的靜電，從而保證自身和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安然無恙。在耐用性、識(shí)別成功性、使用方便性、加密性能及攜帶性等方面，該水卡比現(xiàn)今較流行的磁卡、IC卡、射頻卡都優(yōu)越許多。此外，DS1991的多密鑰特性更是為數(shù)據(jù)的保密提供了可靠的保證。