基于DS1991加密存儲型信息紐扣的智能水卡的設(shè)計

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存儲器可存放文字或數(shù)字化的圖像，任何時刻只要短暫的觸碰就可更改存放的信息?在每一個信息紐扣的芯片上都有工廠光刻的?獨一無二的64位注冊碼，該號碼具有不可偽造性?先進(jìn)的設(shè)計理念及封裝形式賦予了iButton超強的抗沖擊?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?

DS1991是一種加密存儲型信息紐扣，它有三個獨立的電子密鑰分區(qū)（提供1152位的可讀寫非易失安全存儲器）和512位暫存器?每個密鑰分區(qū)包括384位，具有獨立的64位密碼和64位ID碼?對密鑰分區(qū)的讀/寫操作均需進(jìn)行密碼驗證?三個區(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，以保證安全存儲器中數(shù)據(jù)的完整性?DS1991可在惡劣環(huán)境中實現(xiàn)帶密碼保護的數(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)時序等幾種信號類型，所有單總線命令序列都是由這些基本的信號類型組成的?單片機訪問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位光刻注冊碼?DS1991有6個設(shè)備檢測命令：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，三為第二個字節(jié)的取反?

2 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計了一種基于DS1991的智能水卡?這種智能水卡由于運用了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)計中的單片機選用Microchip公司的PIC16C63，其最大優(yōu)點是省電，該單片機在低功耗休眠狀態(tài)時的靜態(tài)電流小于1μA，正常工作時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)計小型電子產(chǎn)品?無用戶用水時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)水卡第一次碰觸頭時，單片機從休眠狀態(tài)喚醒?iButton觸頭與單片機的連線極其簡單，只需將PIC16C63的一根口線與其相連并外接一個上拉電阻即可?選用24WC02存儲器可在掉電時保存數(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?電磁閥選用12V低壓電磁閥?其硬件連接如圖1所示?

使用時，先由管理員將用戶預(yù)購的水量存于卡中?用水時，用戶將水卡與觸頭一碰?單片機首先判斷是否為壞卡，然后讀取iButton序列號以判斷是否為該供水系統(tǒng)所接受的智能水卡?水卡辨識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?單片機實時采集流量信號，并做相應(yīng)扣除?當(dāng)剩余水量小于初始給定值時，水卡發(fā)出聲音報警提示用戶及時購水?當(dāng)用戶用水完畢再次觸碰后或剩余水量為零時，關(guān)閉閥門，并將剩余水量存入水卡，同時存儲器實時存儲卡中信息，以備系統(tǒng)故障時正確處理?

3 、軟件設(shè)計

本系統(tǒng)對DS1991進(jìn)行的操作主要包括三個過程：其中讀取序列號和讀密鑰子區(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)計對欲寫的數(shù)據(jù)組都追加一個計算出的CRC校驗碼，并對讀出的數(shù)據(jù)組添加CRC校驗?只有檢驗正確，才視為讀出的數(shù)據(jù)組，從而確保了觸碰時數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_?

1-Wire的CRC校驗碼由如圖4所示的多項式生成?該多項式方程為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，第48位序列號移入后，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校驗碼?此時如果接收數(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，分為初始化模塊?檢驗壞卡模塊?讀序列號模塊?CRC校驗?zāi)K?讀/寫DS1991模塊?流量檢測數(shù)據(jù)處理模塊?I2C存儲器存儲模塊?動態(tài)顯示模塊以及報警提醒模塊等?

4 、結(jié)束語

使用iButton作智能水卡時，其堅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數(shù)據(jù)的安然無恙?在耐用性?識別成功性?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?

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