1-wire系统中TM卡的单片机等效替换

TM（Touch Memory）卡是美国Dallas公司的专利产品。它采用单线协议通信，通过瞬间碰触完成数据读写，既具有非接触式IC卡的易操作性，又具有接触式IC卡的廉价性，是当前性价比最优秀的IC卡之一。它的外形类似于一个钮扣（button）电池，可镶嵌于卡片、钥匙扣等物体上。

　　TM卡通过一个多功能器将数据线、地址线、控制线和电源线合并为1根线，实现单线通信。当主机加电时，TM卡通过500 kΩ和50 Ω阻抗之间的切换来响应主机，用信号被拉低的时长（长或短）来表示数字逻辑（长为1，短为0）。由于阻抗切换的幅度为10 000∶1，因此，触点的接触电阻不会影响数字信号的辨识。

2  1wire通信协议

　　单总线即只有1根数据线, 系统中的数据交换、控制都由这根线完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线, 以允许设备在不发送数据时能够释放总线, 而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为4.7 kΩ 的上拉电阻, 这样, 当总线闲置时, 其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成： 初始化1wire 器件；识别1wire 器件；交换数据。由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时, 从机才能应答, 因此主机访问1wire 器件都必须严格遵循单总线命令序列, 即初始化、ROM 命令、功能命令。如果出现序列混乱,1wire 器件将不响应主机(搜索ROM 命令,报警搜索命令除外)。

　　SMC1990A1是具有工厂激光刻度的64位ROM ID码,其中包括48位的序列号、1个8位的CRC编码和1个8位的产品系列号。数据遵循单总线协议传输，用于读和写的电源由数据线本身提供，而不需要提供外部电源。

3  SMC1990A1的等效替换

　　单总线技术具有节省I/O口线资源，线路简单，硬件开支少，成本低，便于总线扩展和维护等优点。在分布式测控系统中有着广泛的应用。在实际应用过程中，可能会出现TM卡丢失和损坏的情况，如果发生此类情况，往往需要根据一个新TM卡来设置多个采集点的权限。如果采集点设置得很多，将浪费大量的人力。此时，利用单片机来替换已丢失或损坏的TM卡就显得很有必要。

3.1  系统硬件组成

　　系统采用AT89C51作为控制器，并采用24 MHz晶振。为了能尽量适应标准的单总线通信协议，晶振频率应尽量高。考虑到单总线通信协议所有的传输都是由主机发起的，因此为了尽快地响应主机，采用中断处理。选择AT89C51的INT0（即P3.2）作为SMC1990A1等效替换的正极。图1为TM卡的等效替换示意图。

图1  TM卡的等效替换

3.2  系统软件设计

　　对于SMC1990A1的等效替换，主要是对其时序的分析。对于SMC1990A1子设备，主要的编程是针对主机而言的，传输都是由主机发起的。现在改为单片机模拟SMC1990A1子设备（现称为“从机”）。

图2  初始化时序

　　首先，初始化时序，如图2所示。主机首先发送一个复位脉冲，历时tRETL(最短为480 μs的低电平信号)，然后释放总线并进入接收状态。从机在检测到总线的上升沿后,等待tPDH时间后，从机拉低总线发出存在脉冲，历时tPDL(低电平,持续60～240 μs)，然后释放总线。释放总线通过拉高总线实现。

　　对应于从机，初始化时序的中断服务程序流程如图3所示。

图3  初始化时序的中断服务程序流程

　　下面是主机写0和写1时序。在初始化时序后，当主机总线从高电平拉至低电平时，就产生写时间隙。在开始15 μs之内，应将所需写的位送到总线上，从机在开始后15 ～60 μs间对总线采样。若为低电平，写入的位是0，如图4所示；若为高电平，写入的位是1，如图5所示。连续写多位间的间隙tREC应大于1 μs。

图4  主机写0时序

图5  主机写1时序

　　对应于从机，是等待主机命令。从机等待主机命令的中断服务程序流程如图6所示。

图6  从机等待主机命令的中断服务程序流程

　　最后是主机读数据时序，如图7所示。主机总线在开始时刻从高电平拉至低电平时,总线只需保持低电平1～7 μs。之后在tLOWR时刻释放总线,一般在tRDV时刻采样总线(15 μs处),读时间隙在tLOWR与tRDV之间有效。从机必须在tRDV时刻前拉高或拉低总线，主机在tRDV时刻采样,并在60～120 μs内释放总线。

图7  主机读数据时序

　　对从机来说，则为发送64位ID处理。程序处理的难点在于从机必须在15 μs之前拉高或拉低总线，以供主机在15 μs处采样总线。程序通过判断位地址00H处的状态来实现此功能。通过判断位地址01H处的状态来确定发送位0或发送位1。从机发送64位ID处理的中断服务程序流程如图8所示。

图8  从机发送64位ID处理的中断服务程序流程

　　在完整地实现一次ROM功能的过程中，从机首先等待主机发送的复位脉冲，待检测到后发图9实现ROM功能的流程送存在脉冲应答。随后，从机开始接收主机发送的ROM命令，并将其保存，以判断随后的操作。最后，从机发送TM卡的64位标识码，完成一次ROM命令的执行。实现ROM功能的流程如图9所示。

　　单片机的汇编程序如下：

　　　　ORG0000H
　　　　AJMPInit//跳到Init段
　　　　ORG0003H
　　　　AJMPJudge//跳到中断服务程序
　　Init: //初始化
　　　　MOVDPTR,#ID//ID表地址
　　　　MOVR5,#001H
　　　　MOVR7,#000H
　　　　CLR00H
　　　　SETB01H
　　　　SETBP3.2
　　　　LCALLDelay10s
　　　　CLRP3.2//拉低总线叫醒主机
　　　　LCALLDelay100us
　　　　SETBP3.2
　　　　SETBEA
　　　　SETBIT0
　　　　SETBEX0
　　MAIN:  AJMPMAIN//主循环
　　Judge:CLREX0//判断执行动作,关中断
　　　　JNB00H,SecondJ//跳到二次判断
　　ID_IN:JB01H,SEND1//从机发送TM卡64位标识码
　　　　CLRP3.2//发送位0
　　SEND1:SETBP3.2 //发送位1
　　　　LCALLDelay30us
　　　　MOVA,R5//R5循环左移
　　　　RLA
　　　　MOVR5,A
　　　　MOVA,#00H
　　　　MOVCA,@A+DPTR
　　　　ANLA,R5
　　　　CLR01H//设置01H状态
　　　　JZRelease1
　　　　SETB01H
　　Release1:SETBP3.2
　　　　MOVA,R5
　　　　ANLA,#080H//判断字节发送完否
　　　　JZINTEND
　　　　INCDPTR
　　　　AJMPINTEND//跳到中断结束
　　SecondJ:MOVA,R7//二次判断
　　　　JZWaitReply//跳到执行应答判断是否命令接收结束
　　　　ANLA,#008H
　　　　JZWaitOrder//跳到执行接收命令
　　　　SETB00H
　　WaitOrder: LCALLDelay15us//接收命令
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　MOVA,P3//采样P3.2
　　　　ANLA,#004H
　　　　JZSAVE_R6
　　　　MOVA,#001H
　　SAVE_R6:
　　　　ORLA,R6 //保存命令到R6
　　　　RRA
　　　　MOVR6,A
　　RLOOP1:
　　　　MOVA,P3//判断主机的发送状态,是否返回
　　　　ANLA,#004H
　　　　JZRLOOP1
　　　　AJMPINTEND//跳到中断结束
　　WaitReply://执行应答
　　RLOOP:MOVA,P3//判断主机的复位信号
　　　　ANLA,#004H
　　　　JZRLOOP
　　　　LCALLDelay30us
　　　　CLRP3.2//从机拉低电平应答
　　　　LCALLDelay150us
　　　　SETBP3.2//释放总线
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　NOP
　　INTEND:
　　　　INCR7
　　　　CLRIE0
　　　　SETBEX0//开中断
　　　　RETI//中断返回
　　ID:DB001H//ID表
　　　　DB0C3H
　　　　DB04DH
　　　　DB057H
　　　　DB033H
　　　　DB022H
　　　　DB000H
　　　　DB0D2H

　　本文代码在实际运用中得到了很好的验证，能够稳定地替代SMC1990A1实现TM卡的ROM功能，极大地方便了权限管理人员用于丢失或损坏的TM卡的权限管理。