基于多密钥iButton的智能水卡的设计

摘要：DS1991是一种多密钥信息纽扣，文章介绍了DS1991的主要特点、工作原理及读写方法。给出了一种基于DS1991和PIC单片机的智能水卡设计方案，同时给出了整个系统的硬件组成原理和软件设计方法。 关键词：信息纽扣;单总线;单片机 1 DS1991概述 iButton?information Button信息纽扣是一种封装在扁圆型不锈钢外壳里的直径为16毫米的微型智能化信息载体。具有双向通讯功能，数据传输使用独特的1-Wire(单总线)协议，仅用一根数据线即可与外界进行信息交换。iButton信息钮扣与其读写器的信息传递只需短暂接触即可完成，传输速率可达16.3kbps。信息纽扣内置的NVSRAM存储器可存放文字或数字化的图像，任何时刻只要短暂的触碰就可更改存放的信息。在每一个信息纽扣的晶片上都有工厂光刻的、独一无二的64位注册码，该号码具有不可伪造性。先进的设计理念及封装形式赋予了iButton超强的抗冲击、防静电、防腐蚀、防水、防摩擦等性能，极大的提高了数据的安全性，并可确保十年以上的使用寿命。 图1 DS1991是一种加密存储型信息纽扣，它有三个独立的电子密钥分区(提供1152位的可读写非易失安全存储器)和512位暂存器。每个密钥分区包括384位，具有独立的64位密码和64位ID码。对密钥分区的读/写操作均需进行密码验证。三个区的数据可分别操作，互不干扰。512位的暂存器主要用于加密数据的拷贝，以保证安全存储器中数据的完整性。DS1991可在恶劣环境中实现带密码保护的数据传送。 DS1991通过严格的1-Wire(单总线)协议传输数据。1-Wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、写1和读数据时序等几种信号类型，所有单总线命令序列都是由这些基本的信号类型组成的。单片机访问DS1991必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM操作、存储器功能命令。 DS1991的ROM操作命令有读取(33H)、匹配(55H)、搜索(F0H)、跳过(CCH)等。这些命令可作用于DS1991的64位光刻注册码。DS1991有6个设备检测命令：写暂存器(96H)、读暂存器(69H)、复制暂存器(3CH)、

写密码(5AH)、写密钥子区(99H)、读密钥子区(66H)。存储器功能命令由三段组成：一为功能代码，二为命令的起始地址和子密钥的地址代码，三为第二个字节的取反。 2 系统结构与工作原理 本文设计了一种基于DS1991的智能水卡。这种智能水卡由于运用了iButton信息纽扣，因而便于携带，不易损坏，只需在触头上一碰，水就哗哗的流出，再次触碰则可关闭水龙头，从而很好的达到了节约用水的目的。 本设计中的单片机选用Microchip公司的PIC16C63，其最大优点是省电，该单片机在低功耗休眠状态时的静态电流小于1μA，正常工作时的最小工作电流仅为15μA，并具有看门狗复位电路，特别适合用来设计小型电子产品。无用户用水时，系统处于休眠状态，当水卡第一次碰触头时，单片机从休眠状态唤醒。iButton触头与单片机的连线极其简单，只需将PIC16C63的一根口线与其相连并外接一个上拉电阻即可。选用24WC02存储器可在掉电时保存数据。CD4098是双单稳态触发器。流量传感器选用基于模拟水表的旋翼式结构，可将叶轮的旋转转换为电信号。电磁阀选用12V低压电磁阀。其硬件连接如图1所示。 使用时，先由管理员将用户预购的水量存于卡中。用水时，用户将水卡与触头一碰。单片机首先判断是否为坏卡，然后读取iButton序列号以判断是否为该供水系统所接受的智能水卡。水卡辨识正确后再读取卡中的水量信息并打开电磁阀，此后，数码管动态显示并扣除卡中所有现存水量，以防用户不进行关水触碰。单片机实时采集流量信号，并做相应扣除。当剩余水量小于初始给定值时，水卡发出声音报警提示用户及时购水。当用户用水完毕再次触碰后或剩余水量为零时，关闭阀门，并将剩余水量存入水卡，同时存储器实时存储卡中信息，以备系统故障时正确处理。 3　软件设计 本系统对DS1991进行的操作主要包括三个过程：其中读取序列号和读密钥子区的流程图见图2所示。写密钥子区的流程图见图3。为确保数据传输的正确性，本设计对欲写的数据组都追加一个计算出的CRC校验码，并对读出的数据组添加CRC校验。只有检验正确，才视为读出的数据组，从而确保了触碰时数据传输的正确。 1-Wire的CRC校验码由如图4所示的多项式生成。该多项式方程为X8+X5+X4+1。每片DS1991都有唯一的64位ROM代码，即：8位家族码+48位唯一序列码+8位CRC校验码。移位寄存器进行零初始化后从8位家族码的最低有效位开始移入，每次移1位，当第8位家族码移入后开始移入序列号，第48位序列号移入后，移位寄存器中的值即是CRC值，此后继续移入DS1991内部的8位CRC校验码。此时如果接收数据正确，则使移位寄存器归零。CRC的编程如下： 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 本系统软件采用模块化设计，分为初始化模块、检验坏卡模块、读序列号模块、CRC校验模块、读/写DS1991模块、流量检测数据处理模块、I2C存储器存储模块、动态显示模块以及报警提醒模块等。

4 结束语 使用iButton作智能水卡时，其坚固的不锈钢外壳确保了水卡的抗冲击、防水、耐磨、耐腐蚀特性;而先进的防静电电路及芯片则可确保iButton能承受高达8,000伏的静电，从而保证自身和存储数据的安然无恙。在耐用性、识别成功性、使用方便性、加密性能及携带性等方面，该水卡比现今较流行的磁卡、IC卡、射频卡都优越许多。此外，DS1991的多密钥特性更是为数据的保密提供了可靠的保证。