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。
１ DS1991概述
ｉＢｕｔｔｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ 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。
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。
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