基于多密鑰iButton的智能水卡的設計

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(xiě)方法。給出了一種基于DS1991和PIC單片機的智能水卡設計方案，同時(shí)給出了整個(gè)系統的硬件組成原理和軟件設計方法。 關(guān)鍵詞：信息紐扣;單總線(xiàn);單片機 1 DS1991概述 iButtoninformation 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，數據傳輸使用獨特的1-Wire(單總線(xiàn))協(xié)議，僅用一根數據線(xiàn)即可與外界進(jìn)行信息交換。iButton信息鈕扣與其讀寫(xiě)器的信息傳遞只需短暫接觸即可完成，傳輸速率可達16.3kbps。信息紐扣內置的NVSRAM存儲器可存放文字或數字化的圖像，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(chǎng)光刻的、獨一無(wú)二的64位注冊碼，該號碼具有不可偽造性。先進(jìn)的設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，極大的提高了數據的安全性，并可確保十年以上的使用壽命。 圖1 DS1991是一種加密存儲型信息紐扣，它有三個(gè)獨立的電子密鑰分區(提供1152位的可讀寫(xiě)非易失安全存儲器)和512位暫存器。每個(gè)密鑰分區包括384位，具有獨立的64位密碼和64位ID碼。對密鑰分區的讀/寫(xiě)操作均需進(jìn)行密碼驗證。三個(gè)區的數據可分別操作，互不干擾。512位的暫存器主要用于加密數據的拷貝，以保證安全存儲器中數據的完整性。DS1991可在惡劣環(huán)境中實(shí)現帶密碼保護的數據傳送。 DS1991通過(guò)嚴格的1-Wire(單總線(xiàn))協(xié)議傳輸數據。1-Wire協(xié)議定義了復位脈沖、應答脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1和讀數據時(shí)序等幾種信號類(lèi)型，所有單總線(xiàn)命令序列都是由這些基本的信號類(lèi)型組成的。單片機訪(fǎng)問(wèn)DS1991必須嚴格遵循單總線(xiàn)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(guò)(CCH)等。這些命令可作用于DS1991的64位光刻注冊碼。DS1991有6個(gè)設備檢測命令：寫(xiě)暫存器(96H)、讀暫存器(69H)、復制暫存器(3CH)、

寫(xiě)密碼(5AH)、寫(xiě)密鑰子區(99H)、讀密鑰子區(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(gè)字節的取反。 2 系統結構與工作原理 本文設計了一種基于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，從而很好的達到了節約用水的目的。 本設計中的單片機選用Microchip公司的PIC16C63，其最大優(yōu)點(diǎn)是省電，該單片機在低功耗休眠狀態(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(mén)狗復位電路，特別適合用來(lái)設計小型電子產(chǎn)品。無(wú)用戶(hù)用水時(shí)，系統處于休眠狀態(tài)，當水卡第一次碰觸頭時(shí)，單片機從休眠狀態(tài)喚醒。iButton觸頭與單片機的連線(xiàn)極其簡(jiǎn)單，只需將PIC16C63的一根口線(xiàn)與其相連并外接一個(gè)上拉電阻即可。選用24WC02存儲器可在掉電時(shí)保存數據。CD4098是雙單穩態(tài)觸發(fā)器。流量傳感器選用基于模擬水表的旋翼式結構，可將葉輪的旋轉轉換為電信號。電磁閥選用12V低壓電磁閥。其硬件連接如圖1所示。 使用時(shí)，先由管理員將用戶(hù)預購的水量存于卡中。用水時(shí)，用戶(hù)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(kāi)電磁閥，此后，數碼管動(dòng)態(tài)顯示并扣除卡中所有現存水量，以防用戶(hù)不進(jìn)行關(guān)水觸碰。單片機實(shí)時(shí)采集流量信號，并做相應扣除。當剩余水量小于初始給定值時(shí)，水卡發(fā)出聲音報警提示用戶(hù)及時(shí)購水。當用戶(hù)用水完畢再次觸碰后或剩余水量為零時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)，并將剩余水量存入水卡，同時(shí)存儲器實(shí)時(shí)存儲卡中信息，以備系統故障時(shí)正確處理。 3　軟件設計 本系統對DS1991進(jìn)行的操作主要包括三個(gè)過(guò)程：其中讀取序列號和讀密鑰子區的流程圖見(jiàn)圖2所示。寫(xiě)密鑰子區的流程圖見(jiàn)圖3。為確保數據傳輸的正確性，本設計對欲寫(xiě)的數據組都追加一個(gè)計算出的CRC校驗碼，并對讀出的數據組添加CRC校驗。只有檢驗正確，才視為讀出的數據組，從而確保了觸碰時(shí)數據傳輸的正確。 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(kāi)始移入，每次移1位，當第8位家族碼移入后開(kāi)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，此后繼續移入DS1991內部的8位CRC校驗碼。此時(shí)如果接收數據正確，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 本系統軟件采用模塊化設計，分為初始化模塊、檢驗壞卡模塊、讀序列號模塊、CRC校驗模塊、讀/寫(xiě)DS1991模塊、流量檢測數據處理模塊、I2C存儲器存儲模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊以及報警提醒模塊等。

4 結束語(yǔ) 使用iButton作智能水卡時(shí)，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8,000伏的靜電，從而保證自身和存儲數據的安然無(wú)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據的保密提供了可靠的保證。