基于DS2432型自動加密電路的USB口1－Wire總線適配器的設(shè)計

1 引言

隨著計算機硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)逐步取代分散式工業(yè)控制系統(tǒng)，成為計算機技術(shù)及電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一種邊緣分支并取得巨大進步，美國美信公司設(shè)計的1－wire總線是眾多現(xiàn)場總線中極具競爭力的一種，具備能與計算機進行數(shù)字通信、總線負載量大、布線簡練，精度高、性能穩(wěn)定，價格便宜等諸多特點，特別是非常適合中短距離通信，是工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計的高級境界。

1－wrie[1]測量網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要與pc主機相結(jié)合，所以在1－wire總線組成的測量網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)適配器是必不可少的，它擔(dān)負著主機監(jiān)控單元與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，usb接口總線具有高速傳輸、支持熱插拔、即插即用、開發(fā)成本低等優(yōu)點。ds2432提供了一種緊湊的密鑰存儲方案。有效地降低了硬件仿制的可行性。據(jù)此，本文提出了一種基于ds2432的1－wire總線usb口適配器的設(shè)計方法。

2 ds2432的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加密原理

2.1 ds2432的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ds2432[2]是倒裝芯片，有8個引腳，將控制、尋址、數(shù)據(jù)和電源集于一個數(shù)據(jù)引腳，可以在－40℃～＋85℃，2.8v－5.25v的寬電壓范圍內(nèi)進行讀、寫操作，內(nèi)置多點控制，其引腳排列如圖1所示。

ds2432的內(nèi)部原理框圖如圖2所示。該電路主要由64位掩模rom、64位暫存器、4個32字節(jié)的eeprom，64位寄存器、64位密鑰存儲器及512位sha－1（安全散列算法）引擎6個主數(shù)據(jù)部件組成。

2.2 ds2432的加密原理

ds2432有四個存儲區(qū)：數(shù)據(jù)存儲器、密鑰存儲器、含有特定功能和用戶字節(jié)的寄存器頁和暫存器。數(shù)據(jù)存儲器每頁32個字節(jié)。密鑰、寄存器頁和暫存器均為8字節(jié)。向數(shù)據(jù)存儲器寫數(shù)據(jù)、裝載初始密鑰，或者向寄存器頁寫入數(shù)據(jù)時，暫存器作為緩存器使用。數(shù)據(jù)存儲器、密鑰存儲器和寄存器頁位于線性地址空間中，數(shù)據(jù)存儲器和寄存器頁對讀訪問沒有限制，但向數(shù)據(jù)存儲器和寄存器頁寫數(shù)據(jù)時則需要知道密鑰，密鑰的安裝有二種方法，一是把數(shù)據(jù)從暫存器復(fù)制到密鑰存儲器，二是當(dāng)前密鑰和暫存器內(nèi)容經(jīng)過運算后生成新的密鑰，密鑰不能直接讀取，只有sha引擎能夠訪問它，計算信息鑒定碼mac。

地址0088h－008fh為寄存器頁，含有特定功能寄存器、通用用戶字節(jié)以及1個工廠字節(jié)。一旦編程為aah或55h。這些字節(jié)中的大多數(shù)將被寫保護而不能再更改，其他所有代碼既不能寫保護，也不能激活與這個特定字節(jié)相關(guān)的特殊功能，特殊功能包括僅寫保護密鑰，同時寫保護4個數(shù)據(jù)存儲器頁，僅激活數(shù)據(jù)存儲器頁1的eprom模式，僅激活數(shù)據(jù)存儲器頁的0的eprom模式，一旦eprom模式被激活，數(shù)據(jù)存儲器未加寫保護的情況下，地址0020h－003fh中的位只能從邏輯1改為邏輯0。若讀取到的地址設(shè)為55h，表明地址008e和008f是可讀/寫的用戶字節(jié)，沒有任何特定功能和鎖定機制。代碼aah表明這二個字節(jié)被編程為16位的id，并且被加寫保護，主機與1－wire設(shè)備進行通信時，用戶要提供16位的id識別碼，用來協(xié)助應(yīng)用軟件識別包含ds2432的1－wire網(wǎng)絡(luò)適配器。

3 適配器的設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

適配器需2個接口電路分別與計算機主機系統(tǒng)和1－wire網(wǎng)絡(luò)進行通信，與主機系統(tǒng)進行通信主要通過usb協(xié)議實現(xiàn)，稱為usb接口電路；與1－wire網(wǎng)絡(luò)之間的通信通過usb到1－wire總線的橋接電路ds2490s實現(xiàn)，但需1個rj－11插座，稱為rj－11橋接電路，本設(shè)備采用usb總線的供電方式。

3.1.1 usb接口電路設(shè)計

usb接口電路的原理如圖3所示。

r3是上拉電阻器，它可使usb口的d＋端上拉到ds2490s的vb端，表示usb主機系統(tǒng)是高速設(shè)備，同時這個上拉電阻器告訴主機有usb設(shè)備插入。該上拉電阻器的設(shè)置對適配器的影響很大，它的負載值和1－wire網(wǎng)絡(luò)的總廠決定1－wire總線電壓上升到5v的速度，經(jīng)過實驗測試選擇r3的阻值為27歐姆±10％。r1、r2為usb數(shù)據(jù)線保護電阻器。l1、l2具有禁止高頻干擾并且減弱emi輻射的功能，lf33cv為3.3v電壓穩(wěn)壓器，與周圍元件c1、c2組成強上拉部分，給eeprom或溫度傳感器等器件提供額外的電源。

3.1.2 rj－11橋接電路的設(shè)計

rj－11橋接電路的原理如圖4所示。

ds2490s[3]是usb口與1－wire器件的橋接電路，可直接連至usb主機系統(tǒng)。它可產(chǎn)生嚴格定時和受電壓擺率控制的1－wire波形，并且可滿足usb接口通信協(xié)議的要求，保證usb口與1－wire器件正常，安全地通信。

晶體振蕩器電路主要由x1構(gòu)成，在整個系統(tǒng)中非常重要，可保證ds2490s穩(wěn)定工作。為了產(chǎn)生12mb/s的usb總線速率，系統(tǒng)使用12mhz的晶體振蕩器，電容器的接入是為了使晶體振蕩器更容易起振。肖特基二極管d1，d2可消除來自于esd采樣數(shù)的尖峰信號或通過分別導(dǎo)通d1，d2至gnd，交叉耦合其他的鄰近電纜，防止1－wire總線過電壓，電阻器r5可限制esd的電流并保護d1和d2，r4、r5和d3組成諧振電路，其特有的靜電晶體振蕩器放電功能可對1－wire總線起到保護作用。

建議在1－wire網(wǎng)絡(luò)應(yīng)外中使用阻抗約100歐姆非屏蔽雙絞電纜，在本電路設(shè)計中考慮到這方面的原因，將r4、r5的阻值定位1k歐姆，滿足了適配器數(shù)據(jù)通信的要求，整體電路原理如圖5所示。

3.2 適配器軟件設(shè)計

軟件設(shè)計[4]主要包括計算機端usb接口驅(qū)動程序模塊設(shè)計和ds2490s橋接模塊與讀取ds2432模塊的固件設(shè)計。在設(shè)計中將軟件程序模塊化，可方便調(diào)試和完善，本適配器軟件的設(shè)計是在windows2000系統(tǒng)環(huán)境下進行的，設(shè)計工具是visualc＋＋和driverstudio。maxim公司為軟件開發(fā)者提供了的大量的驅(qū)動程序和測試代碼。使用時僅需針對具體情況進行修改。這里不對源代碼進行贅述，僅給出加密軟件流程。如圖6所示。

4 適配器通信信號性能測試

對于遠程1－wire測量網(wǎng)絡(luò)的通信，在核實信號時，尤其是在電纜末端，必須使用差分探測器和探測器的地浮動參考，另外，探測器的地連接將設(shè)旁路1－wire參考地并改變系統(tǒng)的拓撲。如果沒有采用差分探測器，必須從總體地通過變壓器或使用電池供電的示波器隔離示波器的地，二者選其一來分離示波器電源供電電纜的完全地，當(dāng)從遠端反射信號時，在圖形下降沿末尾的中心會產(chǎn)生一些波動（俗稱"鞍"），這是傳輸線的自然動作，電纜短于100m時看不到該"鞍"，由于條件所限，本適配器的通信信號性能測試在實驗室內(nèi)進行，將適配器接入主機usb接口，再將適配器接入主機，來掃描適配器傳輸?shù)男盘枺瑘D7所示為示波器掃描時序，由圖中可以看出輸入/輸出信號的時序基本滿足1－wire器件的信號時序，未出現(xiàn)尖峰或混沌現(xiàn)象，適配器的工作基本穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本設(shè)計在適配器硬件、用戶軟件及身份認真方面做了一些探索性工作。1－wire為總線設(shè)備是maxim公司力推的產(chǎn)品，雖然價格較高，上市時間不長，在業(yè)界還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但具有眾多優(yōu)點，將會有很好的應(yīng)用前景。