基于多密鑰iButton的智能水卡的設(shè)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、工作原理及讀寫方法。給出了一種基于DS1991和PIC單片機的智能水卡設(shè)計方案，同時給出了整個系統(tǒng)的硬件組成原理和軟件設(shè)計方法。

    關(guān)鍵詞：信息紐扣；單總線；單片機

１ DS1991概述

　?。椋拢酰簦簦铮睿煟椋睿妫铮颍恚幔簦椋铮?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(shù)據(jù)傳輸使用獨特的１－Ｗｉｒｅ（單總線）協(xié)議，僅用一根數(shù)據(jù)線即可與外界進行信息交換。ｉＢｕｔｔｏｎ信息鈕扣與其讀寫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(nèi)置的ＮＶＳＲＡＭ存儲器可存放文字或數(shù)字化的圖像，任何時刻只要短暫的觸碰就可更改存放的信息。在每一個信息紐扣的晶片上都有工廠光刻的、獨一無二的６４位注冊碼，該號碼具有不可偽造性。先進的設(shè)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(shù)據(jù)的安全性，并可確保十年以上的使用壽命。

　?。模樱保梗梗笔且环N加密存儲型信息紐扣，它有三個獨立的電子密鑰分區(qū)（提供１１５２位的可讀寫非易失安全存儲器）和５１２位暫存器。每個密鑰分區(qū)包括３８４位，具有獨立的６４位密碼和６４位ＩＤ碼。對密鑰分區(qū)的讀／寫操作均需進行密碼驗證。三個區(qū)的數(shù)據(jù)可分別操作，互不干擾。５１２位的暫存器主要用于加密數(shù)據(jù)的拷貝，以保證安全存儲器中數(shù)據(jù)的完整性。ＤＳ１９９１可在惡劣環(huán)境中實現(xiàn)帶密碼保護的數(shù)據(jù)傳送。

　?。模樱保梗梗蓖ㄟ^嚴格的１－Ｗｉｒｅ（單總線）協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。１－Ｗｉｒｅ協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫０、寫１和讀數(shù)據(jù)時序等幾種信號類型，所有單總線命令序列都是由這些基本的信號類型組成的。單片機訪問ＤＳ１９９１必須嚴格遵循單總線命令序列，即初始化、ＲＯＭ操作、存儲器功能命令。

　?。模樱保梗梗钡模遥希筒僮髅钣凶x?。ǎ常常龋⑵ヅ洌ǎ担担龋?、搜索（Ｆ０Ｈ）、跳過（ＣＣＨ）等。這些命令可作用于ＤＳ１９９１的６４位光刻注冊碼。ＤＳ１９９１有６個設(shè)備檢測命令：寫暫存器（９６Ｈ）、讀暫存器（６９Ｈ）、復(fù)制暫存器（３ＣＨ）、寫密碼（５ＡＨ）、寫密鑰子區(qū)（９９Ｈ）、讀密鑰子區(qū)（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，三為第二個字節(jié)的取反。

２ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　本文設(shè)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(jié)約用水的目的。

　　本設(shè)計中的單片機選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１６Ｃ６３，其最大優(yōu)點是省電，該單片機在低功耗休眠狀態(tài)時的靜態(tài)電流小于１μＡ，正常工作時的最小工作電流僅為１５μＡ，并具有看門狗復(fù)位電路，特別適合用來設(shè)計小型電子產(chǎn)品。無用戶用水時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當水卡第一次碰觸頭時，單片機從休眠狀態(tài)喚醒。ｉＢｕｔｔｏｎ觸頭與單片機的連線極其簡單，只需將ＰＩＣ１６Ｃ６３的一根口線與其相連并外接一個上拉電阻即可。選用２４ＷＣ０２存儲器可在掉電時保存數(shù)據(jù)。ＣＤ４０９８是雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。流量傳感器選用基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，可將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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，先由管理員將用戶預(yù)購的水量存于卡中。用水時，用戶將水卡與觸頭一碰。單片機首先判斷是否為壞卡，然后讀?。椋拢酰簦簦铮钚蛄刑栆耘袛嗍欠駷樵摴┧到y(tǒng)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電磁閥，此后，數(shù)碼管動態(tài)顯示并扣除卡中所有現(xiàn)存水量，以防用戶不進行關(guān)水觸碰。單片機實時采集流量信號，并做相應(yīng)扣除。當剩余水量小于初始給定值時，水卡發(fā)出聲音報警提示用戶及時購水。當用戶用水完畢再次觸碰后或剩余水量為零時，關(guān)閉閥門，并將剩余水量存入水卡，同時存儲器實時存儲卡中信息，以備系統(tǒng)故障時正確處理。

３　軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)對ＤＳ１９９１進行的操作主要包括三個過程：其中讀取序列號和讀密鑰子區(qū)的流程圖見圖２所示。寫密鑰子區(qū)的流程圖見圖３。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，本設(shè)計對欲寫的數(shù)據(jù)組都追加一個計算出的ＣＲＣ校驗碼，并對讀出的數(shù)據(jù)組添加ＣＲＣ校驗。只有檢驗正確，才視為讀出的數(shù)據(jù)組，從而確保了觸碰時數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。

　?。保祝椋颍宓模茫遥眯ｒ灤a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。移位寄存器進行零初始化后從８位家族碼的最低有效位開始移入，每次移１位，當?shù)冢肝患易宕a移入后開始移入序列號，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(xù)移入ＤＳ１９９１內(nèi)部的８位ＣＲＣ校驗碼。此時如果接收數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，分為初始化模塊、檢驗壞卡模塊、讀序列號模塊、ＣＲＣ校驗?zāi)K、讀／寫ＤＳ１９９１模塊、流量檢測數(shù)據(jù)處理模塊、Ｉ２Ｃ存儲器存儲模塊、動態(tài)顯示模塊以及報警提醒模塊等。

４ 結(jié)束語

　　使用ｉＢｕｔｔｏｎ作智能水卡時，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(shù)據(jù)的安然無恙。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(xiàn)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(shù)據(jù)的保密提供了可靠的保證。