信息纽扣DS1991在单片机系统中的应用

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信息纽扣DS1991在单片机系统中的应用

摘要：Ｄallas公司的iButton产品是一系列１－wire总线新型器件。ＤＳ１９９１是一种加密存储器型信息纽扣，封装于直径为１６mm的不锈钢外壳中，体积小巧，便于携带、保存，防尘、防腐蚀，可以在恶劣的应用环境中实现带密码保护的数据传送。本文介绍ＤＳ１９９１的特点、工作原理及其带密码保护存储器区的读写方法。   
关键词：iButton信息纽扣　１－Ｗire总线　单片机
ＤＳ１９９１是Dallas公司的１－wire总线信息纽扣家庭中的一员，是一种加密存储器型信息纽扣。它内部集成了１Kbit是非易失性存储器及加密保护逻辑，封装于直径为１６mm、厚约６mm的不锈钢外壳中，何种小巧、操作便捷，防潮、抗震、防灰尘，可在恶劣的环境中实现带密码保护的数据传送。
１　ＤＳ１９９１的特点
ＤＳ１９９１是一种很有特色的加密存储器型ＴＭ卡，为用户的保密数据提价节可靠的保护措施。ＤＳ１９９１内部有１１５２位的密码保护存储器区，５１２位的非密码保护存储器scratchpad。密码保护存储器被分为三个可独立操作的密钥子存储器（subkey），每区为３８４位，每个密钱子区都有自己的６４位密码及６４位的ＩＤ码，对密钥子区的读／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。非密码保护存储器区主要用于加密数据的拷贝，以保证数据的完整性。
２　ＤＳ１９９１与单片机硬件接口及软件设计
ＤＳ１９９１与单片机的硬件接口电路如图１。

    ＤＳ１９９１与单片机的接口非常方便，只用１根数据线和１根地址。数据线由单片机的１根Ｉ／Ｏ口线控制，口线外接一个５kΩ的上拉电阻。
ＤＳ１９９１操作的基础是１－wire总线的初始化、读／写１位时序，如图２、图３、图４和图５。ＶＰＵＬＬＵＰ为图１中Ｄ点在口线为输入状态时的电位。初始化由主机发出复位脉冲。ＤＳ１９９１回复应答脉冲，使主机了解ＤＳ１９９１存在于总线上并已作好操作准备。命令和数据的各个字节由最低有效位起一位一位传送。子程序ＲＥＳＥＴ、ＲＤＢＹＴＥ和ＷＲＢＹＴＥ分别是初始化、读／写１字节的子程序。

    ＤＩＯ　　ＢＩＴ　　Ｐ１.０ ;引脚定义
RESET:CLR DIO ;得位子程序
MOV R7,#205
DELPP1:NOP
DJNZ R7,DELPP1
SETB DIO
MOV R7,#12
DJNZ R7,$
MOV R7,#27
RESETP1:JNB DIO,RESETP2
DJNZ R7,RESETP1
RESRET:SETB DIO
MOV A,#0EH

    RET
RESETP2:MOV R7,#75
DJNZ R7,$
MOV R7,#54
RESETP4:JB DIO,RESETP5
DJNZ R7,RESETP4
RESETP5:MOV R7,#180
DJNZ R7,$
SETB DIO
MOV A,#0
RET
WRBYTE:MOV R6,#8 ；写１字节子程序
ＷＲＢ１：ＣＬＲ　ＤＩＯ
ＭＯＶ　Ｒ７，＃２
ＤＪＮＺ　Ｒ７，$
RRC A
MOV DIO,C
MOV R7,#30H
DJNZ R7,$
SETB DIO
NOP
NAP
NOP

    DJNZ R6,WRB1
RET
RDBYTE:MOV R6,#8 ；读１字节子程序
RDB1:CLR DUO
NOP
NOP
SETB DIO
MOV R7,#3
DJNZ R7,$
MOV C,DIO
RRC A
MOV R7,#32
DJNZ R7,$
SETB DIO
MOV R7,#3
DJNZ R7,$
DJNZ R6,RDB1
RET
3 DS1991激光ＲＯＭ码、存储器结构及操作
像所有的１－wire总线器件一样，主机必须先进行初始化和ＲＯＭ操作，而后才能进行读写ＤＳ１９９１存储器的操作。
ＤＳ１９９１有一个自身唯一的工厂刻入的６４位激光ＲＯＭ系列码。该码不会与其它任何一个１－wire总线器件相重。该码前８位是１－wire总线家族码，后４８位是器件唯一的系列码，最后８位为前５６位数据的ＣＲＣ校验码。ＲＯＭ操作指令建立被访问的１－wire器件与主机的连接，ＲＯＭ操作指令如表１。ＤＳ１９９１的存储器映像如图１。

表1 ROM操作指令

命   令	字  节	功     能
read ROM	33H	读取DS1991的ROM系统列码
Match ROM	55H	总线接多个器件时用于寻址特定的器件
Skip ROM	CCH	总线上只有一个器件时，跳过ROM系列码的匹配而直接进行存储器的访问
Search ROM	F0H	主机使用该命令读加器件的ROM系列码

ＤＳ１９９１的scratchpad和每个subkey区都有自己的地址。Scratchpad共６４字节，不受密码保护，主要用于将数据拷贝到密钥子区。密钥子区的００～０７Ｈ为８字节的该区ＩＤ码，０８Ｈ～０ＦＨ为８字节的该区密码，１０Ｈ～３ＦＨ即为密码保护的数据存储区。
该／写Scratchpad不需要密码，但拷贝操作必须提供正确的密码。密码子区读写均受６４位的密码保护，保密性大大提高。对存储器的操作指令如表２。存储器操作指令的流程如图２。

表2 DS1991存储器操作命令格式

命令	第1字节	第2字节								第3 字节	功   能
		bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
写scratchpad	96H	1   1		00H～3FH中的任意值						第2字节取反	将数据写入scratchpad
读scratchpad	69H										从scratchpa读出数据
拷贝scratchpad	3CH	Subke区号 0    0或 0    1或 1    0		0	0	0	0	0	0		将数据块从scratchpa拷贝到指定的subkey
读subkey	66H			10H～3FH中的任意值							将数据写入subkey
写subkey	99G										从subkey中读取数据
写密码	5AH			0	0	0	0	0	0		将密码和ID码写入subkey

４　ＤＳ１９９１存储器的读写程序
主机读写ＤＳ１９９１的存储器由３个步骤组成：初始化、ＲＯＭ操作和存储器读写。
下面的程序采用写ＳＵＢＹＫＥＹ命令将ＲＡＭ　４０Ｈ～４７Ｈ单元数据写入subkey 0区的１０Ｈ～17Ｈ，并用读ＳＵＢＫＥＹ命令将该内容读回，存放ＲＡＭ。５０Ｈ～５７Ｈ，该区的密码和ＩＤ码存放在程序的表格中。
；将ＲＡＭ４０Ｈ～４７Ｈ单元内容写入
；subkey
WRSUBKEYCALL RETSET
MOV R2,#99H
MOV R0,#10H
LCALL WRCOM
LCALL IDPASS
MOV R1,#40H
MOV R4,#8
REWRSUB:MOV A,@R1
LCALL WRBYTE
INC R1
DJNZ R4,REWRSUB
LCALL RESET
RET
;读subkey存入ＲＡＭ４０Ｈ～４７Ｈ
ＲＤＳＵＢＫＥＹ：ＬＣＡＬＬ　ＲＥＳＥＴ
ＭＯＶ　Ｒ２，＃６６Ｈ
ＭＯＶ　Ｒ０，＃１０Ｈ
ＬＣＡＬＬ　ＷＲＣＯＭ
ＬＣＡＬＬ　ＩＤＰＡＳＳ
ＭＯＶ　Ｒ１，＃４０Ｈ
ＭＯＶ　Ｒ４，＃８
ＲＥＲＤＳＵＢ：ＬＣＡＬＬ　ＲＤＹＢＴＥ
ＭＯＶ　@R1,A
INC R1
DJNZ R4,RERDSUB
LCALL RESET
RET
IDPASS:MOV R4,#8
MOV R1,#50H
RERD1CALL RDBYTE
MOV @R1,A
INC R1
DJNZ R4,RERD1
MOV R4,#8
CLR A
MOV DPTR,#PSTAB
REWR1:MOVC A,@A+DPTR
LCALL WRBYTE
INC A
DJNZ R4,REWR1
RET
IDTABB10H,00H,00H,00H,
DB 00H,00H,00H,00H
PSTABB12H,34H,56H,78H,DB12H,34H,56H,78H
WRCOM:MOV A,#33H
LCALL WRBYTE
MOV R4,#8
RDROM1CALL RDBYTE
DJNZ R4,RDROM1
MOV A,R2
LCALL WRBYTE
MOV A,R0
LCALL WRBYTE
MOV A,R0
CPL A
LCALL WRBYTE
RET


图7

结语
ＤＳ１９９１的密码保护存储器区为用户提供高可靠的数据保护措施。本文提供的ＤＳ１９９１与单片机接口的软硬件设计，已在信息纽扣卡型公用电表系统中应用。    摘要：Ｄallas公司的iButton产品是一系列１－wire总线新型器件。ＤＳ１９９１是一种加密存储器型信息纽扣，封装于直径为１６mm的不锈钢外壳中，体积小巧，便于携带、保存，防尘、防腐蚀，可以在恶劣的应用环境中实现带密码保护的数据传送。本文介绍ＤＳ１９９１的特点、工作原理及其带密码保护存储器区的读写方法。
    关键词：iButton信息纽扣　１－Ｗire总线　单片机
ＤＳ１９９１是Dallas公司的１－wire总线信息纽扣家庭中的一员，是一种加密存储器型信息纽扣。它内部集成了１Kbit是非易失性存储器及加密保护逻辑，封装于直径为１６mm、厚约６mm的不锈钢外壳中，何种小巧、操作便捷，防潮、抗震、防灰尘，可在恶劣的环境中实现带密码保护的数据传送。
１　ＤＳ１９９１的特点
ＤＳ１９９１是一种很有特色的加密存储器型ＴＭ卡，为用户的保密数据提价节可靠的保护措施。ＤＳ１９９１内部有１１５２位的密码保护存储器区，５１２位的非密码保护存储器scratchpad。密码保护存储器被分为三个可独立操作的密钥子存储器（subkey），每区为３８４位，每个密钱子区都有自己的６４位密码及６４位的ＩＤ码，对密钥子区的读／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。非密码保护存储器区主要用于加密数据的拷贝，以保证数据的完整性。
２　ＤＳ１９９１与单片机硬件接口及软件设计
ＤＳ１９９１与单片机的硬件接口电路如图１。

    ＤＳ１９９１与单片机的接口非常方便，只用１根数据线和１根地址。数据线由单片机的１根Ｉ／Ｏ口线控制，口线外接一个５kΩ的上拉电阻。
ＤＳ１９９１操作的基础是１－wire总线的初始化、读／写１位时序，如图２、图３、图４和图５。ＶＰＵＬＬＵＰ为图１中Ｄ点在口线为输入状态时的电位。初始化由主机发出复位脉冲。ＤＳ１９９１回复应答脉冲，使主机了解ＤＳ１９９１存在于总线上并已作好操作准备。命令和数据的各个字节由最低有效位起一位一位传送。子程序ＲＥＳＥＴ、ＲＤＢＹＴＥ和ＷＲＢＹＴＥ分别是初始化、读／写１字节的子程序。

    ＤＩＯ　　ＢＩＴ　　Ｐ１.０ ;引脚定义
RESET:CLR DIO ;得位子程序
MOV R7,#205
DELPP1:NOP
DJNZ R7,DELPP1
SETB DIO
MOV R7,#12
DJNZ R7,$
MOV R7,#27
RESETP1:JNB DIO,RESETP2
DJNZ R7,RESETP1
RESRET:SETB DIO
MOV A,#0EH

    RET
RESETP2:MOV R7,#75
DJNZ R7,$
MOV R7,#54
RESETP4:JB DIO,RESETP5
DJNZ R7,RESETP4
RESETP5:MOV R7,#180
DJNZ R7,$
SETB DIO
MOV A,#0
RET
WRBYTE:MOV R6,#8 ；写１字节子程序
ＷＲＢ１：ＣＬＲ　ＤＩＯ
ＭＯＶ　Ｒ７，＃２
ＤＪＮＺ　Ｒ７，$
RRC A
MOV DIO,C
MOV R7,#30H
DJNZ R7,$
SETB DIO
NOP
NAP
NOP

    DJNZ R6,WRB1
RET
RDBYTE:MOV R6,#8 ；读１字节子程序
RDB1:CLR DUO
NOP
NOP
SETB DIO
MOV R7,#3
DJNZ R7,$
MOV C,DIO
RRC A
MOV R7,#32
DJNZ R7,$
SETB DIO
MOV R7,#3
DJNZ R7,$
DJNZ R6,RDB1
RET
3 DS1991激光ＲＯＭ码、存储器结构及操作
像所有的１－wire总线器件一样，主机必须先进行初始化和ＲＯＭ操作，而后才能进行读写ＤＳ１９９１存储器的操作。
ＤＳ１９９１有一个自身唯一的工厂刻入的６４位激光ＲＯＭ系列码。该码不会与其它任何一个１－wire总线器件相重。该码前８位是１－wire总线家族码，后４８位是器件唯一的系列码，最后８位为前５６位数据的ＣＲＣ校验码。ＲＯＭ操作指令建立被访问的１－wire器件与主机的连接，ＲＯＭ操作指令如表１。ＤＳ１９９１的存储器映像如图１。

表1 ROM操作指令

命   令	字  节	功     能
read ROM	33H	读取DS1991的ROM系统列码
Match ROM	55H	总线接多个器件时用于寻址特定的器件
Skip ROM	CCH	总线上只有一个器件时，跳过ROM系列码的匹配而直接进行存储器的访问
Search ROM	F0H	主机使用该命令读加器件的ROM系列码

ＤＳ１９９１的scratchpad和每个subkey区都有自己的地址。Scratchpad共６４字节，不受密码保护，主要用于将数据拷贝到密钥子区。密钥子区的００～０７Ｈ为８字节的该区ＩＤ码，０８Ｈ～０ＦＨ为８字节的该区密码，１０Ｈ～３ＦＨ即为密码保护的数据存储区。
该／写Scratchpad不需要密码，但拷贝操作必须提供正确的密码。密码子区读写均受６４位的密码保护，保密性大大提高。对存储器的操作指令如表２。存储器操作指令的流程如图２。

表2 DS1991存储器操作命令格式

命令	第1字节	第2字节								第3 字节	功   能
		bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
写scratchpad	96H	1   1		00H～3FH中的任意值						第2字节取反	将数据写入scratchpad
读scratchpad	69H										从scratchpa读出数据
拷贝scratchpad	3CH	Subke区号 0    0或 0    1或 1    0		0	0	0	0	0	0		将数据块从scratchpa拷贝到指定的subkey
读subkey	66H			10H～3FH中的任意值							将数据写入subkey
写subkey	99G										从subkey中读取数据
写密码	5AH			0	0	0	0	0	0		将密码和ID码写入subkey

４　ＤＳ１９９１存储器的读写程序
主机读写ＤＳ１９９１的存储器由３个步骤组成：初始化、ＲＯＭ操作和存储器读写。
下面的程序采用写ＳＵＢＹＫＥＹ命令将ＲＡＭ　４０Ｈ～４７Ｈ单元数据写入subkey 0区的１０Ｈ～17Ｈ，并用读ＳＵＢＫＥＹ命令将该内容读回，存放ＲＡＭ。５０Ｈ～５７Ｈ，该区的密码和ＩＤ码存放在程序的表格中。
；将ＲＡＭ４０Ｈ～４７Ｈ单元内容写入
；subkey
WRSUBKEYCALL RETSET
MOV R2,#99H
MOV R0,#10H
LCALL WRCOM
LCALL IDPASS
MOV R1,#40H
MOV R4,#8
REWRSUB:MOV A,@R1
LCALL WRBYTE
INC R1
DJNZ R4,REWRSUB
LCALL RESET
RET
;读subkey存入ＲＡＭ４０Ｈ～４７Ｈ
ＲＤＳＵＢＫＥＹ：ＬＣＡＬＬ　ＲＥＳＥＴ
ＭＯＶ　Ｒ２，＃６６Ｈ
ＭＯＶ　Ｒ０，＃１０Ｈ
ＬＣＡＬＬ　ＷＲＣＯＭ
ＬＣＡＬＬ　ＩＤＰＡＳＳ
ＭＯＶ　Ｒ１，＃４０Ｈ
ＭＯＶ　Ｒ４，＃８
ＲＥＲＤＳＵＢ：ＬＣＡＬＬ　ＲＤＹＢＴＥ
ＭＯＶ　@R1,A
INC R1
DJNZ R4,RERDSUB
LCALL RESET
RET
IDPASS:MOV R4,#8
MOV R1,#50H
RERD1CALL RDBYTE
MOV @R1,A
INC R1
DJNZ R4,RERD1
MOV R4,#8
CLR A
MOV DPTR,#PSTAB
REWR1:MOVC A,@A+DPTR
LCALL WRBYTE
INC A
DJNZ R4,REWR1
RET
IDTABB10H,00H,00H,00H,
DB 00H,00H,00H,00H
PSTABB12H,34H,56H,78H,DB12H,34H,56H,78H
WRCOM:MOV A,#33H
LCALL WRBYTE
MOV R4,#8
RDROM1CALL RDBYTE
DJNZ R4,RDROM1
MOV A,R2
LCALL WRBYTE
MOV A,R0
LCALL WRBYTE
MOV A,R0
CPL A
LCALL WRBYTE
RET


图7

结语
ＤＳ１９９１的密码保护存储器区为用户提供高可靠的数据保护措施。本文提供的ＤＳ１９９１与单片机接口的软硬件设计，已在信息纽扣卡型公用电表系统中应用。