摘? 要: 在介紹1-Wire" title="1-Wire">1-Wire總線的基礎(chǔ)上，對(duì)1-Wire器件iButton及其工作原理進(jìn)行了介紹，并概括了它的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 1-Wire總線? 信息鈕扣? 通信協(xié)議
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包括達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司現(xiàn)在生產(chǎn)的信息鈕扣iButton(information Button)在內(nèi)，已有30多種1-Wire器件，它們采用一種特殊的通信協(xié)議，通過(guò)單條連接線解決了控制、通信和供電等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)成本并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于日常生活中。例如iButton已用于金融、電信、商業(yè)以及軍事領(lǐng)域等。
1 1-Wire總線
1-Wire總線是一種簡(jiǎn)單的信號(hào)電路，它僅用一根數(shù)據(jù)線即可與外界進(jìn)行信息交換。1-Wire總線器件的共性是:每個(gè)器件都有一個(gè)不會(huì)與其它任何器件重復(fù)的出廠時(shí)就已固化的序列號(hào)，也就是說(shuō)，每一個(gè)器件都是唯一的。一旦器件的序列號(hào)已知，通過(guò)這個(gè)序列號(hào)，任意一個(gè)器件都可以從眾多連到同一1-Wire總線的器件中被選出用于通信。
通信時(shí)，總線控制器" title="總線控制器">總線控制器先發(fā)出一個(gè)“復(fù)位”信號(hào)以使總線同步，然后選擇受控器件進(jìn)行隨后的通信。這可以通過(guò)選擇一個(gè)特定的受控器件(利用該設(shè)備的系列號(hào)進(jìn)行選擇)或者通過(guò)對(duì)半檢索法找到總線上的下一個(gè)受控器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，也可以選擇所有的受控器件。一旦一個(gè)特定的器件被選中，那么在總線控制器發(fā)出下一次“復(fù)位”信號(hào)之前，所有其它器件都被掛起而忽略隨后的通信。
主機(jī)能向用于總線通信的所有器件發(fā)布指令，對(duì)它(或者它們)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。這是因?yàn)槊款惼骷\(yùn)行不同的函數(shù)，有不同的用途，而且一旦器件被選定，它所用的協(xié)議也就固定下來(lái)。即使每類器件有不同的協(xié)議和特征，它們也都有著同樣的選擇過(guò)程并且都遵循如圖1所示的流程。
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2 iButton簡(jiǎn)介
iButton是一個(gè)封裝在鈕扣型不銹鋼外殼里的微型計(jì)算機(jī)芯片，它的直徑為16mm，厚3~6mm。可以實(shí)現(xiàn)雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸使用單總線協(xié)議，使得引腳數(shù)目降至最少:一根數(shù)據(jù)線，一根地線。不銹鋼封裝的內(nèi)圈圓面作為數(shù)據(jù)線，外圈圓面作為地線。見(jiàn)圖2。
iButton的外形如圖3。
iButton種類繁多，根據(jù)使用芯片的不同，可以分為三類:①M(fèi)emory iButton具有64KB" title="64KB">64KB的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)文字、數(shù)字化的圖像，有些還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘" title="實(shí)時(shí)時(shí)鐘">實(shí)時(shí)時(shí)鐘(如DS1904)、溫度傳感器(如DS1921);②Java-powered crypto iButton采用高速處理器和算法加速器來(lái)處理加密和解密算法中的數(shù)據(jù)，它可以與Internet應(yīng)用程序進(jìn)行交互，可以作為一種遠(yuǎn)程身份驗(yàn)證解決方案;③Thermochron iButton包含了溫度探測(cè)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以保留熱交換的歷史記錄，還有512字節(jié)的附加存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)輸出的歷史記錄。
?? 包括達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司現(xiàn)在生產(chǎn)的信息鈕扣iButton(information Button)在內(nèi)，已有30多種1-Wire器件，它們采用一種特殊的通信協(xié)議，通過(guò)單條連接線解決了控制、通信和供電等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)成本并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于日常生活中。例如iButton已用于金融、電信、商業(yè)以及軍事領(lǐng)域等。
1 1-Wire總線
1-Wire總線是一種簡(jiǎn)單的信號(hào)電路，它僅用一根數(shù)據(jù)線即可與外界進(jìn)行信息交換。1-Wire總線器件的共性是:每個(gè)器件都有一個(gè)不會(huì)與其它任何器件重復(fù)的出廠時(shí)就已固化的序列號(hào)，也就是說(shuō)，每一個(gè)器件都是唯一的。一旦器件的序列號(hào)已知，通過(guò)這個(gè)序列號(hào)，任意一個(gè)器件都可以從眾多連到同一1-Wire總線的器件中被選出用于通信。
通信時(shí)，總線控制器先發(fā)出一個(gè)“復(fù)位”信號(hào)以使總線同步，然后選擇受控器件進(jìn)行隨后的通信。這可以通過(guò)選擇一個(gè)特定的受控器件(利用該設(shè)備的系列號(hào)進(jìn)行選擇)或者通過(guò)對(duì)半檢索法找到總線上的下一個(gè)受控器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，也可以選擇所有的受控器件。一旦一個(gè)特定的器件被選中，那么在總線控制器發(fā)出下一次“復(fù)位”信號(hào)之前，所有其它器件都被掛起而忽略隨后的通信。
主機(jī)能向用于總線通信的所有器件發(fā)布指令，對(duì)它(或者它們)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。這是因?yàn)槊款惼骷\(yùn)行不同的函數(shù)，有不同的用途，而且一旦器件被選定，它所用的協(xié)議也就固定下來(lái)。即使每類器件有不同的協(xié)議和特征，它們也都有著同樣的選擇過(guò)程并且都遵循如圖1所示的流程。
2 iButton簡(jiǎn)介
iButton是一個(gè)封裝在鈕扣型不銹鋼外殼里的微型計(jì)算機(jī)芯片，它的直徑為16mm，厚3~6mm。可以實(shí)現(xiàn)雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸使用單總線協(xié)議，使得引腳數(shù)目降至最少:一根數(shù)據(jù)線，一根地線。不銹鋼封裝的內(nèi)圈圓面作為數(shù)據(jù)線，外圈圓面作為地線。見(jiàn)圖2。
??? iButton的外形如圖3。
iButton種類繁多，根據(jù)使用芯片的不同，可以分為三類:①M(fèi)emory iButton具有64KB的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)文字、數(shù)字化的圖像，有些還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘(如DS1904)、溫度傳感器(如DS1921);②Java-powered crypto iButton采用高速處理器和算法加速器來(lái)處理加密和解密算法中的數(shù)據(jù)，它可以與Internet應(yīng)用程序進(jìn)行交互，可以作為一種遠(yuǎn)程身份驗(yàn)證解決方案;③Thermochron iButton包含了溫度探測(cè)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以保留熱交換的歷史記錄，還有512字節(jié)的附加存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)輸出的歷史記錄。
iButton也可以通過(guò)并口或串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，其傳輸速率可達(dá)142kbps。其主機(jī)可以是PC機(jī)、掌上電腦或筆記本電腦，同時(shí)還需要有讀寫設(shè)備(如Blue Dot)以及相應(yīng)的軟件交接面，如iButton-TMEX。
3 iButton的工作原理
iButton芯片由多路復(fù)用器和存儲(chǔ)器兩部分構(gòu)成，其功能模塊如圖4所示。
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??? 由于iButton采用單總線傳輸協(xié)議，所以只需一根數(shù)據(jù)線和一根地線，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)線供電。微機(jī)及有關(guān)讀寫設(shè)備處于主動(dòng)(Master)地位;iButton處于從屬(Slave)地位。如果iButton與Master尚未建立連接，則不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸;一旦成功建立連接，只需幾微秒的時(shí)間，iButton便可將數(shù)據(jù)線置為低電平，以此通知Master已經(jīng)建立了連接，等待接收命令，這個(gè)脈沖稱為在線脈沖。Master也可通過(guò)發(fā)送“復(fù)位”信號(hào)使數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖健．?dāng)iButton接收到“復(fù)位”信號(hào)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)線的電平狀態(tài)，可在數(shù)據(jù)線變?yōu)?a class="cblue" href="http://www.shi-ke.cn/search/?q=高電平" title="高電平">高電平后立即發(fā)出一個(gè)在線脈沖。復(fù)位脈沖/在線脈沖的時(shí)序見(jiàn)圖5。
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?? ?iButton發(fā)出在線脈沖后，等待Master發(fā)出命令。收到命令后，便執(zhí)行相應(yīng)的操作。由于iButton處于從屬地位，因此每個(gè)幀從何時(shí)開(kāi)始就由Master來(lái)定義。為了做到這一點(diǎn)，Master從數(shù)據(jù)線讀取一位數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)的不同做出相應(yīng)的判斷:如果iButton發(fā)出信號(hào)“1”，則下一個(gè)時(shí)隙即為幀的開(kāi)始時(shí)刻;否則iButton將繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)線為低電平直到某一確定的時(shí)間。現(xiàn)以從iButton讀取數(shù)據(jù)為例說(shuō)明具體的執(zhí)行過(guò)程:確定了下一幀的開(kāi)始時(shí)刻后，Master首先向iButton發(fā)一個(gè)讀數(shù)據(jù)指令，iButton接收該指令后立即將被讀取位的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)線上，微機(jī)從數(shù)據(jù)線上獲得數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)線在iButton的采樣時(shí)區(qū)內(nèi)維持高電平，則讀取值為“1”;否則，為“0”。最后，iButton釋放數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線恢復(fù)為高電平，為Master繼續(xù)從iButton讀取數(shù)據(jù)作好準(zhǔn)備。圖6示出了從在線脈沖開(kāi)始到讀取數(shù)據(jù)結(jié)束的時(shí)序。其中，黑色粗線表示Master的動(dòng)作，灰色粗線表示iButton的應(yīng)答，細(xì)線表示上拉電阻的作用。
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4 iButton的特點(diǎn)
??? 由于iButton的硅晶片被保護(hù)在堅(jiān)固的不銹鋼外殼里，你可以把它扔在地上，踏上幾腳，磨擦它或者戴著它游泳都沒(méi)關(guān)系。由于其內(nèi)部采用了先進(jìn)的防靜電電路及芯片，確保了iButton能承受高達(dá)8kV的靜電而保證自身和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)安然無(wú)恙。iButton的結(jié)構(gòu)決定了它具有防撞擊、防水、耐腐蝕、抗磁擾、防折疊等特點(diǎn);工作溫度范圍也較寬，可以在-40℃~80℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，適用于惡劣的環(huán)境;它可以嵌在戒指、鑰匙串、錢包或手表上，隨身攜帶方便。
另外，iButton的廣泛應(yīng)用還在于它具有磁卡、IC卡所不具有的突出特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在:
(1)存儲(chǔ)量大:iButton的最大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量可達(dá)64KB，如DS2506具有64KB的EPROM存儲(chǔ)器，DS1996具有64KB的NVRAM存儲(chǔ)器。
(2)速度快:讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，只需與觸點(diǎn)輕輕接觸，瞬間便可完成，而且其傳輸速率可達(dá)142kbps。
(3)安全性高:每個(gè)芯片都具有全球唯一的64位序列號(hào)，該序列號(hào)在出廠時(shí)通過(guò)激光工藝刻在芯片上，并增加了保護(hù)層，具有不可偽造性，任何企圖更改序列號(hào)的行為都會(huì)使CRC校驗(yàn)過(guò)程出錯(cuò)。
(4)成本低:iButton所用的讀寫器其成本只有一百多元，維修成本小于0.01%。iButton的穩(wěn)定性高，故障率低，性能價(jià)格比非常高。
(5)壽命長(zhǎng):iButton的不銹鋼外殼內(nèi)置有高性能鋰電池，而且其功耗很低，可以確保其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)10年以上。它的使用沒(méi)有次數(shù)的限制，可以無(wú)限次地使用。
iButton的種種優(yōu)勢(shì)，決定了它勢(shì)必具有廣闊的應(yīng)用前景。
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參考文獻(xiàn)
1?王永紅,凌志浩．智能信息載體iButton及其應(yīng)用． 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001
2 Maxin公司．Application Note 155:1-Wire Software Resource Guide.
3 Maxin公司．Book of iButton Standard.