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

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(jì)算機(jī)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(jìn)步，美國(guó)美信公司設(shè)計(jì)的1－wire總線是眾多現(xiàn)場(chǎng)總線中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種，具備能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信、總線負(fù)載量大、布線簡(jiǎn)練，精度高、性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜等諸多特點(diǎn)，特別是非常適合中短距離通信，是工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高級(jí)境界。

1－wrie[1]測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要與pc主機(jī)相結(jié)合，所以在1－wire總線組成的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)適配器是必不可少的，它擔(dān)負(fù)著主機(jī)監(jiān)控單元與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。ds2432提供了一種緊湊的密鑰存儲(chǔ)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(jì)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(gè)引腳，將控制、尋址、數(shù)據(jù)和電源集于一個(gè)數(shù)據(jù)引腳，可以在－40℃～＋85℃，2.8v－5.25v的寬電壓范圍內(nèi)進(jìn)行讀、寫操作，內(nèi)置多點(diǎn)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(gè)32字節(jié)的eeprom，64位寄存器、64位密鑰存儲(chǔ)器及512位sha－1（安全散列算法）引擎6個(gè)主數(shù)據(jù)部件組成。

2.2 ds2432的加密原理

ds2432有四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、密鑰存儲(chǔ)器、含有特定功能和用戶字節(jié)的寄存器頁(yè)和暫存器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每頁(yè)32個(gè)字節(jié)。密鑰、寄存器頁(yè)和暫存器均為8字節(jié)。向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫數(shù)據(jù)、裝載初始密鑰，或者向寄存器頁(yè)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，暫存器作為緩存器使用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、密鑰存儲(chǔ)器和寄存器頁(yè)位于線性地址空間中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和寄存器頁(yè)對(duì)讀訪問(wèn)沒(méi)有限制，但向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和寄存器頁(yè)寫數(shù)據(jù)時(shí)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(chǔ)器，二是當(dāng)前密鑰和暫存器內(nèi)容經(jīng)過(guò)運(yùn)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(wèn)它，計(jì)算信息鑒定碼mac。

地址0088h－008fh為寄存器頁(yè)，含有特定功能寄存器、通用用戶字節(jié)以及1個(gè)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(hù)而不能再更改，其他所有代碼既不能寫保護(hù)，也不能激活與這個(gè)特定字節(jié)相關(guān)的特殊功能，特殊功能包括僅寫保護(hù)密鑰，同時(shí)寫保護(hù)4個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器頁(yè)，僅激活數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器頁(yè)1的eprom模式，僅激活數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器頁(yè)的0的eprom模式，一旦eprom模式被激活，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器未加寫保護(hù)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(méi)有任何特定功能和鎖定機(jī)制。代碼aah表明這二個(gè)字節(jié)被編程為16位的id，并且被加寫保護(hù)，主機(jī)與1－wire設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，用戶要提供16位的id識(shí)別碼，用來(lái)協(xié)助應(yīng)用軟件識(shí)別包含ds2432的1－wire網(wǎng)絡(luò)適配器。

3 適配器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

適配器需2個(gè)接口電路分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)和1－wire網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信主要通過(guò)usb協(xié)議實(shí)現(xiàn)，稱為usb接口電路；與1－wire網(wǎng)絡(luò)之間的通信通過(guò)usb到1－wire總線的橋接電路ds2490s實(shí)現(xiàn)，但需1個(gè)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(jì)

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(jī)系統(tǒng)是高速設(shè)備，同時(shí)這個(gè)上拉電阻器告訴主機(jī)有usb設(shè)備插入。該上拉電阻器的設(shè)置對(duì)適配器的影響很大，它的負(fù)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇r3的阻值為27歐姆±10％。r1、r2為usb數(shù)據(jù)線保護(hù)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(qiáng)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(jì)

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(jī)系統(tǒng)。它可產(chǎn)生嚴(yán)格定時(shí)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(gè)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(lái)自于esd采樣數(shù)的尖峰信號(hào)或通過(guò)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(guò)電壓，電阻器r5可限制esd的電流并保護(hù)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(duì)1－wire總線起到保護(hù)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(jì)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)[4]主要包括計(jì)算機(jī)端usb接口驅(qū)動(dòng)程序模塊設(shè)計(jì)和ds2490s橋接模塊與讀取ds2432模塊的固件設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(jì)是在windows2000系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行的，設(shè)計(jì)工具是visualc＋＋和driverstudio。maxim公司為軟件開(kāi)發(fā)者提供了的大量的驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試代碼。使用時(shí)僅需針對(duì)具體情況進(jìn)行修改。這里不對(duì)源代碼進(jìn)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(hào)性能測(cè)試

對(duì)于遠(yuǎn)程1－wire測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的通信，在核實(shí)信號(hào)時(shí)，尤其是在電纜末端，必須使用差分探測(cè)器和探測(cè)器的地浮動(dòng)參考，另外，探測(cè)器的地連接將設(shè)旁路1－wire參考地并改變系統(tǒng)的拓?fù)?。如果沒(méi)有采用差分探測(cè)器，必須從總體地通過(guò)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(lái)分離示波器電源供電電纜的完全地，當(dāng)從遠(yuǎn)端反射信號(hào)時(shí)，在圖形下降沿末尾的中心會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)（俗稱"鞍"），這是傳輸線的自然動(dòng)作，電纜短于100m時(shí)看不到該"鞍"，由于條件所限，本適配器的通信信號(hào)性能測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，將適配器接入主機(jī)usb接口，再將適配器接入主機(jī)，來(lái)掃描適配器傳輸?shù)男盘?hào)，圖7所示為示波器掃描時(shí)序，由圖中可以看出輸入/輸出信號(hào)的時(shí)序基本滿足1－wire器件的信號(hào)時(shí)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)在適配器硬件、用戶軟件及身份認(rèn)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(jià)格較高，上市時(shí)間不長(zhǎng)，在業(yè)界還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，但具有眾多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。