張 杰，楊筆鋒,2，嚴(yán)學(xué)陽，劉語嫣

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

基于STC15W204S單片機(jī)模擬單總線EEPROM芯片DS2431*

張 杰1，楊筆鋒1,2，嚴(yán)學(xué)陽1，劉語嫣1

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

基于STC15W204S單片機(jī)研究模擬了單總線EEPROM芯片DS2431。SOP-8封裝的STC15W204S單片機(jī)具有引腳少、價(jià)格便宜、不需要外部晶振、內(nèi)部時(shí)鐘從5 MHz～35 MHz可設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)。DS2431是一款具有1 024 bit的1 Wire EEPROM芯片，它具有4頁×256 bit的存儲空間，64位唯一不可更改的光刻。64位光刻的唯一性使DS2431廣泛應(yīng)用于硬件電路的加密、硬件電路唯一的ID序列號以及密鑰信息的存儲等。主要介紹了1-Wire通信協(xié)議、單片機(jī)模擬芯片硬件電路、單片機(jī)模擬DS2431的程序設(shè)計(jì)流程、單片機(jī)模擬DS2431的64位光刻以及EEPROM。

單片機(jī)模擬單總線器件；1-Wire；DS2431；STC15W204S

0 引言

DS2431是一款具有64位唯一光刻的1 024 bit EEPROM芯片。模擬DS2431就是要模擬DS2431的64位光刻和數(shù)據(jù)的存儲，從而實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)模擬的DS2431和原來的DS2431具有相同的64位光刻和數(shù)據(jù)存儲功能。利用64位光刻的不可更改的特性，DS2431廣泛應(yīng)用于硬件電路加密、設(shè)備唯一ID序列號、關(guān)鍵信息存儲、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、安全功能控制等。單總線設(shè)備具有簡單的線路、較少的硬件開銷和低廉的成本等優(yōu)點(diǎn)，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)[1-2]。作為一種簡單的信號傳輸電路，1-Wire總線用一根數(shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者一個(gè)以上的從器件和主控制器之間的半雙工通信。單總線通信可以通過初始化1-Wire器件、識別1-Wire器件和主機(jī)與從機(jī)之間數(shù)據(jù)交換三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)[3-4]。它是主從結(jié)構(gòu)，主機(jī)呼叫從器件的時(shí)候，從器件才進(jìn)行應(yīng)答[5]。所以，主機(jī)只有通過嚴(yán)格的單總線命令序列來訪問1-Wire器件，即初始化從器件、ROM、功能命令[6-7]。如果出現(xiàn)序列混亂，1-Wire器件將不會(huì)相應(yīng)主機(jī)的命令[8-9]。模擬1-Wire器件要求單片機(jī)嚴(yán)格應(yīng)對單總線命令序列和命令時(shí)隙，要求單片機(jī)對主機(jī)發(fā)出的命令進(jìn)行應(yīng)答[10]。通過對DS2431應(yīng)答模擬從而達(dá)到用單片機(jī)模擬DS2431的目的，用這種方法也可以對其他的1-Wire器件進(jìn)行模擬。

1 單總線協(xié)議

1.1 1-Wire單總線時(shí)序

1-Wire器件在數(shù)據(jù)傳輸過程中都會(huì)遵循嚴(yán)格的通信協(xié)議，單總線通信協(xié)議有復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫1、寫0、讀1、讀0幾種類型[11]。

單總線的初始化步驟如圖1所示。

(1)主機(jī)拉低總線480 μs～960 μs，然后主機(jī)釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài)[12]。

(2)從機(jī)監(jiān)測到主機(jī)不少于480 μs的復(fù)位信號后等待15 μs～60 μs,然后產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(拉低總線60 μs～240 μs)[13]。

(3)從機(jī)釋放總線至少一個(gè)2 μs的恢復(fù)時(shí)間。

圖1 單總線初始化

寫1和寫0時(shí)序步驟如圖2所示。

(1)主機(jī)拉低總線5 μs～15 μs，然后主機(jī)將總線拉高或者拉低45 μs。

(2)從機(jī)在15 μs后開始采樣。

(3)主機(jī)釋放總線并且有至少一個(gè)2 μs的恢復(fù)時(shí)間(標(biāo)準(zhǔn)是5 μs)。

(4)整個(gè)寫1時(shí)隙至少60 μs。

圖2 寫0和寫1時(shí)序

讀數(shù)據(jù)時(shí)序步驟如圖3所示。

(1)主機(jī)將總線拉低至少1 μs。

(2)從機(jī)從下降沿到來之后將總線拉低或者拉高并保持15 μs。

(3)在主機(jī)拉低總線后15 μs內(nèi)主機(jī)釋放總線并采樣。

(4)15 μs后由電阻將總線拉高。

(5)整個(gè)時(shí)間不少于60 s，每個(gè)時(shí)間片之后有一個(gè)至少2 μs的恢復(fù)時(shí)間。

圖3 讀數(shù)據(jù)時(shí)序

1.2 單總線接口

圖4 單總線接口

單總線接口電路是非常簡單的，DS2431的讀和寫的電壓范圍是2.8 V～5.25 V。在I/O口接一個(gè)上拉電阻，根據(jù)DS2431數(shù)據(jù)手冊，上拉電阻電阻的范圍是0.3 kΩ～2.2 kΩ。單總線接口如圖4所示。

2 模擬單總線器件時(shí)序及接口

2.1 模擬單總線器件時(shí)序

模擬單總線器件的時(shí)序最重要的是在符合單總線通信協(xié)議的規(guī)定時(shí)間內(nèi)對主機(jī)發(fā)起的信號進(jìn)行應(yīng)答，其中需要對延時(shí)把握精確，錯(cuò)過了時(shí)序主機(jī)有可能視從機(jī)沒有應(yīng)答從而通信失敗。在模擬時(shí)序的時(shí)候可以借助邏輯分析儀來對時(shí)序進(jìn)行分析并通過分析結(jié)果對模擬時(shí)序進(jìn)行微調(diào)。

模擬單總線初始化步驟如圖5所示。

(1)單片機(jī)等待主機(jī)復(fù)位信號，監(jiān)測主機(jī)拉低總線并在480 μs內(nèi)再次確認(rèn)主機(jī)拉低了總線。

(2)單片機(jī)在確認(rèn)了復(fù)位信號后延時(shí)等待總線拉高。

(3)單片機(jī)監(jiān)測到主機(jī)將總線釋放拉高后拉低總線(從機(jī)應(yīng)答)60～240 μs。

(4)單片機(jī)釋放總線(拉高總線表示應(yīng)答完成)。

圖5 模擬單總線初始化時(shí)序

模擬主機(jī)寫1和寫0時(shí)序步驟：

(1)單片機(jī)等待主機(jī)拉低總線發(fā)起通信。

(2)在監(jiān)測到主機(jī)拉低總線后，單片機(jī)延時(shí)幾微秒后開始采樣。

(3)單片機(jī)采樣后開始延時(shí)，主機(jī)寫完數(shù)據(jù)后恢復(fù)總線。

(4)整個(gè)時(shí)間持續(xù)60 μs。

時(shí)序圖如圖5所示，其中采樣時(shí)間可以微調(diào)，可以借助邏輯分析儀分析時(shí)序。主機(jī)寫命令55h并匹配。

ROM的模擬時(shí)序如圖6所示。

圖6 邏輯分析儀抓取模擬55h命令的時(shí)序圖

模擬主機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)序步驟：

(1)主機(jī)將總線拉低至少1 μs。

(2)單片機(jī)監(jiān)測到主機(jī)拉低總線1 μs后立即對總線拉高或者拉低，要確保主機(jī)能夠進(jìn)行采樣。

(3)主機(jī)采樣后，單片機(jī)恢復(fù)總線。

(4)整個(gè)時(shí)間不少于60 μs，每個(gè)時(shí)間片之后有一個(gè)至少2 μs的恢復(fù)時(shí)間。

時(shí)序圖如圖3所示，其中單片機(jī)對總線操作的時(shí)間可以微調(diào)，可以借助邏輯分析儀分析時(shí)序。主機(jī)寫命令FOh并搜索ROM的模擬時(shí)序如圖7所示。

圖7 邏輯分析儀抓取模擬F0h命令的時(shí)序圖

2.2 模擬單總線器件硬件電路接口設(shè)計(jì)

STC15W204S單片機(jī)工作電壓范圍為2.5 V～5.5 V,在ISP編程時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘在5 MHz～35 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，±1%溫飄(-40℃～+85℃)常溫下溫飄±0.6%(-20℃～+65℃)，可以滿足硬件指標(biāo)要求。STC15W204S有8個(gè)引腳6個(gè)I/O口。調(diào)試時(shí)P3.0和P3.1做串行接口用于燒寫程序，P3.3、P5.4、P5.5可以接一個(gè)LED燈用于調(diào)試觀測單片機(jī)狀態(tài)。燒寫好程序的單片機(jī)只需要3個(gè)引腳便可以工作。電路接口設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 電路接口設(shè)計(jì)

3 模擬DS2431的程序設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)的流程

圖9 程序設(shè)計(jì)流程

主機(jī)會(huì)在一開始發(fā)出復(fù)位信號，一旦檢測到有從器件存在就可以發(fā)出ROM操作命令[14]。ROM命令有“讀”ROM【33h】、“匹配”ROM【55h】、“跳過”ROM【CCh】、“搜索”ROM【F0h】等。如果主機(jī)發(fā)出了ROM命令，那么單片機(jī)接收到了ROM命令就要做出相應(yīng)的回應(yīng)。同樣接下來主機(jī)會(huì)發(fā)出讀寫操作，單片機(jī)也進(jìn)行相應(yīng)的回應(yīng)。程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

3.2 模擬64位光刻和EEPROM

因?yàn)槊恳黄瑔慰偩€芯片的64位光刻都是唯一且不可更改的，所以DS2431的光刻可以用來做硬件ID序列號，也可以用來加密硬件，EEPROM可以用來存儲關(guān)鍵信息。

為模擬光刻，首先讀出一塊DS2431的光刻，然后用單片機(jī)開一個(gè)8 B的數(shù)組存儲這些光刻。當(dāng)主機(jī)發(fā)出33h命令時(shí)單片機(jī)就按字節(jié)給它吐光刻，當(dāng)主機(jī)發(fā)出F0h命令時(shí)單片機(jī)就按位吐出光刻。當(dāng)主機(jī)發(fā)出55h命令時(shí)單片機(jī)默認(rèn)接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可[15]。需要注意的是主機(jī)發(fā)出的命令是先寫高位再寫低位，在接收命令的時(shí)候也是先接收高位再接收低位。

模擬EEPROM可以用單片機(jī)開一塊數(shù)組用來存儲數(shù)據(jù)，可以一開始就給這些數(shù)組寫一些固定的值，主機(jī)來讀的時(shí)候就吐數(shù)給它。也可以開一片內(nèi)存來存儲主機(jī)寫的數(shù)，單片機(jī)可以將這些數(shù)據(jù)存到片內(nèi)EEPROM。在設(shè)計(jì)這個(gè)數(shù)組的時(shí)候要參照模擬目標(biāo)的EEPROM結(jié)構(gòu)，單片機(jī)在接到地址命令和頁碼命令時(shí)用相應(yīng)的數(shù)組結(jié)構(gòu)來對應(yīng)。

4 結(jié)論

利用STC15W204S單片機(jī)模擬DS2431有很好的發(fā)展前景和利用價(jià)值，STC15W204S單片機(jī)具有引腳少、功耗低、不需外部晶振、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本研究實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)模擬DS2431，破解了DS2431光刻不可以復(fù)制的難題。本研究實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)模擬單總線從機(jī)的應(yīng)答時(shí)序，利用這種方法還可以模擬其他的單總線設(shè)備。DS2431廣泛應(yīng)用于打印設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、硬件電路的加密。利用STC15W204S單片機(jī)模擬DS2431的部分功能就可以破解某些加密設(shè)備、復(fù)制硬件電路等。STC15W204S單片機(jī)具有溫度漂移，在復(fù)制的時(shí)候應(yīng)考慮溫度漂移范圍。單片機(jī)的工作范圍應(yīng)設(shè)置不同的頻率多次下載程序測試，并結(jié)合延時(shí)函數(shù)的修改來確定，下載程序時(shí)應(yīng)取其正常工作范圍的中間值來克服溫度漂移問題?？梢岳酶叩蜏貙?shí)驗(yàn)來驗(yàn)證程序及模擬單片機(jī)的可靠性。

[1] 陳浩. 基于智能傳感器和單片機(jī)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)[D]. 北京：華北電力大學(xué),2005.

[2] 陳志英，李光輝. 單總線技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電氣時(shí)代,2015(8):74-75.

[3] 楊張利. IC卡燃?xì)獗碇悄芸刂萍皺z測系統(tǒng)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2007

[4] 胡皓,雷金莉,周妮娜. 1-Wire總線技術(shù)及其在火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2006，35(6):68-71.

[5] 張揚(yáng)清. 基于雙機(jī)通信的電壓和溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 科技風(fēng),2013(23):104-105.

[6] 張東. 基于雙CPU的溫室溫度遠(yuǎn)距離測控系統(tǒng)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2007

[7] 張華峰. One-Wire Bus檢測網(wǎng)從站管理及可靠傳輸研究[D]. 南昌：南昌大學(xué),2007

[8] 高羅卿. 1-wire系統(tǒng)中TM卡的單片機(jī)等效替換[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2008(8):62-65.

[9] 李穎. 車用動(dòng)力電池SOC估算方法的研究及其管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 沈陽：東北大學(xué), 2012．[10] 張威. 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蓄電池管理系統(tǒng)的研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué),2008.

[11] 安錫穎. LED路燈無線智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2009.

[12] 候海玉. 智能壓電傳感器開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)與研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué),2006.

[13] 李亞梅. 動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)[D]. 石家莊：河北科技大學(xué),2009.

[14] 朱群峰，黃磊，唐杰，等. 基于DS18B20的單總線多路溫度采集系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù), 2008(12):29-33.

[15] 姚煒，胡毅. 1-wire 單總線協(xié)議的擴(kuò)展應(yīng)用[J].儀表技術(shù), 2012(6):23-25.

Simulate single bus EEPROM chip DS2431 based on STC15W204S

Zhang Jie1, Yang Bifeng1,2, Yan Xueyang1, Liu Yuyan1

(1.College of Electronic Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2.The Key Laboratory of China Meteorological Administration, Chengdu 610225, China)

This paper researches and simulates the single bus EEPROM chip DS2431 based on the MCU STC15W204S. SOP-8 encapsulated STC15W204S microcontroller has advantages of less pins, cheap price, and no-needing external crystals. It’s internal clock can be set up within 5 MHz to 35 MHz. The DS2431 is a 1 024 bit 1-Wire EEPROM chip, has four memory pages of 256 bit, contains a unique ROM code that is 64 bit long. Based on the 64 bit lasered rom DS2431 is widely used in circuit board encryption, setting the circuit board’s unique ID serial number and key information storage,etc.This paper mainly introduces the 1-Wire communication protocol, the circuit of the MCU simulated DS2431, the program design process of the MCU simulated DS2431, MCU simulated the DS2431’s 64 bit lasered rom and EEPROM.

SCM simulating the 1-Wire device; 1-Wire; DS2431; STC15W204S

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ110205)

TP368.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.011

張杰，楊筆鋒，嚴(yán)學(xué)陽,等.基于STC15W204S單片機(jī)模擬單總線EEPROM芯片DS2431[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：31-33，38.

2016-10-29)

張杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式、電子通信。

楊筆鋒(1980-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：氣象探測、電子綜合設(shè)計(jì)。

嚴(yán)學(xué)陽(1994-)，女，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測、信號與信息處理。

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