iButton的工作原理及其特点

摘要：在介绍1-Wire总线的基础上，对1-Wire器件iButton及其工作原理进行了介绍，并概括了它的特点。

包括达拉斯半导体公司现在生产的信息钮扣iButtion（information Button）在内，已有30多种1-Wire器件，它们采用一种特殊的通信协议，通过单条连接线解决了控制、通信和供电等问题，降低了系统成本并简化了设计，正越来越广泛地应用于日常生活中。例如iButton已用于金融、电信、商业以及军事领域等。

1 1-Wire总线

1-Wire总线是一种简单的信号电路，它仅用一根数据线即可与外界进行信息交换。1-Wire总线器件的共性是：每个器件都有一个不会与其它任何器件重复的出厂时应已固化的序列号，也就是说，每一个器件都是唯一的。一旦器件的序列号已知，通过这个序列号，任意一个器件都可以从众多连到同一1-Wire总线的器件中被选出用于通信。

    通信时，总线控制器先发出一个“复位”信号以使总线同步，然后选择受控制器件进行随后的通信。这可以通过选择一个特定的受控器件（利用该设备的系列号进行选择）或者通过对半检索法找到总线上的下一个受控器件来实现，当然，也可以选择所有的受控器件。一旦一个特定的器件被选中，那么在总线控制器发出下一次“复位”信号之前，所有其它器件都被挂起而忽略随后的通信。

主机能向用于总线通信的所有器件发布指令，对它（或者它们）进行数据的读写。这是因为每类器件运行不同的函数，有不同的用途，而且一旦器件被选定，它所用的协议也就固定下来。即使每类器件有不同的协议和特征，它们也都有着同样的选择过程并且都遵循如图1所示的流程。

2 iButton简介

iButton是一个封装在钮扣型不锈钢外壳里的微型计算机芯片，它的直径为16mm，厚3～6mm。可以实现双工通信，数据传输使用单总线协议，使得引脚数目降至最少：一根数据线，一根地线。不锈钢封装的内圈圆面作为数据线，外圈圆面作为地线。见图2。

    iButton的外形如图3。

Ibutton种类繁多，根据使用芯片的不同，可以分为三类：①Memory iButton具有64KB的存储空间，可以存储文字、数字化的图像，有些还具有实时时钟（如DS1904）、温度传感器（如DS1921）；②Java-powered crypto iButton采用高速处理器和算法加速器来处理加密和解密算法中的数据，它可以与Internet应用程序进行交互，可以作为一种远程身份验证解决方案；③Thermochron iButton包含了温度探测器和实时时钟，可以保留热交换的历史记录，还有512字节的附加存储器用来存储输出的历史记录。

IButton也可以通过并口或串口与计算机进行通信，其传输速率可达142kbps。其主机可以是PC机、掌上电脑或笔记本电脑，同时还需要有读写设备（如Blue Dot）以及相应的软件交接面，如iButton-TMEX。

3 iButton的工作原理

iButton芯片由多路复用器和存储器两部分构成，其功能模块如图4所示。

由于iButton采用单总线传输协议，所以只需一根数据线和一根地线，结构极其简单。传输数据时，通过数据线供电。微机及有关读写设备处于主动（Master）地位；iButton处于从属（Slave）地位。如果iButton与Master尚未建立连接，则不能进行数据的传输；一旦成功建立连接，只需几微秒的时间，iButton便可将数据线置为低电平，以此通知Master已经建立了连接，等待接收命令，这个脉冲称为在线脉冲。Master也可通过发送“复位”信号使数据线变为低电平。当iButton接收到“复位”信号时，通过检测数据线的电平状态，可在数据线变为高电平后立即发出一个在线脉冲。复位脉冲/在线脉冲的时序见图5。

IButton发出在线脉冲后，等待Master发出命令。收到命令后，便执行相应的操作。由于iButton处于从属地位，因此每个帧从何时开始就由Master来定义。为了做到这一点，Master从数据线读取一位数据，根据状态的不同做出相应的判断：如果iButton发出信号“1”，则下一个时隙即为帧的开始时刻；否则iButton将继续保持数据线为低电平直到霜一确定的时间。现以从iButton读取数据为例说明具体的执行过程：确定了下一帧的开始时刻后，Master首先向iButton发一个读数据指令，iButton接收读指令后立即将被读取位的内容送至数据线上，微机从数据线上获得数据。若数据线在iButton的采样时区内维持高电平，则读取值为“1”；否则，为“0”。最后，iButton释放数据线，数据线恢复为高电平，为Master继续从iButton读取数据作好准备。图6示出了从在线脉冲开始到读取数据结束的时序。其中，黑色粗线表示Master的动作，灰色粗线表示iButton的应答，细线表示上拉电阻的作用。

4 iButton的特点

由于iButton的硅晶片被保护在坚固的不锈钢外壳里，你可以把它扔在地上，踏上几脚，磨擦它或者戴着它游泳都没关系。由于其内部采用了先进的防静电电路及芯片，确保了iButton能承受高达8kV的静电而保证自身和存储的数据安装无恙。IButton的结构决定了它具有防撞击、防水、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠等特点；工作温度范围也较宽，可以在-40℃～80℃的温度范围内正常工作，适用于恶劣的环境；它可以嵌在戒指、钥匙串、钱包或手表上，随身携带方便。

另外，iButton的广泛应用还在于它具有磁卡、IC卡的不具有的突出特点，具体表现在：

（1）存储量大：iButton的最大数据存储量可达64KB，如DS2506具有64KB的EPROM存储器，DS1996具有64KB的NVRAM存储器。

（2）速度快：读写数据时，只需与触点轻轻接触，瞬间便可完成，而且其传输速率可达142kbps。

（3）安全性高：每个芯片都具有全球唯一的64位序列号，该序列号在出厂时通过激光工艺刻在芯片上，并增加了保护层，具有不可伪造性，任何企图更改序列号的行为都会使CRC校验过程出错。

（4）成本低：iButton所用的读写器其成本只有一百多元，维修成本小于0.01%。iButton的稳定性高，故障率低，性能价格比非常高。

    （5）寿命长：iButton的不锈钢外壳内置有高性能锂电池，而且其功耗很低，可以确保其数据的存储长达10年以上。它的使用没有次数的限制，可以无限次地使用。

IButton的种种优势，决定了它势必具有广阔的应用前景。