Введение
В системах автоматической идентификации персонала, технических изделий, товаров наиболее популярными являются такие традиционные идентификаторы, как штриховой код и магнитная полоска.
Однако, несмотря на простоту и дешевизну, эти идентификаторы имеют ряд существенных ограничений. К их недостаткам можно отнести незначительную информационную емкость, невозможность оперативного изменения записанных данных, большую зависимость от условий эксплуатации, а также необходимость использования специальных считывающих устройств, преобразующих оптические или магнитные сигналы в цифровой код.
Широкое внедрение информационных систем в производстве, управленческой деятельности, финансовой области, торговле, социальной сфере потребовало создания более совершенных средств автоматической идентификации.
К таким средствам можно с полным основанием отнести принципиально новый тип электронных идентификаторов американской компании «Dallas Semiconductor». Приборы семейства DS199X, получившие название Touch Memory, обладают целым рядом уникальных особенностей.
Touch Memory представляет собой энергонезависимую память, размещенную в металлическом корпусе, с одним сигнальным контактом и одним контактом земли. Корпус, по виду напоминающий миниатюрную пуговичную батарейку, легко крепится на изделии либо на носителе (карточка, брелок). Информация записывается и считывается из памяти прибора простым касанием считывающего устройства корпуса Touch Memory.
Организация памяти
В семейство Touch Memory входят 5 приборов, идентичных по конструкции корпуса, но отличающихся функциональными возможностями, объемом памяти, а также методом доступа к ней (табл. 1).
|
Тип прибора |
Уникальный серийный номер |
Объем блокнотной памяти в байтах |
Часы/ таймер |
Объем основной памяти в байтах |
Защита доступа к памяти |
Конструкция корпуса |
|
DS1990A |
+ |
— |
— |
— |
— |
F5/F3 |
|
DS1991 |
+ |
64 |
— |
192 |
+ |
F5 |
|
DS1992 |
+ |
32 |
— |
128 |
— |
F5 |
|
DS1993 |
+ |
32 |
— |
512 |
— |
F5 |
|
DS1994 |
+ |
32 |
+ |
512 |
— |
F5 |
В структуре Touch Memory можно выделить четыре основных блока: постоянное запоминающее устройство, блокнотную память, оперативное запоминающее устройство, часы реального времени (для DS1994), а также элемент питания — встроенную миниатюрную литиевую батарейку (рис. 1).
Pис. 1
Постоянное запоминающее устройство
Каждый прибор Touch Memory содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором хранится 64-разрядный код, состоящий из 8-разрядного кода типа прибора, 48-разрядного уникального серийного номера и 8-разрядной контрольной суммы (рис. 2).
Pис. 2
Размещаемые в ПЗУ данные представляют собой уникальную кодовую комбинацию, которая записывается в прибор с помощью лазерной установки во время его изготовления и не может быть изменена в течение всего срока службы прибора. В процессе записи и тестирования на заводе гарантируется, что не будет изготовлено двух приборов с одинаковыми номерами.
Так как при чтении данных из ПЗУ в любой момент возможно нарушение электрического контакта считывающего устройства с корпусом прибора, то необходимо контролировать целостность считываемых данных. Для этой цели в Touch Memory используется контроль циклически избыточным кодом (CRC).
Предварительно рассчитанная контрольная сумма младших 7 байтов содержимого ПЗУ хранится в старшем байте. При чтении данных из ПЗУ в считывающем устройстве (персональная ЭВМ, микропроцессорный контроллер) вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с контрольным кодом, записанным в старшем байте. В том случае, если коды совпали, серийный номер считан верно. В противном случае выполняется повторное чтение данных из ПЗУ.
Напряжение питания ПЗУ подается по сигнальной линии данных, что позволяет, во-первых, сэкономить , энергию встроенной литиевой батарейки, и во-вторых, считывать память всегда независимо от энергии батарейки.
Оперативное запоминающее устройство
Самый простой прибор семейства DS1990 содержит только постоянную память. Все остальные приборы имеют в своем составе также статическую оперативную память. Число циклов записи-чтения в эту память не ограничено. Питание памяти обеспечивается миниатюрной литиевой батарейкой, срок службы которой — 10 лет.
Вся оперативная память разделена на отдельные страницы объемом по 32 байта. DS1992 содержит 4 страницы, которые обеспечивают хранение 256 байтов, DS1993 и DS1994 — 16 страниц, что позволяет хранить 512 байтов. DS1994 содержит дополнительную 17-ю страницу, которая имеет объем 30 байтов и предназначена для работы часов реального времени (рис. 3).
Pис. 3
Так как данные записываются в память в момент касания считывающего устройства и корпуса прибора, то нарушение электрического контакта в этот момент может привести к разрушению информации в памяти.
Чтобы предотвратить разрушение информации, в структуре Touch Memory предусмотрена дополнительная буферная память, которая выполняет функцию блокнотной области. Эта память защищает прибор от случайной записи новых данных на место имеющихся или от записи не по тому адресу. Объем блокнотной памяти равен объему страницы оперативной памяти — 32 байта для DS1992-94.
Рассмотрим принцип работы блокнотной памяти. Все поступающие в прибор данные первоначально записываются в блокнотную память. Затем они передаются из нее в считывающее устройство, где сравниваются с данными, которые необходимо было записать. После верификации выполняется операция копирования содержимого блокнотной памяти в основную. Так как копирование выполняется внутри Touch Memory, то гарантируется целостность информации даже в случае нарушения внешнего контакта.
Оперативное запоминающее устройство с защитой доступа
Приборы DS1992-94 имеют идентичную по структуре оперативную память, любая страница которой доступна как по чтению (непосредственно), так и по записи (через блокнотную память).
Прибор DS1991 имеет более сложную архитектуру оперативной памяти. В нем реализована на аппаратном уровне защита памяти от несанкционированного доступа. Вся энергонезависимая память разделена на четыре независимых страницы по 64 байта, одна из страниц — блокнотная память. Каждая страница основной памяти состоит из 48 байтов, предназначенных для хранения данных, и двух служебных полей по 8 байтов для хранения идентификатора и пароля (рис. 4).
Pис. 4
Механизм доступа к памяти реализован с помощью двух ключей: открытого, хранящегося в поле идентификатора, и закрытого, записанного в поле пароля. Открытый ключ записывается и считывается, закрытый только устанавливается и не может быть прочитан. Закрытый ключ обеспечивает санкционированный доступ к памяти и защищен от случайного изменения с помощью открытого ключа.
При первоначальном форматировании в служебные поля каждой страницы записываются коды открытого и закрытого ключей данной страницы. При любом обращении к памяти в DS1991 сначала передается закрытый ключ данной страницы. В том случае, если он совпадает с ключом, предварительно записанным в поле пароля, память будет доступна как по записи, так и по чтению. При несовпадении кодов данные в память не записываются, а в режиме чтения из DS1991 считывается последовательность случайных чисел.
Для записи нового значения закрытого ключа в DS1991 необходимо передать код открытого ключа выбранной страницы. При совпадении этого кода с кодом, ранее записанным в поле идентификатора, в служебное поле данной страницы записываются новые значения обоих ключей, а область данных стирается. При несовпадении кодов значение закрытого ключа не изменяется.
Реализованный в DS1991 механизм доступа к памяти обеспечивает надежную защиту памяти от несанкционированной записи-чтения, что в ряде применений крайне важно.
Часы реального времени
В DS1994 имеется схема часов реального времени.
Встроенный миниатюрный кварцевый генератор, работающий на частоте 32,768 Гц, вырабатывает стабильные сигналы отсчета времени — 256 импульсов в секунду. Схема содержит три счетчика: 40-разрядный счетчик временных импульсов, 40-разрядный интервальный таймер, подсчитывающий время активного состояния сигнальной линии и 32-разрядный счетчик циклов, подсчитывающий число циклов обмена данными с прибором.
Старшие байты счетчика временных импульсов и интервального таймера обеспечивают подсчет времени с секундной точностью.
Помимо этих счетчиков, в схеме имеются три регистра аналогичного назначения. При совпадении текущего значения счетчика с предварительно записанными в регистре данными в статусном регистре устанавливается соответствующий флаг. Если при этом в статусном регистре установлен соответствующий разряд разрешения прерывания, то вырабатывается прерывание, которое может быть считано по сигнальной линии.
Однопроводной интерфейс
Отличительной особенностью Touch Memory является разработанный фирмой «Dallas Semiconductor» протокол обмена со считывающим устройством.
Для приема-передачи информации используется одна двунаправленная сигнальная линия (второй провод — земляной контакт).
Обмен по одной линии осуществляется в режиме полудуплекса (или прием, или передача). Взаимодействие приборов по однопроводному интерфейсу организовано по принципу «ведущий-ведомый» (master-slave). При этом считывающее устройство всегда ведущее, а один или несколько приборов Touch Memory — ведомые. Взаимодействие нескольких приборов со считывающим устройством по одной двунаправленной линии поддерживается аппаратными средствами Touch Memory.
Протокол обмена по однопроводному интерфейсу является двухуровневым. На первом -логическом уровне для взаимодействия устройств используются команды обмена с ПЗУ и ОЗУ (табл. 2).
|
Тип прибора |
Команды ПЗУ |
Команды блокнотной памяти |
Команды оперативной памяти |
Команды |
|
|
Чтение |
Чтение |
Чтение |
Запись |
Запись |
|
|
DS1990A |
+ |
— |
— |
— |
— |
|
DS1991 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
DS1992 |
+ |
+ |
+ |
— |
— |
|
DS1993 |
+ |
+ |
+ |
— |
— |
|
DS1994 |
+ |
+ |
+ |
— |
— |
Группу команд обмена с ПЗУ составляют четыре команды: чтение ПЗУ, пропуск, сравнение и поиск. Две последние команды обеспечивают взаимодействие по одной линии нескольких Touch Memory со считывающим устройством. Команда сравнение инициирует обмен с прибором, серийный номер которого указан. Команда поиск позволяет определить серийный номер одного из приборов, подключенных к двунаправленной линии.
Команды обмена с блокнотной и основной памятью обрабатываются Touch Memory только после исполнения одной из команд обмена с ПЗУ. Таким образом, при взаимодействии нескольких приборов, подключенных к одной линии, считывающее устройство посылает по линии команду сравнение, по которой выбирается только один прибор, принимающий в дальнейшем команды обмена с памятью.
Все команды обмена имеют фиксированный размер — один байт, данные представлены 8-разрядными целыми числами. Ведущее устройство всегда инициирует обмен, посылая команды ведомому устройству.
Протокол физического уровня используется для передачи команд и данных по однопроводному интерфейсу. Команды и данные передаются в последовательном коде. Для обеспечения целостности передаваемой информации протокол обмена на физическом уровне строго регламентирует временные параметры сигналов на линии.
Протокол обмена данными состоит из трех основных циклов: инициализации, записи и чтения.
Цикл инициализации является начальным циклом любого информационного обмена с Touch Memory. В этом цикле ведущее устройство опрашивает линию, определяя присутствие на ней Touch Memory. Синхронизация цикла инициализации осуществляется отрицательным импульсом сброса, формируемым ведущим устройством. После посылки сигнала ведущее устройство освобождает линию и переходит в режим приема. В том случае, если к линии подключен прибор Touch Memory, он обнаруживает синхросигнал ведущего и после временной паузы посылает ему сигнал опознания (рис. 5). Этот ответный сигнал информирует ведущее устройство о том, что имеется электрический контакт с Touch Memory и можно начинать обмен.
Pис. 5
Данные передаются по однопроводной двунаправленной линии в течение дискретных временных интервалов, которые называются временными сегментами (типовая длительность — около 60 мкс). При передаче данных используется широтноимпульсный метод кодирования, напоминающий азбуку Морзе: в течение одного временного сегмента длинные или короткие состояния логического нуля на линии определяют значение передаваемого разряда. Обеспечивается скорость передачи данных до 16,6 кбит/сек.
Синхронизация временного сегмента при записи осуществляется отрицательным фронтом сигнала, который формирует ведущее устройство. Для передачи в Touch Memory логической единицы ведущее устройство после посылки синхросигнала освобождает линию, для записи логического нуля ведущее устройство поддерживает низкое состояние линии в течение всего временного сегмента (рис. 6а). Описанный цикл записи повторяется для каждого передаваемого разряда команды.
Pис. 6(а)
В начале цикла чтения ведущее устройство также передает в линию синхронизирующий сигнал низкого уровня, после чего освобождает линию и переходит в режим приема. Далее в течение всего временного сегмента состояние однопроводной линии определяется ведомым устройством — Touch Memory. При этом логическая единица передается высоким уровнем, а логический нуль — низким уровнем однопроводной линии в течение всего, временного сегмента. Наилучший момент стробирования данных ведущим устройством — это 8 мкс после начала временного сегмента (рис. 6б). Цикл чтения одного разряда повторяется до тех пор, пока все данные не будут считаны.
Pис. 6(б)
В конце каждого временного сегмента ведущее устройство обеспечивает паузу в обмене (момент восстановления), удерживая линию в высоком состоянии. Возможна приостановка сеанса связи на любое время между временными сегментами, при этом на линии поддерживается высокое состояние. Во всех сеансах связи первым передается младший значащий разряд данных.
Конструктивные особенности Touch Memory
Целый ряд уникальных свойств Touch Memory обеспечивается благодаря необычному корпусу прибора. Кристалл памяти и миниатюрная литиевая батарейка смонтированы в герметичном корпусе из нержавеющей стали диаметром 16 мм и толщиной 5,8 мм (корпус F5) или 3,2 мм (корпус F3).
Стальной корпус используется для осуществления электрических контактов. Корпус прибора аналогичен по конструкции корпусу пуговичной батарейки. Он состоит из ободка с донышком и электрически изолированной крышки. В отличие от обычных микросхем, доступ к содержимому памяти прибора осуществляется только через две линии: земляную и двунаправленную сигнальную. Ободок и донышко представляют собой земляной контакт, а крышечка выполняет функцию сигнального контакта (рис. 7а). Корпус может выдержать свыше 1 млн. механических подключений без заметного износа и стирания.
Pис. 7а
Для считывания данных из приборов Touch Memory используется контактирующее устройство Touch Probe (зонд), которое представляет собой механический узел, состоящий из двух штампованных металлических деталей, разделенных диэлектриком. Форма наконечника зонда сделана такой, чтобы он точно сопрягался с круглым корпусом прибора. При этом углубленная центральная область выполняет функцию сигнального контакта, а его ободок служит земляным контактом (рис. 7б).
Pис. 7б
Малые размеры Touch Probe позволяют встраивать его непосредственно в портативный микропроцессорный контроллер, прикреплять к любой поверхности или использовать в виде отдельного ручного устройства.
Взаимодействие с прибором обеспечивается моментальным касанием зонда и корпуса Touch Memory таким образом, что донышко прибора контактирует с углубленной центральной областью зонда, а ободок — с боковой поверхностью зонда.
Использование простого по конструкции электрического интерфейса обеспечивает высокую механическую прочность Touch Memory, поскольку у него отсутствуют штырьки или контакты, которые можно повредить.
Надежность
Одним из основных преимуществ Touch Memory по сравнению с идентификаторами других типов является их высокая надежность. Приборы Touch Memory выдерживают механический удар 500 g, падение с высоты 1,5 метра на бетонный пол, 11-килограммовую нагрузку на корпус, не подвержены воздействию магнитных и статических полей, промышленной атмосферы и работают в диапазоне температур от -40’С до +85’С для DS1990 и от -20’С до +85’С для всех остальных приборов семейства.
Заключение
Уникальная конструкция корпуса и простой электрический интерфейс Touch Memory позволяют значительно расширить область применения электронного идентификатора по сравнению с традиционными средствами, а в некоторых системах и заменить их.
Внедрение технологии Touch Memory в СНГ существенно отличается от внедрения систем с обычными идентификаторами. Если системы с магнитными карточками, штрих-кодами и более современные с микропроцессорными карточками закупаются полностью за рубежом, то все оборудование и программное обеспечение для систем с Touch Memory разработано и выпускается отечественными предприятиями. Такой путь является существенно более дешевым и перспективным, так как, с одной стороны, позволяет использовать высокий потенциал отечественных разработчиков и легко адаптировать системы к требованиям конкретных применений, а с другой — дает возможность совершить технологический скачок, внедряя в короткие сроки наиболее передовую технологию.
Наиболее широкое применение приборы Touch Memory находят в системах управления физическим доступом в помещения, здания и доступом к информационным ресурсам, оборудованию, в системах безналичных электронных платежей, автоматической идентификации изделий, объектов.
