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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Touch Memory – elektronischer Identifikator. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Einführung In Systemen zur automatischen Identifizierung von Personal, technischen Produkten und Waren sind traditionelle Identifikatoren wie Strichcode und Magnetstreifen am beliebtesten. Trotz ihrer Einfachheit und geringen Kosten weisen diese Identifikatoren jedoch eine Reihe erheblicher Einschränkungen auf. Zu ihren Nachteilen gehören eine unbedeutende Informationskapazität, die Unmöglichkeit, die aufgezeichneten Daten zeitnah zu ändern, eine größere Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und die Notwendigkeit, spezielle Lesegeräte zu verwenden, die optische oder magnetische Signale in einen digitalen Code umwandeln. Die weit verbreitete Einführung von Informationssystemen in Produktion, Verwaltung, Finanzsektor, Handel und im sozialen Bereich erforderte die Schaffung fortschrittlicherer Mittel zur automatischen Identifizierung. Diese Tools können zu Recht auf eine grundlegend neue Art von elektronischen Identifikatoren der amerikanischen Firma „Dallas Semiconductor“ zurückgeführt werden. Die DS199X-Familie mit dem Namen Touch Memory verfügt über eine Reihe einzigartiger Merkmale. Touch Memory ist ein nichtflüchtiger Speicher, der in einem Metallgehäuse mit einem Signalstift und einem Erdungsstift untergebracht ist. Das Etui, das aussieht wie eine Miniatur-Knopfbatterie, lässt sich einfach am Produkt oder an einem Träger (Karte, Schlüsselanhänger) befestigen. Informationen werden in den Speicher des Instruments geschrieben und daraus gelesen, indem einfach das Lesegerät auf dem Touch Memory-Gehäuse berührt wird. Gedächtnisorganisation Die Touch Memory-Familie umfasst 5 Geräte, die im Gehäusedesign identisch sind, sich jedoch in Funktionalität, Speichergröße und Zugriffsmethode unterscheiden (Tabelle 1).
Es gibt vier Hauptblöcke in der Struktur von Touch Memory: Nur-Lese-Speicher, Notepad-Speicher, Direktzugriffsspeicher, Echtzeituhr (für DS1994) und eine Batterie – eine eingebaute Miniatur-Lithiumbatterie (Abb. 1).
Schreibgeschützter Speicher Jedes Touch Memory-Instrument enthält einen Nur-Lese-Speicher (ROM), der einen 64-Bit-Code speichert, der aus einem 8-Bit-Instrumententypcode, einer eindeutigen 48-Bit-Seriennummer und einer 8-Bit-Prüfsumme besteht (Abbildung 2).
Die im ROM platzierten Daten sind eine eindeutige Codekombination, die während der Herstellung mit einer Laserinstallation in das Gerät geschrieben wird und während der gesamten Lebensdauer des Geräts nicht geändert werden kann. Während des Aufnahme- und Prüfprozesses im Werk wird garantiert, dass keine zwei Einheiten mit der gleichen Teilenummer produziert werden. Da beim Lesen von Daten aus dem ROM jederzeit der elektrische Kontakt des Lesegeräts mit dem Gerätegehäuse gestört werden kann, ist es notwendig, die Integrität der gelesenen Daten zu kontrollieren. Zu diesem Zweck verwendet Touch Memory die zyklische Redundanzprüfung (CRC). Im High-Byte wird die vorberechnete Prüfsumme der unteren 7 Bytes des ROM-Inhalts gespeichert. Beim Lesen von Daten aus dem ROM im Lesegerät (Personalcomputer, Mikroprozessorsteuerung) wird eine Prüfsumme berechnet, die mit dem im High-Byte aufgezeichneten Steuercode verglichen wird. Falls die Codes übereinstimmten, wurde die Seriennummer korrekt gelesen. Andernfalls werden die Daten aus dem ROM erneut gelesen. Die ROM-Versorgungsspannung wird über die Datensignalleitung zugeführt, was es ermöglicht, erstens die Energie der eingebauten Lithiumbatterie zu sparen und zweitens den Speicher unabhängig von der Batterieenergie immer auszulesen. Direktzugriffsspeicher Das einfachste Instrument der DS1990-Familie enthält nur einen Nur-Lese-Speicher. Alle anderen Geräte enthalten auch statischen RAM. Die Anzahl der Schreib-Lese-Zyklen in diesem Speicher ist nicht begrenzt. Der Speicher wird von einer Miniatur-Lithiumbatterie mit einer Lebensdauer von 10 Jahren gespeist. Der gesamte RAM ist in separate Seiten von 32 Bytes unterteilt. DS1992 hat 4 Seiten, die 256 Bytes speichern können, DS1993 und DS1994 haben 16 Seiten, die 512 Bytes speichern können. DS1994 enthält eine zusätzliche 17. Seite, die einen Umfang von 30 Bytes hat und für den Betrieb der Echtzeituhr vorgesehen ist (Bild 3).
Da die Daten im Moment der Berührung des Lesegeräts und des Gerätekörpers in den Speicher geschrieben werden, kann die Verletzung des elektrischen Kontakts in diesem Moment zur Zerstörung von Informationen im Speicher führen. Um die Zerstörung von Informationen zu verhindern, bietet die Struktur von Touch Memory zusätzlichen Pufferspeicher, der die Funktion eines Notizblockbereichs erfüllt. Dieser Speicher schützt das Gerät davor, versehentlich neue Daten über vorhandene Daten zu schreiben oder an die falsche Adresse zu schreiben. Die Größe des Scratchpad-Speichers entspricht der Größe einer RAM-Seite - 32 Bytes für DS1992-94. Betrachten Sie das Funktionsprinzip des Notizblockspeichers. Alle in das Instrument eingegebenen Daten werden zunächst in den Arbeitsspeicher geschrieben. Von dort werden sie dann zum Lesegerät übertragen, wo sie mit den zu schreibenden Daten verglichen werden. Nach der Verifizierung wird der Vorgang des Kopierens der Inhalte des Notizblockspeichers in den Hauptspeicher durchgeführt. Da das Kopieren innerhalb des Touch-Speichers erfolgt, ist die Integrität der Informationen selbst dann garantiert, wenn der externe Kontakt unterbrochen ist. Zugriff auf geschützten RAM Die Geräte DS 1992-94 haben ein identisch aufgebautes RAM, dessen beliebige Seite sowohl zum Lesen (direkt) als auch zum Schreiben (über Notizblockspeicher) zur Verfügung steht. Der DS 199.1 hat eine komplexere RAM-Architektur. Es implementiert auf Hardwareebene Speicherschutz gegen unbefugten Zugriff. Der gesamte nichtflüchtige Speicher ist in vier unabhängige Seiten mit jeweils 64 Bytes unterteilt, eine der Seiten ist ein Notizblockspeicher. Jede Seite des Hauptspeichers besteht aus 48 Bytes zum Speichern von Daten und zwei Dienstfeldern von jeweils 8 Bytes zum Speichern einer Kennung und eines Passworts (Fig. 4).
Der Speicherzugriffsmechanismus wird unter Verwendung von zwei Schlüsseln implementiert: öffentlich, gespeichert im Kennungsfeld, und privat, aufgezeichnet im Passwortfeld. Der öffentliche Schlüssel wird geschrieben und gelesen, der private Schlüssel wird nur gesetzt und kann nicht gelesen werden. Der private Schlüssel bietet autorisierten Zugriff auf den Speicher und wird durch den öffentlichen Schlüssel vor versehentlicher Änderung geschützt. Bei der initialen Formatierung werden die Codes der öffentlichen und privaten Schlüssel dieser Seite in die Service-Felder jeder Seite geschrieben. Immer wenn auf den Speicher im DS1991 zugegriffen wird, wird zuerst der private Schlüssel dieser Seite übertragen. Falls er mit dem zuvor in das Passwortfeld geschriebenen Schlüssel übereinstimmt, steht der Speicher sowohl zum Schreiben als auch zum Lesen zur Verfügung. Wenn die Codes nicht übereinstimmen, werden die Daten nicht in den Speicher geschrieben, und im Lesemodus wird eine Folge von Zufallszahlen aus dem DS1991 gelesen. Um einen neuen privaten Schlüsselwert in DS1991 zu schreiben, müssen Sie den öffentlichen Schlüsselcode der ausgewählten Seite übergeben. Wenn dieser Code mit dem zuvor im Identifikatorfeld aufgezeichneten Code übereinstimmt, werden neue Werte beider Schlüssel in das Servicefeld dieser Seite geschrieben und der Datenbereich gelöscht. Wenn die Codes nicht übereinstimmen, ändert sich der Wert des privaten Schlüssels nicht. Der in DS1991 implementierte Speicherzugriffsmechanismus bietet einen zuverlässigen Schutz des Speichers vor unbefugtem Schreiben und Lesen, was in einer Reihe von Anwendungen äußerst wichtig ist. Echtzeituhr Der DS1994 hat eine Echtzeituhrschaltung. Der eingebaute Miniatur-Quarzoszillator, der mit einer Frequenz von 32,768 Hz arbeitet, erzeugt stabile Zeitsignale - 256 Impulse pro Sekunde. Die Schaltung enthält drei Zähler: einen 40-Bit-Zeitimpulszähler, einen 40-Bit-Intervallzähler, der die Zeit zählt, in der die Signalleitung aktiv ist, und einen 32-Bit-Zykluszähler, der die Anzahl der Datenaustauschzyklen mit dem Gerät zählt. Die oberen Bytes des Zeitimpulszählers und des Intervalltimers ermöglichen eine sekundengenaue Zeitzählung. Zusätzlich zu diesen Zählern verfügt die Schaltung über drei Register mit ähnlichen Zwecken. Stimmt der aktuelle Zählerwert mit den zuvor im Register erfassten Daten überein, wird das entsprechende Flag im Statusregister gesetzt. Wenn das entsprechende Interrupt-Enable-Bit im Statusregister gesetzt ist, wird ein Interrupt generiert, der über die Signalleitung gelesen werden kann. Single-Wire-Schnittstelle Eine Besonderheit von Touch Memory ist das von Dallas Semiconductor entwickelte Austauschprotokoll mit dem Lesegerät. Zum Empfangen und Senden von Informationen wird eine bidirektionale Signalleitung verwendet (die zweite Ader ist ein Massekontakt). Der Austausch auf einer Leitung erfolgt im Halbduplexmodus (entweder Empfang oder Übertragung). Das Zusammenspiel von Geräten über eine Single-Wire-Schnittstelle ist nach dem Prinzip „Master-Slave“ (Master-Slave) organisiert. In diesem Fall ist das Lesegerät immer der Master und ein oder mehrere Touch Memory-Geräte sind die Slaves. Die Interaktion mehrerer Geräte mit dem Lesegerät auf einer bidirektionalen Leitung wird von der Touch Memory-Hardware unterstützt. Das Austauschprotokoll über eine Single-Wire-Schnittstelle ist zweistufig. Auf der ersten logischen Ebene werden Austauschbefehle mit ROM und RAM verwendet, um mit Geräten zu interagieren (Tabelle 2).
Die Gruppe der ROM-Austauschbefehle besteht aus vier Befehlen: ROM lesen, überspringen, vergleichen und suchen. Die letzten beiden Befehle ermöglichen die Interaktion auf einer Zeile von mehreren Touch-Speichern mit dem Lesegerät. Der Vergleichsbefehl initiiert einen Austausch mit dem Gerät, dessen Seriennummer angegeben ist. Mit dem Suchbefehl können Sie die Seriennummer eines der an die bidirektionale Leitung angeschlossenen Geräte ermitteln. Befehle zum Austauschen mit Notepad und Hauptspeicher werden von Touch Memory erst nach Ausführung eines der Befehle zum Austauschen mit ROM verarbeitet. Wenn also mehrere an dieselbe Leitung angeschlossene Geräte interagieren, sendet das Lesegerät einen Vergleichsbefehl über die Leitung, wonach nur ein Gerät ausgewählt wird, das anschließend Befehle zum Austauschen mit dem Speicher erhält. Alle Austauschbefehle haben eine feste Größe - ein Byte, die Daten werden durch 8-Bit-Ganzzahlen dargestellt. Der Master initiiert immer einen Austausch, indem er Befehle an den Slave sendet. Das Protokoll der physikalischen Schicht wird verwendet, um Befehle und Daten über eine Eindrahtschnittstelle zu übertragen. Befehle und Daten werden im seriellen Code übertragen. Um die Integrität der übertragenen Informationen zu gewährleisten, regelt das Austauschprotokoll auf der physikalischen Schicht streng die Zeitparameter der Signale auf der Leitung. Das Datenaustauschprotokoll besteht aus drei Hauptzyklen: Initialisierung, Schreiben und Lesen. Der Initialisierungszyklus ist der Anfangszyklus jedes Informationsaustauschs mit dem Touch Memory. In diesem Zyklus fragt der Master die Leitung ab und bestimmt das Vorhandensein von Berührungsspeicher darauf. Der Initialisierungszyklus wird durch einen vom Master erzeugten negativen Reset-Impuls synchronisiert. Nach dem Senden des Signals gibt der Master die Leitung frei und wechselt in den Empfangsmodus. Falls ein Touch-Memory-Gerät an die Leitung angeschlossen wird, erkennt es das Taktsignal des Masters und sendet ihm nach einer vorübergehenden Pause ein Identifikationssignal (Abb. 5). Dieses Antwortsignal informiert den Host, dass elektrischer Kontakt mit dem Berührungsspeicher besteht und dass der Austausch beginnen kann.
Daten werden über eine einadrige, bidirektionale Leitung in diskreten Zeitintervallen, die als Zeitsegmente bezeichnet werden (typischerweise etwa 60 µs), übertragen. Bei der Datenübertragung kommt ein Pulsweiten-Codierverfahren zum Einsatz, das an das Morsezeichen erinnert: Während eines Zeitabschnitts bestimmen lange oder kurze Zustände einer logischen Null auf der Leitung den Wert des übertragenen Bits. Bietet Datenübertragungsraten von bis zu 16,6 kbps. Die Synchronisation des Zeitabschnitts während der Aufzeichnung erfolgt durch die negative Flanke des Signals, das das Master-Gerät bildet. Um eine logische Einheit in den Touch Memory zu übertragen, gibt das Master-Gerät die Leitung nach Senden eines Taktsignals frei, um eine logische Null zu schreiben, hält das Master-Gerät die Leitung während des gesamten Zeitabschnitts auf einem niedrigen Zustand (Abb. 6a). Der beschriebene Schreibzyklus wird für jedes übertragene Befehlsbit wiederholt.
Zu Beginn des Lesezyklus sendet das Hostgerät auch ein Taktsignal mit niedrigem Pegel an die Leitung, wonach es die Leitung freigibt und in den Empfangsmodus eintritt. Weiterhin wird während des gesamten Zeitabschnitts der Zustand der Single-Wire-Leitung durch das Slave-Gerät – Touch Memory – ermittelt. Dabei wird während des gesamten Zeitabschnitts eine logische Einheit durch einen High-Pegel und eine logische Null durch einen Low-Pegel einer Eindrahtleitung übertragen. Der beste Zeitpunkt für das Data-Gating durch das Master-Gerät ist 8 µs nach Beginn des Zeitsegments (Abb. 6b). Der Lesezyklus eines Bits wird wiederholt, bis alle Daten gelesen wurden.
Am Ende jedes Zeitsegments sorgt das Master-Gerät für eine Pause im Austausch (Erholungsmoment), indem es die Leitung hoch hält. Es ist möglich, eine Kommunikationssitzung für eine beliebige Zeit zwischen den Zeitsegmenten auszusetzen, während ein hoher Zustand auf der Leitung aufrechterhalten wird. Bei allen Kommunikationssitzungen wird das niedrigstwertige Datenbit zuerst übertragen. Designmerkmale von Touch Memory Dank des ungewöhnlichen Gehäuses des Geräts werden eine Reihe einzigartiger Funktionen von Touch Memory bereitgestellt. Der Speicherkristall und die Miniatur-Lithiumbatterie sind in einem versiegelten Edelstahlgehäuse mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Dicke von 5,8 mm (F5-Gehäuse) oder 3,2 mm (F3-Gehäuse) untergebracht. Das Stahlgehäuse wird verwendet, um elektrische Kontakte herzustellen. Das Gehäuse des Geräts ähnelt im Aufbau dem Gehäuse einer Knopfbatterie. Es besteht aus einem Rand mit Boden und einem elektrisch isolierten Deckel. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroschaltungen erfolgt der Zugriff auf den Inhalt des Gerätespeichers nur über zwei Leitungen: Masse und bidirektionales Signal. Der Rand und der Boden sind der Massekontakt, und die Kappe fungiert als Signalkontakt (Abb. 7a). Das Gehäuse kann über 1 Million mechanische Verbindungen ohne merklichen Verschleiß aushalten.
Um Daten von Touch-Memory-Geräten zu lesen, wird das Touch-Probe-Kontaktgerät (Sonde) verwendet, das eine mechanische Baugruppe ist, die aus zwei gestanzten Metallteilen besteht, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Die Sondenspitze ist so geformt, dass sie genau in den runden Körper des Instruments passt. In diesem Fall fungiert der vertiefte Mittelbereich als Signalkontakt und sein Rand als Massekontakt (Abb. 7b).
Die geringe Größe des Tastkopfs ermöglicht den direkten Einbau in eine tragbare Mikroprozessorsteuerung, die Befestigung an einer beliebigen Oberfläche oder die Verwendung als eigenständiges tragbares Gerät. Die Interaktion mit dem Gerät erfolgt durch eine kurzzeitige Berührung der Sonde und des Touch Memory-Körpers in einer Weise, dass die Unterseite des Geräts den tiefen zentralen Bereich der Sonde berührt und der Rand die Seitenfläche der Sonde berührt. Die Verwendung eines einfachen elektrischen Schnittstellendesigns stellt die hohe mechanische Festigkeit von Touch Memory sicher, da es keine Stifte oder Kontakte hat, die beschädigt werden könnten. Zuverlässigkeit Einer der Hauptvorteile von Touch Memory gegenüber anderen Arten von Identifikatoren ist ihre hohe Zuverlässigkeit. Touch-Memory-Geräte überstehen einen mechanischen Schock von 500 g, einen Sturz aus 1,5 Metern Höhe auf einen Betonboden, eine 11-Kilogramm-Belastung des Körpers, werden nicht durch magnetische und statische Felder, Industrieatmosphäre beeinflusst und arbeiten im Temperaturbereich von -40 bis +85 °C für DS 1990 und von -20 °C bis +85 °C für alle anderen Geräte der Familie. Abschluss Das einzigartige Design des Gehäuses und die einfache elektrische Schnittstelle von Touch Memory können den Anwendungsbereich des elektronischen Identifikators im Vergleich zu herkömmlichen Mitteln erheblich erweitern und in einigen Systemen sogar ersetzen. Die Einführung der Touch-Memory-Technologie in der GUS unterscheidet sich deutlich von der Einführung von Systemen mit herkömmlichen Identträgern. Werden Systeme mit Magnetkarten, Barcodes und modernere mit Mikroprozessorkarten vollständig im Ausland eingekauft, so werden alle Geräte und Software für Systeme mit Touch Memory von inländischen Unternehmen entwickelt und produziert. Dieser Weg ist viel billiger und vielversprechender, da er einerseits ermöglicht, das hohe Potenzial einheimischer Entwickler zu nutzen und Systeme leicht an die Anforderungen spezifischer Anwendungen anzupassen, und andererseits eine technologische Entwicklung ermöglicht Sprung, Einführung der fortschrittlichsten Technologie in kurzer Zeit. Touch-Memory-Geräte werden am häufigsten in Kontrollsystemen für den physischen Zugang zu Räumlichkeiten, Gebäuden und den Zugang zu Informationsressourcen, Geräten, in Systemen für bargeldlose elektronische Zahlungen, automatische Identifizierung von Produkten und Objekten verwendet. Autor: E. Zlotnik; Veröffentlichung: N. Bolschakow, rf.atnn.ru
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