基于 STC15W204S 單片機研究模擬了單總線 EEPROM 芯片 DS2431。SOP-8 封裝的 STC15W204S 單片機具有引腳少、價 格便宜、不需要外部晶振、內部時鐘從 5 MHz ~ 35 MHz 可設置的優點。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。

引言

DS2431 是一款具有 64 位唯一光刻的 1 024 bitEEPROM 芯片。模擬 DS2431 就是要模擬 DS2431 的 64 位光刻和數據的存儲，從而實現用單片機模擬的 DS2431 和原來的 DS2431 具有相同的 64 位光刻和數 據存儲功能。利用 64 位光刻的不可更改的特性， DS2431 廣泛應用于硬件電路加密、設備唯一 ID 序列 號、關鍵信息存儲、知識產權保護、安全功能控制等。 單總線設備具有簡單的線路、較少的硬件開銷和低廉 的成本等優點，便于總線擴展和維護[1-2]。作為一種簡 單的信號傳輸電路，1-Wire 總線用一根數據線來實現 一個或者一個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 -W i r e 器 件 、識 別 1-Wire 器件和主機與從機之間數據交換三個步驟來實 現[3-4]。它是主從結構，主機呼叫從器件的時候，從器件才進行應答[5]。所以，主機只有通過嚴格的單總線 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]。如果出現序列混亂，1-Wire器件將不會 相應主機的命令[8-9]。模擬 1-Wire 器件要求單片機嚴 格應對單總線命令序列和命令時隙，要求單片機對主 機發出的命令進行應答[10]。通過對 DS2431 應答模擬 從而達到用單片機模擬 DS2431 的目的，用這種方法也 可以對其他的 1-Wire 器件進行模擬。

1 單總線協議

1.1 1-Wire單總線時序

1-Wire 器件在數據傳輸過程中都會遵循嚴格的通信 協議，單總線通信協議有復位脈沖、應答脈沖、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) 主機拉低總線 480 μs ~ 960 μs，然后主機釋放總 線進入接收狀態[12]。

( 2) 從機監測到主機不少于 480 μs 的復位信號后等 待15 μs ~ 60 μs，然后產生一個應答信號( 拉低總線 60 μs ~ 240 μs) [13]。

( 3) 從機釋放總線至少一個 2 μs 的恢復時間。

寫1 和寫0 時序步驟如圖2 所示。

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

( 2) 從機在 15 μs 后開始采樣。

( 3) 主機釋放總線并且有至少一個 2 μs 的恢復時間 ( 標準是 5 μs) 。

( 4) 整個寫 1 時隙至少 60 μs。

讀數據時序步驟如圖 3 所示。

( 1) 主機將總線拉低至少 1 μs。

( 2) 從機從下降沿到來之后將總線拉低或者拉高并保持 15 μs。

( 3) 在主機拉低總線后 15 μs 內主機釋放總線并采樣。

( 4) 15 μs 后由電阻將總線拉高。

( 5) 整個時間不少于 60 s，每個時間片之后有一個至少 2 μs 的恢復時間。

1.2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 口接一個上拉電阻，根據 D S 2 4 3 1 數 據 手 冊 ，上 拉 電阻電阻的范圍是0.3 kΩ ~2.2kΩ。單總線接口如圖 4 所示。

2 模擬單總線器件時序及接口 

2. 1 模擬單總線器件時序

模擬單總線器件的時序最重要的是在符合單總線通 信協議的規定時間內對主機發起的信號進行應答，其中需 要對延時把握精確，錯過了時序主機有可能視從機沒有應 答從而通信失敗。在模擬時序的時候可以借助邏輯分析 儀來對時序進行分析并通過分析結果對模擬時序進行微 調。

模擬單總線初始化步驟如圖 5 所示。

( 1) 單片機等待主機復位信號，監測主機拉低總線并 在 480 μs 內再次確認主機拉低了總線。

( 2) 單片機在確認了復位信號后延時等待總線拉高。

( 3) 單片機監測到主機將總線釋放拉高后拉低總線 ( 從機應答) 60 ~ 240 μs。

( 4) 單片機釋放總線( 拉高總線表示應答完成) 。

模擬主機寫 1 和寫 0 時序步驟:

( 1) 單片機等待主機拉低總線發起通信。

( 2) 在監測到主機拉低總線后，單片機延時幾微秒后開始采樣。

( 3) 單片機采樣后開始延時，主機寫完數據后恢復總線。

( 4) 整個時間持續 60 μs。

時序圖如圖 5 所示，其中采樣時間可以微調，可以借助邏輯分析儀分析時序。主機寫命令 55h 并匹配。 ROM 的模擬時序如圖 6 所示。

模擬主機讀數據時序步驟:

( 1) 主機將總線拉低至少 1 μs。

( 2) 單片機監測到主機拉低總線 1 μs 后立即對總線 拉高或者拉低，要確保主機能夠進行采樣。

( 3) 主機采樣后，單片機恢復總線。

( 4) 整個時間不少于 60 μs，每個時間片之后有一個 至少 2 μs 的恢復時間。

時序圖如圖 3 所示，其中單片機對總線操作的時間可 以微調，可以借助邏輯分析儀分析時序。主機寫命令 FOh并搜索 ROM 的模擬時序如圖 7 所示。

2. 2模擬單總線器件硬件電路接口設計

STC15W204S 單片機工作電壓范圍為 2. 5 V ~ 5. 5 V， 在 ISP 編程時內部時鐘在 5 MHz ~ 35 MHz 范圍內可調，± 1%溫飄( -40°C ~ +85°C) 常溫下溫飄 ±0.6%( -20°C~ + 65°C) ，可以滿足硬件指標要求。STC15W204S 有 8 個引腳6個I/O口。調試時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 LED 燈用于調 試觀測單片機狀態。燒寫好程序的單片機只需要 3 個引 腳便可以工作。電路接口設計如圖 8 所示。

3 模擬 DS2431 的程序設計

3. 1 程序設計的流程

主機會在一開始發出復位信號，一旦檢測到有從器件 存在就可以發出 ROM 操作命令[14]。ROM 命令有“讀” ROM【33 h】、“匹 配 ”ROM【55 h】、“跳 過 ”ROM【CCh】、“搜 索”ROM【F0h】等。如果主機發出了 ROM 命令，那么單片 機接收到了 ROM 命令就要做出相應的回應。同樣接下來 主機會發出讀寫操作，單片機也進行相應的回應。程序設 計流程如圖 9 所示。

3.2 模擬64位光刻和EEPROM 

因為每一片單總線芯片的 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 可以用來存儲關鍵信息。

為模擬光刻，首先讀出一塊 DS2431 的光刻，然后用單 片機開一個 8 B 的數組存儲這些光刻。當主機發出 33h 命令時單片機就按字節給它吐光刻，當主機發出 F0h 命令 時單片機就按位吐出光刻。當主機發出 55h 命令時單片 機默認接收相應的數據即可[15]。需要注意的是主機發出 的命令是先寫高位再寫低位，在接收命令的時候也是先接 收高位再接收低位。

模擬 EEPROM 可以用單片機開一塊數組用來存儲數 據，可以一開始就給這些數組寫一些固定的值，主機來讀 的時候就吐數給它。也可以開一片內存來存儲主機寫的 數，單片機可以將這些數據存到片內 EEPROM。在設計這 個數組的時候要參照模擬目標的 EEPROM 結構，單片機 在接到地址命令和頁碼命令時用相應的數組結構來對應。 

4 結論

利用 STC15W204S 單片機模擬 DS2431 有很好的發展 前景和利用價值，STC15W204S 單片機具有引腳少、功耗 低、不需外部晶振、價格低廉等優點。本研究實現了用單 片機模擬 DS2431，破解了 DS2431 光刻不可以復制的難 題。本研究實現了用單片機模擬單總線從機的應答時序， 利用這種方法還可以模擬其他的單總線設備。DS2431 廣 泛應用于打印設備、醫療設備、硬件電路的加密。利用 STC15W204S 單片機模擬 DS2431 的部分功能就可以破解 某些加密設備、復制硬件電路等。STC15W204S 單片機具 有溫度漂移，在復制的時候應考慮溫度漂移范圍。單片機 的工作范圍應設置不同的頻率多次下載程序測試，并結合 延時函數的修改來確定，下載程序時應取其正常工作范圍 的中間值來克服溫度漂移問題。可以利用高低溫實驗來 驗證程序及模擬單片機的可靠性。