基于单总线的主从设备认证方法及认证装置与流程

1.本发明涉及主从设备的硬件认证的技术领域，具体地，是一种基于单总线的主从设备认证方法，还涉及实现该方法的认证装置。


背景技术：

2.电子成像设备作为常见的办公设备，为现代化办公提供了极大的方便，常见的电子成像设备包括打印机、复印机等，现有的打印机分为喷墨打印机以及激光打印机，喷墨打印机使用容纳有墨水的墨盒作为墨盒向纸张喷射墨水，以在纸张上形成需要打印的文字或图案；激光打印机则使用容纳有碳粉的碳粉盒作为墨盒在介质上形成需要打印的文字或图案。
3.现有的喷墨打印机具有机壳，机壳内设有喷墨打印机的机芯，并设有一根滑杆，打印字车在电机的带动下沿着滑杆往复运动。打印字车上可拆卸地安装有多个墨盒，不同墨盒内容纳有不同颜色的墨水。墨盒具有盒体，盒体围成容纳墨水的腔体，腔体的下端设有出墨口，腔体内的墨水通过出墨口流出，并向打印字车的供墨针供墨。
4.墨盒的盒体的外壁上安装有一块芯片，芯片具有基板，基板的一侧设有多个连接端子，用于与打印字车上的触针电连接。基板的另一侧设有存储器，存储有与墨盒相关的信息，例如墨水余量、打印时长、打印纸张数量等信息。墨盒安装到喷墨打印机的打印字车后，喷墨打印机给芯片上电，并读取存储在芯片的存储器内的数据，判断墨盒型号是否合适、墨盒内剩余墨水量是否充足等。
5.通常，喷墨打印机需要对墨盒芯片进行相互通信，例如喷墨打印机与墨盒芯片均设置有单总线接口，喷墨打印机与墨盒芯片通过单总线的方式进行通信。由于单总线的方式使用的引脚数量极少，能够降低喷墨打印机和芯片的生产成本。
6.例如，喷墨打印机作为主设备，墨盒芯片作为从设备，喷墨打印机与芯片进行通信时，由喷墨打印机向单总线输出信号，作为从设备的芯片接收单总线传输的信号后，从信号中分离出电源以及数据信号，使用电源作为芯片各个模块的供电，从设备的各个模块相应数据信号，并且把响应的数据返回到单总线上，喷墨打印机接收到返回的数据后，可以获取芯片的工作状态等信息。
7.为了确保墨盒的真伪，喷墨打印机需要对芯片进行认证，然而，现有的认证方式大多是基于软件实现的，并没有针对单总线通信方式下进行硬件的认证，导致认证成本高。


技术实现要素：

8.本发明的第一目的是提供一种认证成本低的基于单总线的主从设备认证方法。
9.本发明的第二目的是提供一种实现上述基于单总线的主从设备认证方法的认证装置。
10.为实现本发明的第一目的，本发明提供的基于单总线的主从设备认证方法包括主设备向从设备发送认证请求信号，主设备与从设备通过单总线进行通信；并且，从设备断开
取电模块、取数据模块以及驱动模块后，仅从设备的第二认证模块与主设备的第一认证模块通信；第一认证模块向第二认证模块发送第一电流信号，第二认证模块计算第一电流信号的第一数值；第二认证模块计算第一数值后，从设备断开与单总线的连接，主设备监控从设备输出的电流，如果从设备输出的电流不满足预设的要求，则确认从设备不通过认证；第一认证模块向第二认证模块发送第二电流信号，第二认证模块计算第二电流信号的第二数值；第二认证模块计算第二数值后，从设备断开与单总线的连接，主设备监控从设备输出的电流，如果从设备输出的电流不满足预设的要求，则确认从设备不通过认证；第二认证模块将第一数值与第二数值发送至第一认证模块，第一认证模块计算第一数值与第二数值是否满足预设的关系，如是，确认从设备通过认证。
11.由上述方案可见，从设备之间通过计算两个电流值对应的数值，并且将第一数值与第二数值发送至主设备后，由主设备计算两个数值的关系是否满足预设条件，整个认证过程不需要复杂的计算，尤其是不需要使用复杂的加密、解密计算，能够大幅度降低主从设备认证的难度，尤其是降低主设备与从设备的软件开发难度，可以降低认证的成本，还可以提高认证效率。
12.并且，第二认证模块计算第一数值、第二数值后，主设备监控从设备输出的电流，实际上这两个步骤是通过模拟信号的方式进行认证，也就是可以通过纯硬件的方式进行认证，使得认证操作非常简单。
13.一个优选的方案是，第二电流信号的电流值是第一电流信号电流值的预设倍数，预设倍数是第一认证模块随机设定的倍数；其中，第一认证模块计算第一数值与第二数值是否满足预设的关系包括：计算第二数值与第一数值的比值是否在预设的范围内。
14.由此可见，通过设置第一电流信号与第二电流信号预设的倍数，可以方便的计算出第一数值与第二数值的关系，有利于第一认证模块快速的对从设备进行认证。
15.进一步的方案是，第二认证模块接收第一电流信号后，通过二分逼近法计算第一数值；和/或第二认证模块接收第二电流信号后，通过二分逼近法计算第二数值。
16.可见，通过二分逼近法能够简单、快速的计算出第一数值和第二数值，使得第二认证模块的硬件电路设计非常简单，也能够提高认证效率。
17.更进一步的方案是，第二认证模块包括电压比较器，电压比较器的第一输入端接收由第一认证模块输出的电流信号获得的电压信号，电压比较器的第二输入端接收比较基准电压；电压比较器的输出端向控制逻辑模块输出比较结果信号。
18.由此可见，电压比较器通过将主设备发送的电流信号经过基准电阻后形成的电压与比较基准电压进行比较，通过多次比较可以获得电流信号对应的数值。
19.更进一步的方案是，比较基准电压由比较基准电压电路输出，比较基准电压电路包括二个以上的电流源，每一电流源输出的电流值不同于另一电流源输出的电流值；控制逻辑模块每次选通多个电流源的其中一个。
20.可见，控制逻辑模块每一次控制不同的电流源输出电流，并接收电压比较器输出的结果，由于各电流源输出的电流值并不相同，因此可以选通不用的电流源可以不断的逼近主设备输出的电流信号的电流值大小，进而计算出电流信号对应的数值。
21.更进一步的方案是，每一电流源与一个开关器件串联，控制逻辑模块控制开关器件的通断。
22.由此可见，控制逻辑模块通过控制各个开关器件的通断来实现不同电流源的选通，使得各个电流源的选通非常方便。
23.更进一步的方案是，电压比较器的第一输入端连接有第一基准电阻，电压比较器的第二输入端连接有第二基准电阻，第一基准电阻的电阻值与第二基准电阻的电阻值相等。
24.可见，通过在电压比较器的两端设置阻值相同的电阻，可以确保两个输入端输入电流相同的情况下，所形成的电压值相等，从而精确的计算出主设备输出的电流信号对应的数值。
25.为实现上述的第二目的，本发明提供的基于单总线的主从设备认证装置包括：设置于主设备的第一认证模块以及设置于从设备的第二认证模块，主设备与从设备通过单总线进行通信；第一认证模块用于向第二认证模块发送第一电流信号，第二认证模块用于计算第一电流信号的第一数值；第二认证模块计算第一数值后，从设备断开与单总线的连接，主设备监控从设备输出的电流，如果从设备输出的电流不满足预设的要求，则确认从设备不通过认证；第一认证模块还用于向第二认证模块发送第二电流信号，第二认证模块还用于计算第二电流信号的第二数值；第二认证模块计算第二数值后，从设备断开与单总线的连接，主设备监控从设备输出的电流，如果从设备输出的电流不满足预设的要求，则确认从设备不通过认证；第二认证模块用于将第一数值与第二数值发送至第一认证模块，第一认证模块用于计算第一数值与第二数值是否满足预设的关系，如是，确认从设备通过认证。
26.由此可见，本发明通过模拟信号的方式进行认证，可以简化主从设备认证的难度，使得整个认证过程不需要复杂的计算，尤其是不需要使用复杂的加密、解密计算，能够大幅度降低主从设备认证的难度。
附图说明
27.图1是应用本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例的主设备与从设备的连接示意图。
28.图2是本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例的结构框图。
29.图3是本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例的取电模块的结构框图。
30.图4是本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例在认证过程中的连接示意图。
31.图5是本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例第二认证模块计算第一数值的示意图。
32.图6是本发明基于单总线的主从设备认证装置实施例第一认证模块计算第二认证模块发送的电流信号是否满足预设要求的示意图。
33.图7是本发明基于单总线的主从设备认证方法实施例的流程图第一部分。
34.图8是本发明基于单总线的主从设备认证方法实施例的流程图第二部分。
35.图9是本发明基于单总线的主从设备认证方法实施例的流程图第三部分。
36.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
37.本发明的基于单总线的主从设备认证方法应用于主设备与从设备之间的认证，例如，主设备可以是打印机，从设备可以是设置在耗材容器上的芯片，且耗材容器可拆卸的安装到打印机上。本发明通过简单的方式实现认证，尤其是通过硬件电路实现认证，能够降低认证成本，且提高认证效率。
38.参见图1，主设备10可以是打印机，从设备20可以是耗材容器上的耗材芯片，主设备10与从设备30之间通过单总线20进行通信，主设备10通过单总线20向从设备30提供电源以及通信数据，因此，从设备30需要从单总线20所传输的信号中提取电源信号以及通信数据。
39.参见图2，主设备10内设置有第一认证模块11，并且设置有作为驱动器件的场效应管q1，其中，场效应管q1的栅极接收控制信号，漏极连接至单总线20，源极接地。此外，单总线20通过电阻r8连接至直流电源vcc。当场效应管q1截止时，单总线20可以发送高电平信号，当场效应管q1导通时，单总线20向从设备30发送低电平信号，因此，通过控制场效应管q1的通断状态可以控制单总线20传送的信号变化。
40.主设备10内还是有第一认证模块11，第一认证模块11用于对从设备30进行认证，第一认证模块11的内部结果以及对从设备30的认证过程将在下面详细介绍。
41.从设备30内设置有取电模块31、取数据模块32、控制模块33以及第二认证模块40，其中，取电模块31可以是一个二极管，例如二极管的阳极端连接至单总线20，阴极端连接至直流电源vcc，可以认为，从设备30通过该二极管从单总线20获取直流电源vcc。此外，从设备20还是有作为储能器件的电容c1，当取电模块31从单总线20上获取电能时，电容c1可以储能，当取电模块31断开与单总线20的连接后，电容c1可以向从设备30中需要工作的器件供电，例如向第二认证模块40供电。
42.从设备30的取数据模块32用于从单总线20上获取数据，即获取主设备10发送的数据。取数据模块32可以采用常用的取数据模块实现，不再赘述。控制模块33可以控制取电模块31、取数据模块32的工作，并且还控制作为驱动模块的场效应管q2的工作。场效应管q2的栅极接收控制模块33输出的控制信号，漏极连接至单总线20，源极接地。当场效应管q2导通时，单总线20接地，此时，主设备10将接收到单总线20接地的电平信号。
43.优选的，参见图3，取电模块31还包括多个场效应管、取电逻辑开关39以及电阻r10，单总线通过二极管d1连接至多个场效应管，其中，多个场效应管包括两个pmos管q11、q12以及一个nmos管q13，取电逻辑开关39设置在多个场效应管与电容c1之间。在初始状态下，电容c1没有充电，单总线通过d1向nmos管q13输出高电平时，nmos管q13通过电阻r10导通，电容c1开始充电。当电容c1充电后，两个pmos管q11、q12导通，此时电容c1的电压等于二极管d1的输出电压。当需要关闭取电模块31时，取电开关逻辑把a点的电压拉低，即将nmos管q13栅极置为低电平，并且将b点电压拉高，两个pmos管q11、q12以及nmos管q13均关断，从而断开与单总线的连接。
44.下面结合图5与图6，并且结合图6至图9介绍本发明主从设备认证方法的过程。主设备10对从设备30进行认证时，首先由主设备10向从设备30发送认证信号，即执行步骤s1。例如，主设备10向单总线20发送认证指令，从设备30通过单总线20接收该认证指令后，确认需要执行认证操作。然后，主设备10断开对单总线20的控制，例如，使电阻r8与单总线20之
间的连接断开，并且使场效应管q1处于截止状态，仅第一认证模块11与单总线20连接。此时，单总线20处于三态状态。
45.从设备30接收到认证信号后，执行步骤s2，断开取电模块31、取数据模块32以及驱动模块与单总线20的连接，例如断开连接在取电模块31的二极管与单总线20之间的三极管，并且将场效应管q2处于截止状态，同时断开取数据模块32与单总线20的连接，这样，仅仅第二认证模块40与单总线20连接。此时，与单总线20连接的模块仅仅是第一认证模块11以及第二认证模块40，其他模块均与单总线20断开连接，可以确保第一认证模块11输出的电流信号不会受到其他模块的影响，第二认证模块40所接收到的电流信号均是第一认证模块11发出的电流信号，从而确保认证结果的准确性。由于取电模块31断开，因此，电容c1需要向第二认证模块40供电，以确保第二认证模块40在认证过程中的电能需求。次数，主设备10与从设备30之间的连接关系如图4所示。
46.接着，主设备10将进入认证过程。具体的，执行步骤s3，主设备10通过单总线20向从设备30发送第一电流信号iref1，第一电流信号iref1的电流值是预先设定的电流值。由于主设备10已经断开电阻r8以及场效应管q1的连接，因此，第一电流信号iref1将沿着单总线20传送至从设备30。由于从设备30也已经断开单总线20与取电模块31、取数据模块32以及场效应管q2的连接，因此，第一电流信号iref1将被第二认证模块40接收，且第二认证模块40所接收到的电流信号的大小与第一认证模块11所发送的电流信号的大小是相同的。
47.然后，从设备执行步骤s4，计算第一电流信号对应的第一数值。具体的，第二认证模块40通过电压比较器使用二分逼近法来计算第一电流信号对应的第一数值。
48.参见图5，第一认证模块11内设置有一个电流源，电流源向单总线20输出第一电流信号iref1。第二认证模块40内设置有一个电压比较器u1以及比较基准电压电路，其中，比较基准电压电路包括多个电流源，例如包括电流源iref11
…
iref15，每一电流源输出的电流值都不同于另一电流源输出的电流值，例如，电流源iref11输出的电流值是0.1毫安，电流源iref12输出的电流值是0.2毫安，电流源iref15输出的电流值是1.0毫安，如此类推。此外，比较基准电压电路还设置有多个开关器件，每一个开关器件与一个电流源串联，例如，开关器件k1与电流源iref11串联，开关器件k5与电流源iref15串联。比较基准电压电路还设置有控制逻辑模块15，电压比较器u1的输出端连接至控制逻辑模块15，并且向控制逻辑模块15输出比较结果信号。控制逻辑模块15可以控制多个开关器件的通断，并且每一时刻仅仅控制一个电流源对应的开关器件导通，也就是每一次只选通一个电流源。本实施例中，开关器件是软开关器件，例如是三极管或者场效应管，控制逻辑模块25通过控制三极管或者场效应管处于导通状态或者截止状态来选通电流源。
49.电压比较器u1的第一输入端与比较基准电压电路连接，比较基准电压电路还包括第一基准电阻r1，具体的，电压比较器u1的第一输入端连接至第一基准电阻r1，电流源输出的电流信号经过第一基准电阻r1后在电压比较器u1的第一输入端形成电压信号。
50.电压比较器u1的第二输入端接收由第一认证模块11输出的电流信号所形成的电压信号，具体的，电压比较器u1的第二输入端连接至单行线20，并且，电压比较器u1的第二输入端还连接有第二基准电阻r2。第一电流信号经过第二基准电阻r2后所形成的电压信号输入至电压比较器u1的第二输入端。
51.此外，第一基准电阻r1的电阻值与第二基准电阻r2的电阻值相等。这样，电压比较
器u1可以对比第一电流信号所形成的电压信号与比较基准电压电路所输出的电压信号的大小。例如，控制逻辑模块35每次选通一个电流源，并且接收电压比较器u1的输出结果信号，判断当前比较基准电压电路所输出的电压信号与第一电流信号所形成的电压信号之间的大小关系，如果比较基准电压电路所输出的电压信号较大，则选取输出电流较小的电流源，再次进行比较；如果比较基准电压电路所输出的电压信号较小，则选取输出电流较大的电流源，再次进行比较。
52.优选的，本实施例使用二分逼近法进行不断的逼近计算，可以计算出第一电流信号所形成的电压信号在输出电流值相邻的两个电流源所形成的电压信号之间。本实施例中，输出电流值相邻的两个电流源将对应于一个数值，例如，如果确定第一电流的电流值在电流源iref11与电流源iref12之间，则使用电流源iref11与电流源iref12对应的数值作为第一数值m1，从而实现第一数值m1的计算。
53.然后，执行步骤s5，判断第一数值是否计算完毕，如果没有计算完毕，则继续执行计算操作，如果第一数值计算完毕，则执行步骤s6，从设备30断开与单总线20的连接。此时，单总线20仅与第一认证模块11的电流源连接，并且电压被拉高至vcc。当然，如果在主设备10在预设的时间内未接收到单总线20的电压被拉高至vcc，则表示从设备30未能在预设的时间内完成第一数值m1的计算，可以认为从设备30认证失败。
54.主设备10在确定从设备30已经计算第一数值m1完毕后，将执行步骤s7，监控从设备30输出的电流。具体的，从设备30在计算第一数值m1后，向单总线20输出电流信号，该电流信号应该与第一电流信号iref1的电流值基本相等，例如由步骤s4所计算确定的第一数值m1对应的电流源向单总线20输出电流。
55.然后，主设备10执行步骤s8，判断从设备输出的电流信号是否满足预设要求。参见图6，第一认证模块11内设置有电压比较器u2和电压比较器u3，电压比较器u2的第一输入端连接至电流源，该电流源输出的电流值是第一电流信号iref1的1.1倍，并且连接第三基准电阻r3。电压比较器u2的第二输入端连接至单总线20，接收从设备30输出的电流信号，且第二输入端还连接至第五基准电阻r5。电压比较器u3的第一输入端连接至电流源，该电流源输出的电流值是第一电流信号iref1的0.9倍，并且连接第四基准电阻r4。电压比较器u3的第二输入端连接至单总线20，接收从设备30输出的电流信号。本实施例中，第三基准电阻r3、第四基准电阻r4、第五基准电阻r5的电阻值均相等。
56.电压比较器u2和电压比较器u3的输出端均连接至电流比较模块16，接收电压比较器u2和电压比较器u3的输出结果。可见，电流比较模块16可以根据两个电压比较器u2、u3的输出结果判断从设备30输出的电流信号是否在第一电流信号iref1的预设范围内，即0.9倍至1.1倍之间。当然，预设范围可以根据实际需要调整，则连接至两个电压比较器u2、u3的电流源的输出电流信号的电流值需要相适应的调整。
57.如果主设备10确认从设备30输出的电流不满足要求，则执行步骤s9，确认从设备30不通过认证。如果主设备10确认从设备30输出的电流满足要求，则确认从设备30通过认证，并执行下一轮的认证操作。
58.具体的，主设备10执行步骤s10，再次通过单总线20向从设备30发送第二电流信号iref2，本实施例中，第二电流信号iref2的电流值是第一电流信号iref1的预设倍数，可以是5被或者8倍，优选的，该倍数是一个整数，以便于后续的计算。
59.然后，从设备30执行步骤s11，计算第二电流信号对应的第二数值m2，从设备30计算第二电流信号对应的第二数值m2的方法与计算第一电流信号对应的第一数值m1的方法相同，也是采用二分逼近法进行计算，在此不再赘述。
60.接着，从设备执行步骤s12，判断第二数值是否计算完毕，如果没有，则继续计算，如果计算完毕，则执行步骤s13，从设备30断开与单总线20的连接，此时，单总线20仅与第一认证模块11的电流源连接，并且电压被拉高至vcc。
61.然后，主设备10执行步骤s14，监控从设备30输出的电流信号，并且执行步骤s15，判断从设备30输出电流信号是否满足要求，例如判断从设备30输出的电流信号是否在第二电流信号iref2的预设范围内，如0.9倍至1.1倍之间，如果不满足，则执行步骤s16，确认从设备30不通过认证。主设备10判断判断从设备30输出的电流信号是否满足要求的具体步骤与步骤s8的判断过程相同，不再赘述。
62.如果从设备30输出电流信号满足要求，则执行步骤s17，主设备10恢复与从设备30的通信，例如从设备30的取电模块31、取数据模块32以及驱动模块均重新连接至单总线20。然后，从设备30执行步骤s18，通过单总线20向主设备10发送第一数值m1以及第二数值m2，主设备10接收到第一数值m1以及第二数值m2后，执行步骤s19，计算第二数值m2与第一数值m1之间的比值。由于第一数值m1对应于第一电流信号第一电流信号iref1的电流值，而第二数值m2对应于第二电流信号iref2的电流值，因此，理论上第二数值m2与第一数值m1的比值是预先设定的整数。
63.接着，主设备10执行步骤s20，判断该比值是否在预设的范围内，例如第二数值m2与第一数值m1的比值的理论值是5，则预设范围是10％的上下范围内，即4.5至5.5的范围内。如果该比值在预设范围内，则执行步骤s22，确认从设备30通过认证，否则，执行步骤s21，确认从设备30不通过认证。
64.可见，应用本发明的方法，可以通过简单的方式实现主设备与从设备之间的认证，主要是使用硬件设备进行认证，所需要的软件较少，能够降低主设备与从设备认证软件的开发难度，并且认证过程不需要复杂的加密、解密计算，能够提高认证效率。
65.最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如主设备向从设备发送电流信号次数的改变，或者第一电流信号的电流值与第二电流信号电流值之间的比值的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。