通用性強(qiáng)、經(jīng)久耐用的iButton

一款技術(shù)復(fù)雜的產(chǎn)品卻能擁有非常簡單的使用體驗(yàn)，這就是獨(dú)創(chuàng)工程設(shè)計的偉大之處。通用性強(qiáng)、經(jīng)久耐用的iButton就是這樣的產(chǎn)品，它是一款密封在不銹鋼護(hù)套中的芯片。iButton的起源可追溯到大約30年前，至今仍然被不斷集成到各種應(yīng)用之中。例如，矯正科醫(yī)生將其安裝在牙套上，以監(jiān)測病人的佩戴時間；制藥公司利用其監(jiān)測運(yùn)送途中的溫度敏感藥物，將該信息與位置信息進(jìn)行整合，以及時發(fā)現(xiàn)任何問題；食品供應(yīng)公司對易腐爛的貨物也在實(shí)施同樣的應(yīng)用。甚至，美國德克薩斯州達(dá)拉斯的一個動物園讓一頭大象吞下iButton，用于記錄腸道的溫度。

目前，iButton家族中有超過20款產(chǎn)品，專門為其他產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送或記錄功能而設(shè)計。器件可跟蹤溫度和濕度、提供訪問控制及資產(chǎn)追蹤，以及支持電子現(xiàn)金交易。在當(dāng)?shù)匾恍┐髮W(xué)醫(yī)院的醫(yī)生訪問了位于圣何塞的Maxim總部，了解了iButton在矯正領(lǐng)域的應(yīng)用之后，我希望更多地了解這些微小器件的起源。于是，我與iButton的發(fā)明人之一Hal Kurkowski進(jìn)行了交流。他目前是Maxim微處理器與安全產(chǎn)品事業(yè)部的執(zhí)行總監(jiān)。

故事始于Dallas Semiconductor (2001年被Maxim收購)，其產(chǎn)品線包括非易失靜態(tài)RAM。在存儲數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)技術(shù)中，寫序列通常比讀序列所需的時間長，這對于某些類型的應(yīng)用會存在問題。Dallas Semiconductor的工程師借助其創(chuàng)始人開發(fā)的產(chǎn)品，創(chuàng)建了電池備份的靜態(tài)RAM，其中讀和寫序列是同步的；芯片斷電期間，電池電源可保持?jǐn)?shù)據(jù)。該RAM產(chǎn)品的一個分支(便攜式令牌)成為了iButton和智能卡的先驅(qū)。該令牌的作用與現(xiàn)在USB狗類似，支持其與主計算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)。設(shè)計者利用雙列直插封裝(DIP)的引腳提供與令牌內(nèi)芯片的電氣連接。但是Kurkowski解釋說，這些引腳非常脆弱，從而影響令牌的實(shí)用性和可靠性。

大約在同時，該公司正在開發(fā)1-Wire?串行協(xié)議，該協(xié)議通過單根導(dǎo)線提供低速數(shù)據(jù)、信號和電源。將1-Wire協(xié)議集成到令牌中使其更接近今天的iButton。但是工程師必須解決可靠性問題。當(dāng)時，他們考察了鋰離子紐扣電池行業(yè)。為了與令牌內(nèi)的芯片通信，至少需要一個觸點(diǎn)和一個地，與電池非常相似。于是，工程師就想：如果把芯片從令牌中取出，然后放進(jìn)紐扣電池外殼中，會怎么樣呢？工程師將一塊包含芯片的微小PCB安裝到了一個不銹鋼護(hù)套內(nèi)，提供更堅(jiān)固的外殼。1-Wire協(xié)議提供與紐扣電池外殼中的芯片通信以及供電的途徑。對于要求非易失讀/寫存儲器、實(shí)時時鐘或溫度數(shù)據(jù)記錄器的產(chǎn)品，在護(hù)套內(nèi)增加了一個小型電池，提供必要的板載電源。

iButtons捕獲的數(shù)據(jù)可傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行檢查和分析，而器件可安裝在任何物體上

復(fù)雜的芯片，簡單的使用

正如Kurkowski所言，iButton仍然有許多方面需要增強(qiáng)，因?yàn)樵诠饣募~扣電池式外殼上附著任何物體都是非常困難的。對于壽命可能持續(xù)長達(dá)10年并且在惡劣環(huán)境下使用的器件，雙面膠或膠水畢竟不太切合實(shí)際。工程師決定在護(hù)套的底部周圍設(shè)計凸緣，在前方設(shè)計一個機(jī)械壓接環(huán)，這樣就能夠以機(jī)械方式將iButton固定在終端產(chǎn)品上。“現(xiàn)在，我們能夠?qū)⑾胍娜魏喂δ芗傻叫酒?，它可以是存儲器芯片、?shí)時時鐘、溫度測量芯片。”Kurkowski補(bǔ)充說。

當(dāng)iButton開發(fā)人員創(chuàng)建不同版本的產(chǎn)品時，他們始終保持器件形狀的一致性，以便于使用。有一組探頭和讀取器可支持任何類型的iButton。用戶很容易設(shè)置數(shù)據(jù)記錄頻率等不同的參數(shù)，并且可通過應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)下載到計算機(jī)。Thermochron iButtons作為溫度測量器件，配備有芯片、電池和實(shí)時時鐘(RTC)。從工程角度看，iButton Hygrochron溫度/濕度記錄器甚至表現(xiàn)更為出色。iButtons通常完全密封，但這種iButtons需要接觸周圍空氣。Kurkowski介紹說，為提供接觸能力，工程師在按鈕的頂部設(shè)計了一個微型孔，在正下方安裝濕度傳感器，將器件的其余部分密封，以保護(hù)其他電子元件。

“iButton的優(yōu)點(diǎn)之一是其熱質(zhì)量非常小，所以響應(yīng)時間非常快。”Kurkowski表示：“此外，器件可使用10年或進(jìn)行一百萬次溫度轉(zhuǎn)換 — 以先到者為準(zhǔn)?！?/p>

顯而易見，iButton的發(fā)明需要一定的巧思和創(chuàng)造力，以及將獨(dú)立的工程設(shè)計整合在一起的能力。工程團(tuán)隊(duì)還需要考察其他領(lǐng)域的工作，例如紐扣電池。由于iButtons具有類似的形狀和尺寸，團(tuán)隊(duì)就能夠借助電池制造技術(shù)生產(chǎn)其器件。

“在許多工程中，您需要做的是進(jìn)行考察，了解是否有人已經(jīng)解決了相關(guān)問題，因?yàn)槟泻芏鄦栴}需要解決?！盞urkowski表示：“您希望最終產(chǎn)品非常獨(dú)特、具有創(chuàng)造性，并且他人難以仿制。但另一方面，你并不希望發(fā)明從A到B的所有東西，所以就需要了解有哪些困難已經(jīng)被別的工程師克服?！?/p>

iButton的應(yīng)用廣泛，可謂只有想不到，沒有做不到。