Микросхемы dallas semiconductor 1 wire. Линия связи и топология. Сетевой и транспортный уровни протокола

Отличительные особенности:

• Поддержка стандартной скорости протокола Dallas 1-Wire.
• Совместимость со всеми микроконтроллерами AVR.
• Реализация с управлением по прерываниям или по опросу.
• Реализация на основе опроса не требует внешней схемы.

Введение

Уникальность микросхем Dallas с интерфейсом 1-Wire заключается в необходимости использования для связи с ними только одной сигнальной линии и общего проводника. Питание и связь осуществляются через одно соединение. Для связи с такой микросхемой требуется задействовать только одну линию ввода-вывода. В данных «Рекомендациях» показывается, как с помощью AVR-микроконтроллера реализовать ведущий интерфейс 1-Wire программным способом или с задействованием модуля У(С)АПП.

Принцип действия протокола Dallas 1-Wire

Шина 1-Wire использует только один проводник для связи и питания. Режим связи – асинхронный и полудуплексный, который строго следует схеме ведущий-подчиненный. К одной и той же шине могут быть одновременно подключено одно или несколько подчиненных устройств. К одной шине может быть подключено только одно ведущее устройство.

Незанятому состоянию шины соответствует высокий уровень, который формируется подтягивающим резистором. Номинал подтягивающего резистора приводится в документации на подчиненную ИМС. Все микросхемы, подключенные к шине, должны быть способны создавать низкий уровень. Если выход микроконтроллера не поддерживает тристабильность, то необходимо предусмотреть драйвер, у которого выход с открытым коллектором или открытым стоком

Передача сигналов по шине 1-Wire разделена на временные слоты длительностью 60 мкс. Одним временным слотом передается только один бит данных. Подчиненным устройствам допускается иметь существенные отличия от номинальных выдержек времени. Однако это требует более точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать корректность связи с подчиненными, у которых различаются временные базисы. Таким образом, следует в точности выдерживать временные границы, рассматриваемые в следующих разделах.

Основные сигналы шины

Ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления, должна быть инициирована ведущим. Это достигается установкой низкого уровня на шине, который синхронизирует логику всех остальных устройств. Существует 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: “Запись лог. 1”, “Запись лог. 0”, “Чтение”, “Сброс” и “Присутствие”.

Сигнал “Запись лог. 1”

Сигнал “Запись лог. 1” показан на рисунке 1. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.

Рисунок 1 – Сигнал «Запись лог. 1»

Сигнал “Запись лог. 0”

Сигнал “Запись лог. 0” показан на рисунке 2. Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.

Рисунок 2 – Сигнал «Запись лог. 0»

Сигнал “Чтение”

Сигнал “Чтение” показан на рисунке 3. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчиненный удерживает шину в низком состоянии, если желает передать лог. 0. Если необходимо передать лог. 1, то он просто освобождает линию. Сканирование шины необходимо выполнять по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине. Если смотреть со стороны ведущего, сигнал “Чтение” является в сущности сигналом «Запись лог. 1». Собственно внутреннее состояние подчиненного будет определять это сигнал «Запись лог. 1» или «Чтение».

Рисунок 3 – Сигнал «Чтение»

Сигнал “Сброс/присутствие”

Сигналы “Сброс” и “Присутствие” показаны на рисунке 4. Обратите внимание, что временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал «Сброс».

Если на шине присутствует подчиненный, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название «Присутствие». Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключенных устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.

Рисунок 4 – Сигналы «Сброс» и «Присутствие»

Программная генерация сигналов

Программная генерация сигналов 1-Wire является наиболее очевидным решением. При этом необходимо манипулировать над изменением направления и состояния линии ввода-вывода, а также генерировать требуемые временные задержки. Подробное описание данного метода приведено в разделе реализации.

Генерация сигналов с помощью УАПП

Основные сигналы 1-Wire также можно генерировать с помощью УАПП. Для этого необходимо связать с шиной выводы TXD и RXD с помощью несложной схемы представленной на рисунке 5. Приведенные номиналы резисторов носят рекомендательный характер. Более подробные рекомендации по выбору подтягивающего резистора следует искать в документации на подчиненную ИМС.

Рисунок 5 – Схемотехника драйвера шины с открытым коллектором

Формат данных УАПП, который используется для генерации сигналов 1-Wire, - 8 бит данных без бита паритета и 1 стоп-бит. Одна посылка данных УАПП используется для генерации нужной формы прямоугольного импульса или последовательности СБРОС/ПРИСУТСТВИЕ. В таблице 1 показано, как настроить УАПП для генерации прямоугольного импульса и как интерпретировать принятые данные. Соответствующие структуры посылок УАПП показаны на рисунках 6…10.

Таблица 1 – Передача сигналов с помощью УАПП

Рисунок 6-Сигнал «Запись лог. 1» и структура посылки УАПП.

Рисунок 7- Сигнал «Запись лог. 0» и структура посылки УАПП.

Рисунок 8 – Сигнал «Чтение лог. 0» и структура посылки УАПП.

Рисунок 9 – Сигнал «Чтение лог. 1» и структура посылки УАПП.

Рисунок 10 – Сигнал «Сброс/Присутствие» и структура посылки УАПП.

Команды функций ПЗУ

Каждая ИС из семейства 1-Wire содержит ПЗУ, в котором хранится уникальный 64-разрядный идентификационный код (ИК). Данный код может использоваться для адресации или идентификации конкретной ИС на шине. Идентификатор состоит из трех частей: 8 бит кода семейства, 48 бит серийного номера и 8 бит CRC-кода, вычисленного от первых 56 бит. Имеется небольшой набор команд, который работает совместно с 64-разр. ИК. Эти команды называются команды функций ПЗУ. В таблице 2 приведен перечень шести команду ПЗУ.

Таблица 2 – Команды ПЗУ

Описание команд

Команда «Чтение ПЗУ»

Команда “Чтение ПЗУ” может использоваться на шине с одним подчиненным для чтения 64-разр. индивидуального ИК. Если имеется несколько подчиненных устройств, подключенных к шине, то результатом выполнения этой команды будет прием значения, эквивалентного логическому И между всеми ИК. При этом полагается, что связь безупречная, а наличие нескольких подчиненных индицируется ошибочным CRC.

Команда «Пропуск ПЗУ»

Команда «Пропуск ПЗУ» может использоваться, если нет необходимости адресоваться к конкретному подчиненному устройству по его специфическому адресу. На шине с одним подчиненным команда “Пропуск ПЗУ” прекрасно подходит для его адресации. На шине с несколькими подчиненными команда “Пропуск ПЗУ” может использоваться для адресации всех устройств одновременно.

Это удобно, если требуется отправить общую команду нескольким подчиненным устройствам, например, одновременный запуск преобразования температуры в нескольких датчиках температуры. Команду “Пропуск ПЗУ” бессмысленно использовать при чтении шины с несколькими подчиненными устройствами.

Команда «Совпадение ПЗУ»

Команда “Совпадение ПЗУ” используется для адресации конкретного подчиненного устройства на шине.

После выполнения команды “Совпадение ПЗУ” передается 64-разрядный ИК. По завершении, только тому подчиненному устройству, который принял свой ИК, разрешается отвечать после приема следующего импульса сброса.

Команда «Поиск ПЗУ»

Команда “Поиск ПЗУ” может использоваться, если идентификаторы подчиненных устройств неизвестны заранее. Это делает возможным обнаружить идентификаторы всех подчиненных устройств, подключенных к шине. Для этого, вначале передается команда “Пропуск ПЗУ”. Каждый подчиненный размещает первый бит своего идентификатора на шине. Ведущий считывает результат, как логическое И над всеми первыми битами идентификаторов всех подчиненных устройств. Затем подчиненные размещают на шине двоичное дополнение к первому биту своего идентификатора. Ведущий считывает состояние шины, которое есть результат логического «И» над всеми дополнениями к первому биту идентификатора всех подчиненных устройств. Если все устройства в первом разряде ИК содержат 1, то ведущий считает 10b. Аналогично, если значения 1 разряда всех устройств равно 0, то ведущий примет 01b. В этих случаях, бит может быть сохранен как значение первого бита всех адресов. После этого ведущий снова выполняет размещение этого бита на шине, чем сигнализирует подчиненным о необходимости дальнейшего продолжения передачи разрядов ИК. Если на шине будут присутствовать устройства, как с лог. 0, так и с лог. 1 в первом бите идентификатора, то ведущий примет 00. В этом случае, ведущий должен выбрать с какими адресами продолжать работу, с лог. 0 или 1 в первом разряде. Выбор передается по шине, указывая выбранным подчиненным о необходимости дальнейшей передачи ИК, а остальные подчиненные переходят в режим ожидания.

Затем ведущий переходит к считыванию следующих бит и этот процесс повторяется до считывания всех 64 бит. В результате ведущий обнаруживает полный 64-разрядный идентификатор. Для поиска других идентификаторов необходимо снова инициировать команду «Поиск ПЗУ», но в этом случае при возникновении несоответствий сделать другой выбор. Если придерживаться данной последовательности, то в конечном счете можно обнаружить все подчиненные устройства. Обратите внимание, что после выполнения первого поиска все подчиненные, кроме одного, переходят в режим ожидания. Таким образом, в этом состоянии связаться с активным подчиненным можно с помощью команды «Совпадение ПЗУ».

Ускоренные команды ПЗУ

Ускоренные команды ПЗУ не рассматриваются здесь, т.к. в данном документе рассматривается только режим стандартной скорости.

Команды памяти/функций

Команды памяти/функций – команды, которые специфичны для конкретного типа ИС или их класса. Обычно эти команды относятся к чтению или записи внутренней памяти и регистров подчиненных ИС. Количество таких команд фиксировано, но все они поддерживаются конкретным видом подчиненного устройства. Последовательность чтения и записи определена для каждой ИС. В связи с этим команды памяти здесь в подробностях не рассматриваются.

Типичная последовательность сеанса связи

Все однопроводные устройства придерживаются основной последовательности связи:

1. Ведущий отправляет импульс “Сброс”.
2. Подчиненный (ые) отвечает (ют) импульсом «Присутствие».
3. Ведущий отправляет команду ПЗУ, адресуя одно или несколько подчиненных устройств.
4. Ведущий отправляет команду памяти.

Обратите внимание, что для перехода к новому шагу, последний шаг должен быть завершен. Однако, не всегда необходимо завершать всю последовательность. Например, после завершения команды ПЗУ можно отправить новую команду «Сброс» и тем самым инициировать новый сеанс связи.

Проверка циклическим избыточным кодом

Кодирование циклическим избыточным кодом (CRC) используется для гарантирования целостности принятых данных через 1-Wire.

Подробности по теории CRC в этом документе не приводятся и в дальнейшем не обсуждаются. Если необходима информация по CRC, то рекомендуется использовать .

Среди семейства 1-Wire обычно используются две различные схемы CRC. Одна из них – 8-разрядная CRC (CRC8), другая – 16-разрядная CRC (CRC16). CRC8 используется в секторе ПЗУ всех микросхем. CRC8 также используется в некоторых ИС для проверки других данных, например, вводимых через шину команд. CRC16 используется некоторыми ИС для проверки на наличие ошибок в больших наборах данных.

Аппаратный эквивалент 8-разрядного CRC используется 64-разрядным идентификатором и показан на рисунке 11. Блоки представляют индивидуальные биты в 8-разрядном сдвиговом регистре. Эквивалентное полиноминальное выражение для CRC: X8 + X5 + X4 + 1.

Рисунок 11 – Аппаратный эквивалент 8-разр. CRC, используемого в микросхемах 1-Wire

Аппаратный эквивалент 16-разрядного CRC используется некоторыми ИС и показан на рисунке 12. Блоки представляют индивидуальные биты в 16-разрядном сдвиговом регистре. Эквивалентное полиноминальное выражение для CRC: X16 + X15 + X2 + 1.

Рисунок 12 - Аппаратный эквивалент 16-разр. CRC, используемого в микросхемах 1-Wire

Реализация

Далее рассматриваются три различных способа реализации протокола 1-Wire: полностью программная (по опросу), на основе УАПП с опросом флагов состояния и на основе УАПП с управлением по прерываниям. Короткое описание каждого дается ниже. Подробное описание по использованию каждого драйвера не входит в данный документ. Если необходимо более подробная информация по работе каждого драйвера, то необходимо ознакомится с исходным кодом интересующего драйвера, который входит в состав данных «Рекомендаций»

Рассмотрим программный подход к реализации протокола 1-Wire без задействования специальных аппаратных блоков микроконтроллера. Преимуществом данного подхода является то, что из аппаратных затрат потребуется только одна линия ввода-вывода общего назначения (GPIO). Поскольку все линии ввода-вывода у AVR-микроконтроллеров двунаправленные и содержат опциональные подтягивающие резисторы, то AVR-микроконтроллер может управлять шиной 1-Wire без какой-либо внешней схемы. В случае, если номинал внутреннего подтягивающего резистора не соответствует текущей конфигурации подчиненных устройств, то понадобиться только один внешний резистор. Недостатком данного подхода является возникновение задержек в процессе генерации “Сброс/Присутствие” и передачи бит. Чтобы гарантировать корректность временных интервалов на шине 1-Wire, прерывания должны быть отключены на время передачи бит. Длительность интервала между передачами двух бит никак не ограничивается. Таким образом, после передачи каждого бита можно смело активизировать прерывания. В этом случае генерация прерывания может возникать с задержкой, но ее наихудшее значение не превысит длительности генерации сигнала “Сброс/Присутствие” (менее 1 мс).

Драйвер УАПП с управлением по опросу использует модуль УАПП, который входит в состав многих микроконтроллеров AVR. Он используется для генерации сигнала необходимой формы на битном уровне. Остальная часть драйвера эквивалентна программному. Основными преимуществами данного драйвера по сравнению с программным – компактность программного кода и отсутствие необходимости манипулировать прерываниями во время передачи сигналов, т.к. УАПП выполняет это автономно. Недостатки: требует двух линий ввода-вывода и несложную внешнюю схему.

Драйвер УАПП с управлением по прерываниям использует УАПП для генерации сигналов необходимой формы тем же способом, что и драйвер УАПП с управлением по опросу. Дополнительным преимуществом данного подхода является возможность автоматического приема-передачи до 255 бит данных.

Драйверы с опросом состояния

Драйверы с опросом состояния разделены на две части: генерация сигналов битового уровня и команды высокого уровня для передачи байт и реализации команд ПЗУ. Отличие между двумя версиями состоит только в процедурах битного уровня, но они реализованы с общим интерфейсом, что позволяет использовать команды высокого уровня с любым драйвером.

Программная реализация

С помощью рассматриваемой программной реализации имеется возможность манипулировать с несколькими шинами 1-Wire, подключенных к одному микроконтроллеру AVR. Однако все шины должны быть подключены к одному и тому же порту ввода-вывода, а на какой именно порт необходимо определится во время проектирования.

Количество подключаемых шин ограничивается восемью, а перенос шины в пределах порта может конфигурироваться. Выводы, которые не задействованы шинами 1-Wire, остаются незатронутыми. Поскольку все шины 1-Wire подключены к одному и тому же порту, то несколько операций может быть выполнено на одной или более шинах одновременно. Это стало возможным благодаря аргументу pin или pins, которые входит в интерфейс каждой функции. Данный аргумент должен содержать маску для выводов, которые задействованы для работы. Например, имеется возможность отправить сигнал СБРОС восьми шинам одновременно, указав в качестве аргумента 0xff. Значение, возвращаемое этой функцией будет битовой маской всех шин, где один или более подчиненных устройств сгенерировали сигнал «присутствие». Данная битовая маска может подставляться в качестве аргумента pins в функцию, которая вводит команду «Пропуск ПЗУ». Все функции в этой реализации поддерживают возможность выбора вывода (pin). Следует руководствоваться общим правилом: все команды записи могут адресовать несколько шин одновременно. Команды чтения могут адресоваться только к одной шине.

Инициализация

Процедура инициализации интерфейса 1-Wire предельно проста. Она заключается в установке выводов 1-Wire на ввод и, при необходимости, активизации встроенного подтягивающего резистора для перевода шины в неактивное состояние. Некоторые микросхемы отреагируют на этот нарастающий фронт на шине, как на окончание сигнала «Сброс» и ответят сигналом «Присутствие». Для гарантирования, что этот сигнал не вызовет какого-либо сеанса связи, предусмотрена длительная выдержка времени.

Функции битового уровня

Функции битового уровня реализованы в соответствии с рекомендациями по применению AN126 компании Dallas Semiconductors. Все параметры временной диаграммы выдержаны в соответствии с рекомендованными значениями в этом документе. Значения приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Значения используемых задержек времени

Параметр	Рекомендованная задержка, мс
A	6
B	64
C	60
D	10
E	9
F	55
G	0
H	480
I	70
J	410

Обратите внимание, что в стандартном режиме задержка G равна 0.

Поскольку все операции ввода-вывода реализованы на Си без использования Ассемблера, то оптимизации компилятора и другие факторы могут нарушить временные характеристики. В связи с этим, рекомендуется следить за фактическими параметрами генерируемых импульсов каждой функцией битового уровня с помощью осциллографа и при необходимости отрегулировать задержки.

Функции уровня передачи бит реализованы так, как показано на рисунке 13. Обратите внимание, что функция “Определение присутствия” отправляет сигнал «Сброс» и считывает “Сигнал присутствие”. Также следует учесть, что все функции уровня передачи бит могут адресоваться к нескольким шинам одновременно.

Рисунок 13 – Функции слоя передачи бит

Для установки низкого уровня на шине и ее освобождения реализовано два макроса. Реализация этих функций в виде макроса обосновано высокой частотой их использования и тем, что использование команд вызова (call) может ухудшить временные характеристики.

Реализация на УАПП с опросом

При использовании данного подхода за параметры всех временных диаграмм отвечает модуль УАПП. Для отправки бита устанавливается соответствующая скорость связи УАПП, а затем в регистр данных записывается значение, которое вызовет генерацию сигнала желаемой формы (см. «Генерация сигналов с помощью УАПП”).

Инициализация

Для инициализации интерфейса 1-Wire при использовании рассматриваемого драйвера, первоначально необходимо инициализировать модуль УАПП с корректными параметрами: разрешить передачу и прием, установить формат данных 8 бит, отключить паритет, установить генерацию одного стоп-бита и задать скорость связи до 115,2 кбод.

Установка данных параметров приведет к переходу вывода TXD в неактивное состояние УАПП, которое равно лог. 1. Подчиненные устройства воспримут, возникающий при этом, нарастающий фронт, как сигнал «Сброс» и ответят на него сигналом «Присутствие».

Функции битового уровня

Все функции битового уровня рассматриваемого драйвера реализованы с помощью одной общей функции, именуемой OWI_TouchBit. Данная функция загружает данные в модуль УАПП для передачи, ожидает завершения приема УАПП, а затем возвращает принятое значение. Каждая из функций битового уровня вызывается с помощью OWI_TouchBit с указанием соответствующего значения, которое приводит к генерации желаемого сигнала на шине.

Интерфейс с данными функциями такой же, как и у драйвера с программной реализацией. Однако, аргумент ‘pins’ в данном случае опускается. Набор макросов делает возможным вызвать данные функции с или без аргумента pins. Если же аргумент pins будет указан, то макрос его исключит.

Функции высокого уровня

Обратите внимание, что многие функции в этом слое получают аргумент с типом «unsigned char pointer» (символьный указатель без знака). Данный указатель адресует массив из 8 байт памяти, который может использоваться функцией. Расположение, а также редкая инициализация, этих массивов должна выполняться пользователем. В данном документе полагается, что перед вызовом функции была выполнена инициализация памяти каким-либо методом.

Функции передачи байта

Рисунок 14 – Функции передачи байта

Команды ПЗУ

Реализованы все команды ПЗУ для стандартной скорости связи.

Самой простой командой ПЗУ является команда «Пропуск ПЗУ». Ее инициирует функция SendByte с указанием в качестве аргумента командного байта SKIP ROM.

Блок-схемы команд Чтение ПЗУ (READ ROM) и Совпадение ПЗУ (MATCH ROM) показаны на рисунке 15.

Рисунок 15 – Блок-схема команды Чтение ПЗУ

Блок-схема команды Поиск ПЗУ (SEARCH ROM) показана на рисунке 16. При каждом вызове данная функция ищет одно подчиненное устройство и так до тех пор, пока не будут найдены все устройства на шине. Подтверждением последнего запуска этой функции служит возвращаемое значение OWI_ROM_SEARCH_FINISHED. Кроме этого, параметр ‘pin’ указывает на какой шине необходимо вести поиск и еще два параметра должны быть указаны в интерфейсе функции: ‘lastDeviation’ и ‘bitPattern’. Эти параметры управляют поиском подчиненного устройства. В таблице 4 приведена информация по тому, как использовать данные параметры для завершения полного поиска всех подчиненных устройств.

Таблица 4 – Использование аргументов bitPattern и lastDeviation

Функция реализована с учетом предоставления пользователю максимальной гибкости. Пример программы с использованием данного драйвера показывает, как выполнить полный поиск.

Рисунок 16 – Команда поиск ПЗУ

Замечания относительно параметров временной диаграммы

Важно, чтобы временные характеристики генерируемых сигналов соблюдались как можно более точно. Для этого необходима точная генерация временных задержек. Количество тактовых импульсов, необходимое для задержки в некоторое количество микросекунд вычисляется во время компиляции. Во время генерации импульсов некоторые такты теряются, когда происходит установка низкого уровня или освобождение шины. Данные такты вычитаются из общего количества тактов, необходимых для генерации задержки. При чрезмерно низкой тактовой частоте может генерироваться некорректная задержка. Для генерации коротких задержек тактовая частота должна быть не менее 2,17 МГц.

Реализация на УАПП с управлением по прерываниям

При использовании данного драйвера внешняя схемотехника должна быть такой же, как и при использовании драйвера УАПП с опросом флагов состояния.

Дополнительной функцией данного подхода является автоматическая передача и прием больших пакетов данных по шине, что выполняется с помощью двух процедур обслуживания прерываний (ISR). Набор вспомогательных функций может вызываться для установки всех необходимых параметров, а вызов ISR завершит трансакцию автоматически. С помощью данных функций имеется возможность без всякого вмешательства отработать последовательность «Сброс/присутствие» или передать от 1 до 255 бит данных в одном направлении.

Для максимального упрощения ISR они не должны различаться для приема и передачи. При каждом запуске функции UDRE ISR отправляется один бит из буфера данных. RXC ISR принимает тот же бит и помещает его назад в буфер данных независимо от того, в каком направлении данные были отправлены. В процессе передачи отправленные данные будут идентичны принятым данным и буфер данных остается неизменным. В процессе приема передаваться должны только ‘1’, т.к. сигнал ‘Запись лог.1’ эквивалентен сигналу чтение. Для нахождения значения, записанного подчиненным, осуществляется выборка сигнала. После этого, значение размещается в буфере данных.

Три глобальных флага индицируют состояние драйвера 1-Wire: занят, присутствие и ошибка. Флаг «занят» устанавливается, если имеются данные для передачи. Флаг «присутствие» устанавливается, если во время отправки сигнала «Сброс» обнаруживается сигнал «Присутствие». Данный флаг остается установленным до следующего сигнала «Сброс», на который не будет отклика сигналом «Подтверждение». Флаг «Ошибка» устанавливается, когда приемник УАПП определяет ошибку кадра. В этой ситуации необходимо передать новый сигнал «Сброс». Этим осуществляется сброс всех подчиненных устройств на шине, а также внутреннего состояния процедур UDRE и RXC ISR.

Все процедуры ISR должны выполняться как можно более быстро. Более сложные функции, например, команды ПЗУ, не реализуются данными ISR. Вложенные примеры кодов программы показывают, как данное поведение реализуется в виде цифрового автомата.

Процедуры обработки прерываний

Блок-схемы процедур ISR показаны на рисунках 17 и 18. Процедура UDRE ISR обрабатывает прерывание по освобождению регистра данных УАПП и выполняется всякий раз, когда освобождается место для данных в передающем буфере УАПП. Процедура RXC ISR отвечает за обработку прерывания по завершению приема УАПП и выполняется всякий раз, когда завершен прием и данные размешаются в приемном буфере УАПП.

Рисунок 17 – Процедура обслуживания прерывания UDRE

Рисунок 18 – Процедура обслуживания прерывания RXC

Вспомогательные функции

Вспомогательные функции устанавливают некоторые параметры, которые необходимы для выполнения автоматической управляемой прерываниями передачи. После отправки всех необходимых параметров инициируется передача путем разрешения прерывания UDRE.

Блок-схемы вспомогательных функций приведены на рисунке 19.

Обратите внимание, что функция ReceiveData (прием данных) заполняет буфер данных логическими 1 и вызывает функцию TransmitData (передача данных). Функция RXC ISR осуществляет выборку сигнала и размещает считанное значение из подчиненного устройства в буфере данных.

Рисунок 19 – Вспомогательные функции

Вычисление CRC-кода

Описанный ниже алгоритм используется для вычисления двух разных CRC-кодов.

Результатом вычисления CRC может быть значение 0 или “seed”. Последовательность вычислений следующая:

1. Нахождение логического исключающего ИЛИ между младшим битом CRC и младшим битом данных.
2. Если результат равен 0, то:
   a. Сдвиг вправо CRC.
3. Если результат равен 1:
   a. Поиск нового значения CRC путем вычисления логического исключающего ИЛИ между CRC и полиномом CRC.
   b. Сдвиг вправо CRC.
   c. Установка старшего бита CRC к 1.
4. Сдвиг вправо данных.
5. Повтор данной последовательности 8 раз.

Данный алгоритм может использоваться для вычисления, как CRC8, так и CRC16. Отличие состоит только в разрядности сдвигового регистра (8 разрядов для CRC8, 16 разрядов для CRC16) и значении полинома. Данное значение моделируется схемой из логических элементов исключающее ИЛИ. Значение полинома равно 18h для CRC8 и 4002h для CRC16.

Алгоритмы реализованы для поиска значения CRC для одного байта при однократном выполнении, но CRC “seed” размещается в качестве аргумента в процедуры CRC. Таким образом, результат одной операции CRC может быть указан в следующий раз вместе со следующим байтом и в результате вычисляется CRC от произвольного количества байт.

Проверка CRC для 64-разрядного идентификатора реализуется OWI_CheckRomCRC. Она вычисляет значение CRC8 первых 56 бит, а затем сравнивает его с последними 8 битами идентификатора.

Примеры кодов программ

Пример с опросом

Пример кода с опросом выполняет поиск шин, определенных значением “BUSES” для устройств. Устройства запоминаются в массиве с типом OWI_device. OWI_device – структура, содержащая информацию о том, какая шина устройства подключена и какой у него 64-разрядный идентификатор. Затем драйвер выполняет поиск доступных подчиненных устройств, а именно датчика температуры DS1820 и цифрового потенциометра DS2890. Если один или более этих устройств обнаружены на шине, то с ними будет установлена постоянная связь по замкнутому циклу. При каждой итерации считывается значение температуры и увеличивается положение «движка» потенциометра DS2890. Температура выводится на порт В (PORTB), что можно наблюдать с помощью светодиодов, если использовать плату STK500.

Данный пример реализован для демонстрации, как использовать различные части драйвера. Код носит достаточно общий характер и не оптимизирован под конечное использование. С учетом этого, обратите внимание, что данный пример не подходит для микроконтроллеров с размером памяти программ менее 4 кбайт. Однако сам драйвер подходит для всех микроконтроллеров AVR, в т.ч. с памятью программ 1 кбайт.

Пример с управлением по прерываниям

Данный пример реализован как цифровой автомат. Если драйвер не занят, то данные передаются по шине. Если драйвер занят, цифровой автомат обходится для выполнения других задач. При составлении программы, полагалось, что к шине подключен один единственный датчик температуры DS1820. Программа выполняет считывание текущей температуры и вычисляет CRC, чтобы гарантировать корректность считывания. После этого значение температуры помещается в глобальную переменную. Всякий раз, когда драйвер занят, во внутреннем цикле температура выводится на порт PORTB. При использовании платы STK500 состояние данного порта можно наблюдать по свечению светодиодов.

Исходный код

Исходный код может быть загружен в zip-архиве с сайта www.atmel.com. Распакуйте исходный код в директорию по собственному усмотрению. При этом необходимо сохранить структуру директорий внутри архива. Внутри архива имеется три поддиректории: “polled”, “interrupt_driven” и “common_files”. “common_files” содержит CRC-функции, общие определения и определения для специфических устройств, используемые в драйверах УАПП. “polled” и “interrupt_driven” содержат драйверы и примеры кодов.

В каждой директории имеется файл “source.doc”. В данных файлах содержится документация на исходный код. Если необходимо изучить подробности по использованию различных драйверов, то необходимо ознакомиться с данной документацией.

Драйвер с опросом

Короткое описание каждого файла данного драйвера представлено в таблице 5.

Таблица 5 – Файлы драйвера с опросом

• Создайте новый проект в .
• Выполните команду меню project ->
• Откройте файл "OWIPolled.h" для редактирования и найдите раздел "User defines".
• Выберите какой тип драйвера Вас интересует, программный или УАПП, путем удалении символов комментария (//) перед нужной строкой и, наоборот, добавления символов комментария в начало ненужной строки.
• Перемещайтесь вниз к разделу с выбранным драйвером.
• Настройте определения в этом разделе в соответствии с аппаратными настройками, как описано в файле.
• Проект готов для компиляции.

Драйвер с управлением по прерываниям

В таблице 6 представлено короткое описание каждого файла данного драйвера.

аблица 6 - Файлы драйверов с управлением по прерываниям

• Создайте новый проект в .
• Добавить все файлы *.c из директорий "polled" и "common_files".
• Выполните команду меню project -> options: При этом появляется диалоговое окно.
• В категории "General/Target" убедитесь, что выбрано корректное устройство и модель памяти.
• В категории "General/Library configuration" выберите опцию "Enable bit definitions in I/O include files".
• В категории "General/System" установите значение Data stack (CSTACK) равным 0x40, а Return stack (RSTACK) - 0x10. Это необходимо для работы примера программы с интенсивным использованием памяти. Меньшие значения стека могут быть приемлемы для других приложений, использующих этот драйвер.
• Если для отладки используется AVRStudio, то необходимо изменить формат выходных данных. В категории XLINK/Output выберите Format/Other, а затем установите "ubrof 8 (forced)" из ниспадающего списка "Output format".
• Откройте файл "OWIInterruptDriven.h" для редактирования и найдите раздел "User defines".
• Измените определения в разделе "User defines" в соответствии с аппаратными установками.
• Проект готов для компиляции.

1-Wire – протокол передачи данных в обе стороны по одному проводу.

Данный протокол разработан корпорацией Dallas Semiconductor (сейчас Maxim Integrated) в далёких 90-х, но активно используется и сейчас: именно на 1-Wire работает большинство "таблеток" - домофонных чипов (DS1990A), карточек доступа, а также через 1-Wire общаются популярные датчики температуры (DS18S20 и DS18B20), транзисторные ключи (DS2405 , DS2406), программируемые порты ввода-вывода (DS2408), АЦП и ЦАП, часы реального времени (DS2417) и многое другое.

Режим связи в этом протоколе – асинхронный и полудуплексный (об этом подробнее ), а также "остроконечный" (при отсылке многобайтовых целых передача идёт от младшего байта к старшему).

При этом у нас всегда есть ведущий – одно устройство на шине, которое отсылает команды, и ведомые – устройства, которые эти команды принимают и отвечают на них, если необходимо; каждое из ведомых устройств подключается непосредственно к общей шине.

Ещё раз подчеркнём – на шине может быть только ОДИН ведущий – иначе возникнут конфликты, когда оба ведущих будут тянуть одеяло на себя (на самом деле, есть некоторые приёмы организации сетей 1-Wire в режиме мультимастера – например, с помощью ветвителя сети DS2409 – но в "обычной" жизни все-таки предпочтительней иметь только одного ведущего на шине).

Протокол 1-Wire хорош тем, что не сложен в реализации и требует для связи всего два-три провода (шина данных, земля и при необходимости питание); однако при этом он не лишён и недостатков – этот протокол весьма чувствителен ко времени и к помехам. Также 1-Wire не предназначена для передачи больших объёмов информации и для скоростного обмена данными – максимальная скорость 9600 Бод/с.

Протокол 1-Wire описывает физический, канальный, сетевой и транспортный уровни взаимодействия (см. модель OSI).
На физическом уровне даются описания способов подключения, требования к шине данных и питанию и т.д.
Канальный уровень описывает способы чтения и передачи битов по протоколу.
Сетевой уровень описывает способы адресации к различным устройствам на линии.
Наконец, транспортный уровень описывает функциональные команды, используемые устройствами 1-Wire.

Физический уровень протокола

Рисунок 1. Пример подключения ведущего и ведомых устройств по протоколу 1-Wire.

К слову, о питании – согласно даташиту, шина данных должна быть подтянута к питанию резистором 4.7 кОм, однако данный номинал используется при относительно коротких линиях; если же расстояние между устройствами достаточно велико, то сопротивление резистора можно уменьшить.

Канальный уровень протокола

Обмен информацией ведётся так называемыми временными, или тайм-слотами (60 мкс): один тайм-слот служит для обмена одним битом информации. Данные передаются бит за битом, начиная с младшего бита младшего байта – это, кстати, достаточно часто приводит к ошибкам у новичков – кажется, что нужно передавать данные слева направо, так, как они хранятся в памяти (то есть, следите за словами: кажется, что нужно начинать со старшего бита младшего байта (вы уже запутались, да?) – но нет! При передаче по 1-Wire, например, двухбайтового числа порядок передачи будет таким:
Имеем число 1023410 – в двоичном виде выглядит так: 00100111 11111010 2
В памяти (так как у нас "остроконечный" порядок хранения данных) выглядит так: 11111010 00100111.
А передача по 1-Wire будет выглядеть так:
0→1→0→1→1→1→1→1→1→1→1→0→0→1→0→0
Если вы запутались так же, как и я – самое время выпить чая с шоколадкой и немного утрясти все в голове.

Идём дальше. При обмене информацией ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления (передача или приём), должна быть инициирована ведущим. Шина данных по умолчанию подтягивается к "единице", поэтому для начала как приёма, так и для передачи ведущий опускает линию в "ноль" на некоторое время.

Внимание : ни ведущий, ни ведомые не выставляют на шине "единицу" - это черевато коротким замыканием: если одно устройство выставит на шине "1", а другое – "0"; поэтому как ведущий, так и ведомый могут использовать только два состояния: "на выход в ноль" и "z-состояние" (на вход без подтяжки). Подтяжка к питанию осуществляется резистором (!).

Рассмотрим 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: "Запись 1", "Запись 0", "Чтение", "Сброс" и "Присутствие". При этом на рисунках красным выделено управление линией от ведущего, синим – управление линией от ведомого, черным – освобожденная линия (с помощью подтяжки шина автоматически переходит в "единицу").

Сигнал "Запись 1" . Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.

Сигнал "Запись 0" . Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.

Сигнал "Чтение" . Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчинённый, если хочет передать 0, удерживает шину в низком состоянии до 60 мкс; если же подчинённых хочет передать 1, то он просто освобождает линию. Ведущий обычно сканирует состояние шины по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине.

Так, ведомый удерживает линию к земле, если хочет передать "0", и просто отпускает линию, если хочет передать "1".
Таким образом при чтении получаем следующие диаграммы.

Сигнал "Чтение при получении 1" :

Сигнал "Чтение при получении 0" :

Основные проблемы, которые возникают при реализации чтения-записи – это проблемы со временем, то есть "невыдерживание", или наоборот, "передерживание" временных задержек при чтении линии. Возникают эти проблемы из-за того, что часто не делают поправку на медленность языков программирования высокого уровня. Особенно это касается различных "дополнительных" функций и ништяков. Подробнее

Сигнал "Сброс/присутствие" . Здесь временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал "Сброс".
Если на шине присутствует подчинённый, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название "Присутствие". Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключённых устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.
Данная связка сигналов всегда начинает любой обмен информацией между устройствами.
Помимо этого, нужно учитывать, что любое ведомое устройство после получения питания сразу же выдаёт сигнал присутствия.
Сигнал же "Сброс" позволяет ведущему досрочно завершить обмен информацией – например, если датчик температуры передаёт нам всю свою память, а нам нужны только первые два байта, которые содержат значение температуры, то после получения этих двух байт микросхема просто может опустить линию в ноль на нужное количество времени – датчик поймет, что больше ничего пересылать не нужно.

О реализации: обычно необходимо запрограммировать микроконтроллер как ведущее устройство, поэтому есть несколько советов: микроконтроллеру стоит генерировать сигналы (опускание шины к земле) чуть больше необходимого минимума по времени, а ответы от ведомых устройств ждать по наихудшим прогнозам – тогда взаимодействие по протоколу будет оптимальным.
При этом ведущему нужно не забывать периодически проверять состояние линии данных - то, что она возвращается в подтянутое состояние с течением времени – а то может возникнуть ситуация, например, что какой-нибудь ведомый сломался и коротит, например, линию в ноль – и в принципе, протокол не проверяет данную проблему сам, ошибки может и не возникнуть – но об этом чуть ниже.

Сетевой и транспортный уровни протокола

Рассмотрим "более высокий" уровень протокола 1-Wire – последовательность действий при взаимодействии ведущего и ведомого, а также основные команды. При этом нужно отметить, все данные, в том числе команды, отсылаются побитно последовательно, начиная с младшего бита.

Алгоритм взаимодействия:

1. Ведущий посылает на линию сигнал reset ("Сброс"). После линия освобождается для "ответных действий". Если на шине присутствует ведомый, то в течение 60 мкс он сообщает о "присутствии".
   Если же ведущий не получает отклика-"присутствия", то он считает, что подключённых к шине устройств нет.
2. Далее следует сетевой уровень протокола: ведущий должен определить, к какому из устройств на шине данных он будет дальше обращаться. Данный выбор обеспечивается отсылкой одной из ROM-команд (длиной в 1 байт), которые работают с уникальными кодами устройств:
   • Search ROM ($F0) – "поиск ROM". Если коды подключённых устройств не известны, то эта команда позволяет ведущему определить их. Подробное описание данной команды представлено ниже.
   • Read ROM ($33) – "чтение ROM" – команда используется, если мы точно знаем, что у нас только одно подчинённое устройство (например, только один датчик температуры или один домофонный ключ), тогда для считки его кода можно не париться с поиском ROM. При получении данной команды все ведомые устройства на шине отсылают свой уникальный код.
   • Skip ROM ($CC) – "пропуск ROM". Это команда используется, когда необходимо дать команду всем устройствам на шине – например, нужно, чтобы все подключённые датчики одновременно считали температуру.
   • Match ROM ($55) – "совпадение ROM". Используется для выбора конкретного подчинённого устройства на шине. После отсылки команды ведущий передаёт 64-разрядный код. По завершении только тому подчинённому устройству, которое приняло свой идентификатор, разрешается отвечать после приёма следующего импульса сброса – остальные же молча ждут импульса сброса.
   Естественно, для отдельных устройств какие-то ROM-команды могут добавляться.
3. Если были отправлены команды "Match ROM" или "Skip ROM", то далее ведущий отправляет какую-либо функциональную команду – это уже транспортный уровень протокола; при этом набор функциональных команд и дальнейшее поведение (должен ли ведущий быть готов принимать данные от выбранного ведомого устройства, например) зависит от конкретного устройства 1-Wire.

Так, например, если у нас есть микроконтроллер и DS18S20 – датчик температуры, и мы хотим получить от этого датчика значение температуры, то алгоритм работы будет следующим:

1. МК отсылает импульс сброса
2. - так как датчик у нас на линии один, то нам нет необходимости работать с "адресами"
3. МК отсылает функциональную команду "Convert T" - по этой команде датчик температуры начнёт однократное температурное преобразование; результат же этого преобразования будет записан в память датчика
4. МК ждёт, пока датчик закончит преобразование (ведомое устройство никоим образом не может само сообщить, что оно "освободилось", поэтому микроконтроллер просто ждёт время, указанное в даташите)
5. МК отсылает импульс сброса
6. Датчик отвечает импульсом приветствия
7. МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
8. МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad" - по этой команде датчик отсылает 9 байт своей памяти
9. МК считывает нужное количество байт (значение температуры содержится в первых двух)
10. При необходимости МК завершает сеанс связи, отсылая импульс сброса

При этом нужно помнить, что ведомые устройства могут поломаться и, например, опускать линию всегда на 0. Допустим, у нас так закоротило датчик температуры в термостате печки. Тогда, если ведущий не проверит, что линия возвращается в единицу, то вероятна следующая ситуация:

1. МК отсылает импульс сброса
2. Датчик коротит линию на ноль – МК обнаруживает, что есть импульс приветствия
3. МК отсылает адресную команду "Skip ROM" - не проверяя при этом линию, конечно
4. МК отсылает функциональную команду "Convert T" - датчик всё ещё в коме
5. МК ждёт
6. МК отсылает импульс сброса
7. история повторяется, датчик отсылает ноль
8. МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
9. МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad"
10. МК считывает нужное количество байт - и получает, естественно, все нули. Даже если мы считываем всю память вместе с CRC, CRC от нуля будет равно нулю – то есть ошибки не произойдет МК конвертирует температуру, получает ноль, отправляет команду нагревать печь. И так до бесконечности!

Выглядит все это довольно печально – и черевато большими проблемами! Так что на протокол полагайся, но сам не плошай.

Вернёмся к алгоритму взаимодействия ведущего и ведомого по протоколу. Как видно, реализовать работу ведущего устройства не так уж сложно – при этом есть как уже готовые библиотеки с кодом, так и аппаратные реализации – например, от той же фирмы Maxim Integrated. Так, например, для AVR-ок написан целый даташит для реализации 1-Wire .

А вот реализовать ведомое устройство не так уж просто – и если библиотеки существуют (например, ), то аппаратных реализаций именно протокола 1-Wire мне не встречалось. Принцип же работы ведомых устройств подробно описан в их документации, обычно в виде блок-схемы.

Существует целый ряд устройств, использующих интерфейс 1-Wire, - так, например, всем известная "таблетка" - домофонный ключ – работает в большинстве случаев именно через данный протокол: микроконтроллер в замке просто спрашивает уникальный код "таблетки", и если этот код содержится в списке разрешённых устройств, микроконтроллер открывает замок.

Помимо всевозможных устройств для идентификации и авторизации (ключи, карточки пропуска), многие датчики – будь то датчики температуры, датчики влажности, освещения и др. – также используют для связи интерфейс 1-Wire. Помимо этого, есть также ряд микросхем для "мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений".

Уникальные коды устройств 1-Wire

Пару слов об уникальных кодах устройств, с которыми и работают ROM-команды. Каждое "одноварное" устройство имеет свой 64-хбитный код, состоящий из трёх частей:

Младший байт – это код семейства, к которому относится устройство, 6 следующих байт – уникальный в семействе серийный номер, ну и наконец, старший байт – это CRC, который служит для проверки правильности приёма всего кода. Так, например, на родных даллосовских (сейчас максимовских) "таблетках" часть уникального кода – а именно, 48-битный серийный номер – пишется на металле в шестнадцатиричном виде (все дружно посмотрели на свои домофонные ключи).

Рассмотрим подробнее, какие коды семейств устройств 1-Wire бывают:

Код семейства (HEX)	Устройство iButton	Описание
01	DS1990A, DS1990R, DS2401, DS2411	Уникальный серийный номер-ключ
02	DS1991	Мультиключ, 1152-битная защищённая EEPROM
04	DS1994, DS2404	4 КБ NV RAM + часы, таймер и будильник
05	DS2405	Одиночный адресуемый ключ
06	DS1993	4 КБ NV RAM
08	DS1992	1 КБ NV RAM
09	DS1982, DS2502	1 КБ PROM
0A	DS1995	16 КБ NV RAM
0B	DS1985, DS2505	16 КБ EEPROM
0C	DS1996	64 КБ NV RAM
0F	DS1986, DS2506	64 КБ EEPROM
10	DS1920, DS1820, DS18S20, DS18B20	Датчик температуры
12	DS2406, DS2407	1 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ
14	DS1971, DS2430A	256 бит EEPROM и 64 бита PROM
1A	DS1963L	4 КБ NV RAM + счётчик циклов записи
1C	DS28E04-100	4 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ
1D	DS2423	4 КБ NV RAM + внешний счётчик
1F	DS2409	Двухканальный адресуемый ключ с возможностью коммутации на возвратную шину
20	DS2450	Четырёхканальный АЦП
21	DS1921G, DS1921H, DS1921Z	Термохронный датчик с функцией сбора данных
23	DS1973, DS2433	4 КБ EEPROM
24	DS1904, DS2415	Часы реального времени
26	DS2438	Датчик температуры, АЦП
27	DS2417	Часы реального времени с прерыванием
29	DS2408	Двунаправленный 8-разрядный порт ввода/вывода
2C	DS2890	Одноканальный цифровой потенциометр
2D	DS1972, DS2431	1 КБ EEPROM
30	DS2760	Датчик температуры, датчик тока, АЦП
37	DS1977	32 КБ защищённой паролем EEPROM
3A	DS2413	Двухканальный адресуемый коммутатор
41	DS1922L, DS1922T, DS1923, DS2422	Термохронные и гигрохронные датчики высокого разрешения с функцией сбора данных
42	DS28EA00	Цифровой термометр с программируемым разрешением, возможностью работать в режиме подключения к последовательному каналу и программируемыми портами ввода/вывода
43	DS28EC20	20 КБ EEPROM

NV RAM – Non-Volatile Random-Access Memory (энергонезависимое ОЗУ)
PROM – Programmable Read-Only Memory (однократно программируемое ПЗУ)
EEPROM – Electrically Erasable Programmable Random-Access Memory (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ)

Интерфейс 1-Wire разработан фирмой Dallas Semiconductor, все права на этот интерфейс принадлежат исключительно этой фирме (Которая, впрочем, уже давно прекратила свое самостоятельное сущестование и перешла под крыло корпорации MAXIM Inc.).
Чем привлекателен этот интерфейс? Разумеется, малым количеством выводов МК, требующихся для подключения практически неограниченного количества микросхем. В самом деле, двусторонний обмен требует всего 1 линию! Кроме того, ассортимент устройств с этим интерфейсом весьма широк. Наконец, протокол обмена по этому интерфейсу очень прост и легко реализуется программно практически на любых МК хотя есть и специальные микросхемы-адаптеры).

Фирменная документация по указанному интерфейсу и устройствах, его поддерживающих, находится по адресу http://www.maxim-ic.com/1-Wire.cfm.

Аппаратная реализация интерфейса 1-Wire

На рисунке показана упрощенная схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire. Вывод DQ устройства представляет собой вход КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии - около 100 Ом. Когда транзистор заперт - имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА) на общий провод.
Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к напряжению питания устройств (которое, кстати, может быть от 3 до 5В - уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удаленных на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить. Чуть позже я коснусь этой проблемы и поясню причины необходимости такого уменьшения сопротивления, а пока скажу, что минимально допустимое его сопротивление - около 300 Ом, а максимальное - около пары-тройки десятков килоом. Данные величины - ориентировочные, вы всегда должны уточнить по характеристикам конкретного устройства 1-Wire его максимальный втекающий ток линии DQ, который, собственно, и определяет минимум внешнего сопротивления.
Подключение шины 1-Wire к МК показано условно в двух вариантах: с использованием 2 отдельных выводов МК (один в качестве выхода, а другой в качестве входа), так и одного, работающего и на ввод и на вывод. Разделение этих способов показано пунктирной линией, условно обозначающей границу корпуса МК. С некоторой натяжкой можно представить себе логическое строение шины 1-Wire как всем известное соединение выводов микросхем с открытым коллектором по схеме "монтажное ИЛИ". Очевидно, что передача какой-либо информации при этом возможна только выдачей низкого уровня в линию, т.е. замыканием ее на общий провод, а в высокий логический уровень линия вернется сама, благодаря наличию внешнего подтягивающего резистора. Так же очевидно, что одновременная передача нескольких устройств обречена на неудачу из-за полного искажения информации (все передаваемые единицы одного устройства будут подавлены передаваемыми нулями от другого устройства).

Программная реализация интерфейса 1-Wire

А теперь о том, как происходит обмен информацией по шине 1-Wire. Основные постулаты.
1. Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в большинстве случаев является микроконтроллером (МК).
2. Любой обмен информацией начинается с подачи импульса сброса ("Reset Pulse" или просто RESET) в линию 1-Wire ведущим устройством.
3. Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств.
4. Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения питания выдает в линию DQ импульс присутствия, называемый "Presence pulse" (далее я буду использовать термин PRESENCE). Этот же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал RESET.
5. Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства.
6. Обмен информации ведется так называемыми тайм-слотами: один тайм-слот служит для обмена одним битом информации.
7. Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. Достоверность переданных/принятых данных (проверка отсутствия искажений) гарантируется путем подсчета циклической контрольной суммы.
Основные постулаты определяют логический низкоуровневый протокол обмена данными.
На следующем рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными. Кстати, выдача импульса RESET в процессе обмена служит для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Диаграмма сигналов инициализации обмена

Как видим, длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет только ограничение только по минимуму (не меньше указанного). Условные обозначения линий, показанные на Рис. 2, будут использоваться и далее.
Импульс RESET формирует ведущий МК, переводя в низкий логический уровень шину 1-Wire и удерживая ее в этом состоянии минимум 480 микросекунд. Затем МК должен "отпустить" шину. Через некоторое время, зависящее от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, в линии установится высокий логический уровень. Протокол 1-Wire ограничивает это время "релаксации" диапазоном от 15 до 60 микросекунд, что и является определяющим для выбора подтягивающего резистора (как правило, емкость линии мы менять существенно не можем, а именно она оказывает существенное влияние на время возврата линии к высокому уровню).
Обнаружив импульс RESET, ведомое устройство приводит свои внутренние узлы в исходное состояние и формирует ответный импульс PRESENCE, как следует из рисунка - не позже 60 микросекунд после завершения импульса RESET. Для этого устройство переводит в низкий уровень линию DQ и удерживает ее в этом состоянии от 60 до 240 микросекунд. Конкретное время удержания зависит от многих параметров, но всегда находится в указанном диапазоне. После этого устройство так же "отпускает" шину.
Но после завершения импульса PRESENCE устройству дается еще некоторое время для завершения внутренних процедур инициализации, таким образом, МК должен приступить к любому обмену с устройством не ранее, чем через 480 микросекунд после завершения импульса RESET.
Итак, процедура инициализации интерфейса, с которой начинается любой обмен данными между устройствами, длится минимум 960 микросекунд, состоит из передачи от МК сигнала RESET и приему от устройства сигнала PRESENCE. Если сигнал PRESENCE не обнаружен - значит на шине 1-Wire нет готовых к обмену устройств.

Теперь рассмотрим процедуры обмена битами информации, которые, как вы помните, осуществляются определенными тайм-слотами. Тайм-слот - это по существу определенная, довольно жестко лимитированная по времени последовательность смены уровней сигнала в линии 1-Wire. Различают 4 типа тайм-слотов (я буду использовать термин МК, как синоним "ведущего устройства" и просто "устройство", как синоним "ведомого"): передача "1" от МК, передача "0" от МК, прием "1" от устройства и прием "0" от устройства.
Любой тайм-слот всегда начинает МК путем перевода шины 1-Wire в низкий логический уровень. Длительность любого тайм-слота должна находиться в пределах от 60 до 120 микросекунд. Между отдельными тайм-слотами всегда должен предусматриваться интервал не менее 1 микросекунды (конкретное значение определяется параметрами ведомого устройства).
Тайм-слоты передачи отличаются от тайм-слотов приема поведением МК: при передаче он только формирует сигналы, при приеме, кроме того, еще и опрашивает (т.е. принимает) уровень сигнала в линии 1-Wire. Следующй рисунок демонстрирует временные диаграммы тайм-слотов всех 4-х типов: вверху показаны тайм-слоты передачи от МК, внизу - приема от устройства.

Тайм-слот передачи "0" заключается просто в удержании шины 1-Wire в низком уровне в течение всей длительности тайм-слота. Передача "1" осуществляется путем "отпускания" шины 1-Wire со стороны МК не ранее чем через 1 микросекунду после начала тайм-слота, но не позже чем через 15 микросекунд. Ведомое устройство опрашивает уровень в шине 1-Wire в течение временного интервала, условно показанного в виде серого прямоугольника, т.е. начиная с 15-й микросекунды от начала тайм-слота и заканчивая 60-й микросекундой от начала. Типичный момент ввода уровня в устройство (т.е. характерный для большинства устройств) - около 30-й микросекунды от начала тайм-слота.
Заштрихованная область - это область "нарастания" уровня в шине 1-Wire, которая зависит от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, она приведена для справки.
Тайм-слоты приема информации отличаются тем, что МК формирует только начало тайм-слота (абсолютно так же, как при передаче "1"), а затем управление уровнем шины 1-Wire берет на себя устройство, а МК осуществляет ввод этого уровня так же в определенной зоне временных интервалов. Зона эта, как видно из рисунка, довольно мала. Как и раньше, заштрихованная область - область неопределенности, поэтому для ввода, собственно говоря, контроллеру остается даже не промежуток, а скорее конкретный момент, когда он должен ввести уровень сигнала из линии. Этот момент времени - 14-я или 15-я микросекунда от начала тайм-слота. Разумеется, если линия имеет малую емкость, а подтягивающий резистор мал, зона опроса несколько расширяется, однако рекомендую ориентироваться на худший вариант (как, кстати, рекомендует и фирма-производитель), что-бы всегда обеспечить надежный обмен данными.

Итак, подведем итоги. МК начинает тайм слот с выдачи в шину 1-Wire "0" в течение 1 микросекунды. Последующий уровень зависит от типа тайм слота: для приема и передачи "1" уровень должен стать высоким, а для передачи "0" - оставаться низким вплоть до конца тайм-слота, т.е. не менее 60 и не более 120 микросекунд. Если МК принимает данные, то опрос уровня в шине он должен сделать на промежутке от 13-й до 15-й микросекунде тайм-слота. МК должен обеспечить интервал между отдельными тайм-слотами не менее 1 микросекунды (лучше - больше, максимальное значение не ограничено).
Важно понимать, что следует очень тщательно подходить к обеспечению в шине 1-Wire требуемых временных интервалов, т.к., например, увеличение длительности тайм-слота вывода "0" свыше рекомендованного значения может привести к ошибочному восприятию этого тайм-слота, как сигнала RESET, и, разумеется, после этого вся процедура обмена пойдет насмарку. Но так же следует учитывать влияние самой линии на длительность фронтов импульсов. Поэтому в общем случае, это не простая задача. Но выполнение несложных рекомендаций позволит ее решить достаточно простыми средствами: во-первых, все сигналы, которые должен формировать МК, следует формировать по принципу необходимого минимума длительности (т.е. немного больше, чем указанная минимальная длительность), а от устройства следует ожидать сигналов по принципу наихудшего (т.е. ориентироваться на самые худшие варианты временных параметров сигнала).
Если вы разрабатываете схему, которая целиком умещается на одной плате вместе со всеми устройствами на шине 1-Wire, то, ориентируясь на самый первый рисунок, вы получите практически идеальную линию: фронты нарастания высокого уровня в шине будут минимальными - это избавит вас от большинства проблем. Но если Вы подключаете несколько устройств через длинный соединительный шлейф - придется бороться с погонной емкостью линии.
Мною проверено, что соединение по свитым вручную обычным монтажным проводам при типовом подтягивающем резисторе однозначно возможно на расстоянии до 9 м, а для соединения по очень длинной телефонной "лапше" может потребовать уменьшения подтягивающего резистора до 510 ом и даже менее.

Разобравшись с процедурами обмена битами, пора приступать к более высокому уровню протокола обмена информацией, и для этого необходимо рассмотреть принципы адресации устройств и управления ими.
Каждое устройство 1-Wire обладает уникальным идентификационным 64-битным номером, программируемым на этапе производства микросхемы. Уникальным - это значит, что фирма-производитель гарантирует, что не найдется двух микросхем с одинаковым идентификационным номером (по крайней мере в течении нескольких десятков лет при существующих темпах производства).
При рассмотрении протокола обмена мы будем исходить из принципа, что на шине 1-Wire имеется более одного устройства. В этом случае перед МК встают 2 проблемы: определение количества имеющихся устройств и выбор (адресация) одного конкретного из них для обмена данными. Решение первой проблемы осуществляется двумя путями: универсальным и гибким, но требующим довольно сложного программно-реализуемого алгоритма, и простым, но с большими ограничениями. Универсальный алгоритм мы рассматривать не будем, т.к. это требует отдельной статьи. А более простой заключается в том, что номера всех используемых в вашей схеме 1-Wire-устройств вы должны знать заранее, и просто использовать их как константы в вашей программе. Номера некоторых устройств нанесены прямо на корпусе микросхем (например, для устройств iButton - всем известных ключей-таблеток), а номера других можно определить при помощи специальных программ или устройств (о них в конце статьи). iButton - зарегистрированная торговая марка, права на которую принадлежат Dallas Semiconductor, дополнительная информация об этом семействе изделий на есть на сайте.
Итак, предположим, что мы знаем номера всех устройств 1-Wire на шине. Как же ведется работа с ними? Алгоритм тут следующий. МК посылает, как обычно, импульс RESET, и все имеющиеся устройства выдают PRESENCE. Затем МК посылает в шину команду, которую принимают все устройства. Команд определено несколько общих для всех типов 1-Wire-устройств, а так же могут быть команды, уникальные для отдельных типов. Среди общих команд нас в первую очередь могут заинтересовать следующие (см. табли-цу).

	Значение байта	Описание
SEARCH ROM		Поиск адресов - используется при универсальном алгоритме определения количества и адресов подключенных устройств
READ ROM		Чтение адреса устройства - используется для определения адреса единственного устройства на шине
MATCH ROM		Выбор адреса - используется для обращения к конкретному адресу устройства из многих подключенных
SKIP ROM		Игнорировать адрес - используется для обращения к единственному устройству на шине, при этом адрес устройства игнорируется (можно обращаться к неизвестному устройству)

Первую команду мы не станем рассматривать по ранее изложенной причине, вторая позволит вам определить адрес имеющихся у вас устройств перед их установкой в готовое изделие, а две последние наверняка станут основными в вашей работе.
После того, как МК выдаст команду READ ROM, от устройства поступит 8 байт его собственного уникального адреса - МК должен их принять. Учтите, что любая процедура обмена данными с устройством должна быть завершена полностью либо прервана посылкой сигнала RESET.
Если отправлена команда MATCH ROM, то после нее МК должен передать так же и 8 байт конкретного адреса устройства, с которым будет осуществляться последующий обмен данными. Это равносильно выставлению адреса на параллельной шине в микропроцессорных устройствах. Приняв эту команду, каждое устройство сравнивает передаваемый адрес со своим собственным. Все устройства, адрес которых не совпал, прекращают анализ и выдачу сигналов в линии 1-Wire, а опознавшее адрес устройство продолжает работу. Теперь все данные, передаваемые МК будут попадать только к этому "адре-сованному" устройству. То, какие именно данные надо послать в устройство или получить от него после его адресации, зависит от конкретного устройства и в настоящей статье не рассматривается (например, для упомянутого термометра это могут быть команды запуска измерения или считывания результата, для ключа-таблетки не определены никакие иные команды, кроме основных, а для микросхем АЦП дополнительных команд может быть около десятка).
Если устройство одно на шине - можно ускорить процесс взаимодействия с ним при помощи команды SKIP ROM. Поучив эту команду, устройство сразу считает адрес совпавшим, хотя никакого адреса за этой командой не следует. Некоторые процедуры не требуют приема от устройства никаких данных, в этом случае команду SKIP ROM можно использовать для передачи какой-то информации сразу всем устройствам. Это можно использовать, например, для одновременного запуска цикла измерения температуры несколькими датчиками-термостатами типа DS18S20.
Прием и передача байтов всегда начинается с младшего бита. Порядок следования байтов при передаче и приеме адреса устройства так же ведется от младшего к старшему. Порядок передачи другой информации зависит от конкретного устройства, поэтому следует обращаться к документации на применяемые вами устройства.

В завершение обзора интерфейса рассмотрим детально строение уникального 64-битного номера-адреса устройств 1-Wire. Он состоит фактически из 8 отдельных байт: одного байта идентификатора семейства, шести байт (48 бит) собственно уникального адреса и одного байта контрольной суммы всех предыдущих байтов. Рассмотрение этих составных частей начнем, по традиции, в обратном порядке.
Итак, контрольная сумма или CRC - это байт, значение которого передается самым последним и вычисляется по специальному алгоритму на основе значения всех 7-и предыдущих байтов. Алгоритм подсчета таков, что если все байты переданы-приняты без искажений (а искажения вполне возможны, если вспомнить характер аппаратной реализации интерфейса), принятый байт контрольной суммы обязательно совпадет с рассчитанным в МК (или устройстве) значением. Т.е. при реализации программного алгоритма обмена информацией мы должны при передаче и приеме байтов подсчитывать их контрольную сумму по строго определенному алгоритму, а затем либо передать полученное значение (если мы вели передачу адреса/данных), либо сравнить расчетное значение с принятым значением CRC. Только при совпадении обоих CRC МК или устройство считают принятые данные достоверными. В противном случае продолжение обмена невозможно.
Очевидно, что алгоритм подсчета CRC должен быть одинаковым как для МК, так и для любого устройства. Он "стандартизирован" и описан в документации. Однако его понимание требует определенных умственных усилий и, что лично для меня более критично, наличия времени, которого постоянно не хватает. Именно поэтому я не стану описывать сам алгоритм расчета (все желающие могут познакомиться с ним по фирменному документу Application Note 27 "Understanding and Using Cyclic Redundancy Checks with Dallas Semiconductor iButtonTM Products"), а просто приведу примеры программной реализации этого алгоритма, которые можно использовать не особо углубляясь в математические дебри. Разумеется, вы легко сможете адаптировать приводимые примеры под свои нужды. Кстати, по этим примерам можно восстановить и алгоритм расчета CRC.

Пример первый: ассемблер MCS-51. Подпрограмма расчета CRC.
Эта подпрограмма использует одну ячейку памяти CRC для хранения результата. Перед первым вызовом эту ячейку необходимо обнулить. В аккумуляторе - очередной принятый или передаваемый байт. После того, как все байты переданы/приняты в ячейке CRC получится контрольная сумма. Подпрограмма не портит никаких регистров, кроме регистра состояния.

DO_CRC:
PUSH ACC ; сохраняем аккумулятор
PUSH B ; сохраняем регистр В
PUSH ACC ; сохраняем байт данных
MOV B, #8 ; кол-во битов (счетчик циклов)
CRC_LOOP:
XRL A, CRC ; XOR с предыдущим значением контрольной суммы
RRC A ; сдвиг вправо через флаг переноса
MOV A, CRC ; берем последнее значение CRC
JNC ZERO ; переход, если не было переноса
XRL A, #18H ; обновляем значение CRC путем XOR с константой
ZERO:
RRC A ; снова сдвигаем CRC
MOV CRC, A ; сохраняем новое значение CRC
POP ACC ; восстанавливаем байт данных
RR A ; циклически сдвигаем вправо
PUSH ACC ; снова сохраняем значение
DJNZ B, CRC_LOOP ; повторяем цикл 8 раз (для каждого бита)
POP ACC ; очищаем стек
POP B ; восстанавливаем прежние значения регистров из стека
POP ACC
RET ; завершение процедуры

Использование этой (да и последующей) подпрограммы очень простое: перед началом приема или передачи надо обнулить ячейку CRC, а затем каждый принятый или переданный байт поместить в аккумулятор и вызвать эту подпрограмму. После того, как приняты все 8 (обратите внимание - именно 8!) байтов уникального адреса устройства, необходимо проверить содержимое ячейки CRC: ненулевое ее значение свидетельствует о наличии искажения принятых данных. Если же CRC=0 - это значит, что данные приняты без искажений. Если же МК вел передачу уникального адреса устройства, то содержимое CRC должно быть передано 8-ым байтом после предыдущих семи.

Пример второй: процедура на языке Pascal с использованием табличных вычисле-ний CRC. Как и предыдущая, эта процедура должны быть вызвана для каждого передаваемого/принимаемого байта, а перед первым использованием переменная CRC должна быть обнулена.

Var
CRC: Byte; {переменная-результат расчета контрольной суммы}

Procedure Do_CRC(X: Byte);
{Эта процедура вычисляет контрольную сумму по стандартному алгоритму для устройств 1-Wire и накапливает результат в глобальной переменной CRC}

Const
{Нижеследующая таблица содержит заранее вычисленные сигнатуры, используемые для быстрого расчета CRC}

Table: Array of Byte = (0, 94, 188, 226, 97, 63, 221, 131, 194, 156, 126, 32, 163, 253, 31, 65,
157, 195, 33, 127, 252, 162, 64, 30, 95, 1, 227, 189, 62, 96, 130, 220,
35, 125, 159, 193, 66, 28, 254, 160, 225, 191, 93, 3, 128, 222, 60, 98,
190, 224, 2, 92, 223, 129, 99, 61, 124, 34, 192, 158, 29, 67, 161, 255,
70, 24, 250, 164, 39, 121, 155, 197, 132, 218, 56, 102, 229, 187, 89, 7,
219, 133, 103, 57, 186, 228, 6, 88, 25, 71, 165, 251, 120, 38, 196, 154,
101, 59, 217, 135, 4, 90, 184, 230, 167, 249, 27, 69, 198, 152, 122, 36,
248, 166, 68, 26, 153, 199, 37, 123, 58, 100, 134, 216, 91, 5, 231, 185,
140, 210, 48, 110, 237, 179, 81, 15, 78, 16, 242, 172, 47, 113, 147,205,
17, 79, 173, 243, 112, 46, 204, 146, 211, 141, 111, 49, 178, 236, 14, 80,
175, 241, 19, 77, 206, 144, 114, 44, 109, 51, 209, 143, 12, 82, 176, 238,
50, 108, 142, 208, 83, 13, 239, 177, 240, 174, 76, 18, 145, 207, 45, 115,
202, 148, 118, 40, 171, 245, 23, 73, 8, 86, 180, 234, 105, 55, 213, 139,
87, 9, 235, 181, 54, 104, 138, 212, 149, 203, 41, 119, 244, 170, 72, 22,
233, 183, 85, 11, 136, 214, 52, 106, 43, 117, 151, 201, 74, 20, 246, 168,
116, 42, 200, 150, 21, 75, 169, 247, 182, 232, 10, 84, 215, 137, 107, 53);

Begin
CRC:= Table;
{Расчет заключается в простом извлечении результата из таблицы}
End;

Как видите, табличный метод расчета значительно проще алгоритмического математического, и обладает существенно большим быстродействием, однако требует гораздо больше памяти программ для хранения таблицы.
Поклонники языка Си без проблем смогут адаптировать паскалевскую процедуру в аналогичную функцию на Си.
В качестве дополнительной информации скажу, что для обмена информацией (не для адресации) с некоторыми типами устройств применяется 16-разрядная CRC, алгоритм вычисления которой немного сложнее, но так же описан в упомянутом ранее документе.

Итак, мы разобрались с алгоритмом расчета контрольной суммы уникального адреса устройства, однако это всего лишь один последний байт из 8 байтов этого адреса, необходимо рассмотреть и остальные. Предыдущие 6 байтов (помните, что мы рассматриваем байты адреса в обратном порядке?), собственно, и есть тот самый уникальный номер-идентификатор. Номер - он и есть номер, рассказывать о нем нечего, переходим к заключительному первому байту - коду семейства.
Код семейства определяет номер группы, к которой принадлежит конкретное устройство и для микросхем одного семейства, естественно, будет одинаковым. Зная (считав) код семейства из неизвестного устройства можно довольно точно определить его функциональное назначение и даже некоторые параметры. Приведу список некоторых кодов семейств 1-Wire-устройств (таблица ниже).

В этой таблице, содержащей неполный перечень семейств 1-Wire-устройств, во втором столбце в скобках указаны типы микросхем в корпусах-таблетках iButton, а без скобок - в различных корпусах для монтажа на плату. Как видите, ассортимент устройств весьма широк.

Вот и все необходимые для начала работы сведения об интерфейсе 1-Wire, протоколе обмена данными по нему и его программной реализации. Надеюсь, этих сведений будет достаточно для того, чтобы количество проблем, возникающих у вас при освоении этого интерфейса, пошло на убыль. Напомню основные шаги по его успешной реализации:

• любой обмен информацией начинается с передачи импульса RESET и приема имульса PRESENCE;
• если импульса PRESENCE не обнаружено - на шине нет устройств;
• МК всегда инициирует обмен, начиная каждый тайм-слот обмена битом информации;
• временные параметры каждого тайм-слота следует соблюдать с максимально возможной точностью;
• для выбора одного из многих устройств на шине 1-Wire МК должен передать в шину команду MATCH ROM и затем 8 байт адреса устройства, последний (8-й) байт этого адреса - есть контрольная сумма предыдущих семи;
• если устройство на шине одно - МК может узнать его адрес путем посылки команды READ ROM, после чего принять от устройства 8 байтов адреса, последний из которых так же будет контрольной суммой первых семи;
• для работы с единственным устройством на шине можно отказаться от указания его адреса, для этого МК должен передать устройству команду SKIP ROM, после чего можно начинать обычный обмен данными;
• любая начатая процедура обмена может длиться сколь угодно долго за счет пауз между отдельными тайм-слотами, но всегда должна быть завершена полностью;
• прервать начатый обмен можно в любой момент путем выдачи импульса RESET в шину 1-Wire (но это может нарушить нормальную работу некоторых устройств).

Просмотров: 10371

Однопроводной интерфейс 1-Wire, разработанный в конце 90-х годов фирмой Dallas Semiconductor Corp., регламентирован разработчиками для применения в трех основных сферах-приложениях:

• приборы в специальных корпусах MicroCAN для решения проблем идентификации, переноса или преобразования информации (технология iButton),
• программирование встроенной памяти интегральных компонентов,
• системы автоматизации (технология сетей
• 1-Wire-сетей).

Если первое применение широко известно на мировом рынке, и уже давно пользуется заслуженной популярностью, а второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций полупроводниковых компонентов с малым количеством внешних выводов, производимых фирмой Dallas Semiconductor Corp., то системы автоматизации на базе 1-Wire-шины еще не получили должного признания. Ранее такая ситуация определялась, крайне ограниченным набором компонентов для организации применений в области автоматизации. Однако, в последнее время появляется все больше сообщений и конкретных примеров использования 1-Wire-интерфейса в самых различных областях, все больше разработчиков проявляют интерес к этой технологии, что связанно, прежде всего, со значительным расширением номенклатуры однопроводных компонентов.

Так в чем же особенность этого сетевого стандарта? Ведь в качестве среды для передачи информации по однопроводной линии чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае не велика. Однако, если внимательно проанализировать большинство объектов требующих автоматизации, то более чем для 60% из них предельная скорость обслуживания в 15,4 кБит/сек будет более чем удовлетворительной. А другие преимущества 1-Wire, такие как:

• простое и оригинальное решение адресуемости абонентов,
• несложный протокол,
• простая структура линии связи,
• малое потребление компонентов,
• легкое изменение конфигурации сети,
• значительная протяженность линий связи,
• исключительная дешевизна всей технологии в целом,

Говорят о необходимости обратить самое пристальное внимание на этот эффективный инструмент для решения задач комплексной автоматизации в самых различных областях деятельности.

Основные принципы

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной ) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный провод. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300м.

Основой архитектуры 1-Wire-сетей, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми . Хотя существует ряд специфических приемов организации работы однопроводных систем в режиме мультимастера.

Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire-интерфейса, уникального индивидуального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor Corp., гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом, каждый из однопроводных приборов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. Однопроводные компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми, лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire-интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии даже без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, которая составляет 15,4Кбит/сек, была выбрана, во-первых, с учетом обеспечения максимальной надежности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учетом быстродействия наиболее широко распространенных типов микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств однопроводной шины. Это значение скорости обмена может быть уменьшено до любого возможного значения благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Или увеличено за счет перехода на специальный ускоренный режим обмена (скорость Overdrive - до 125Кбит/сек), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов на небольшой по расстоянию, качественной, не перегруженной другими приборами линии связи.

Пожалуй, особенно привлекательным качеством технологии 1-Wire является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Действительно, для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого адаптера 1-Wire-линии, а также свободно распространяемой фирмой Dallas Semiconductor Corp. программы iButton Viewer. При наличии этого небольшого числа составляющих контроль и управление сетью практически любой сложности, построенной на базе стандартных однопроводных компонентов, организуется буквально в течение нескольких минут. Программа iButton Viewer, в этом случае, позволяет с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любое из ведомых однопроводных устройств на линии и проверить в полном объеме правильность его функционирования в составе конфигурируемой сети.

Организация ведущих

Отдельные виды адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер возможностью обслуживать в качестве мастера 1-Wire-сеть, выпускаются самой фирмой Dallas Semiconductor Corp. К ним относятся адаптеры для параллельного порта типа DS1410E, для COM-порта типа DS9097E и DS9097U, для USB-порта типа DS9490R. Эти приборы имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании. А наличие у пользователя небольших навыков в создании электронной аппаратуры, позволяет легко произвести самостоятельную сборку схемы простейшего адаптера 1-Wire-сети для компьютера из небольшого числа доступных электронных компонентов.

Часто в качестве ведущего однопроводной шины выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1-Wire-сетью используются различные программно-аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire-интерфейса на одном из своих функциональных двунаправленных выводов, связанных с однопроводной линией, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем сопряжения с 1-Wire-сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего однопроводной шины, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. Например, устройство DS1481 предназначено для подключения непосредственно к функциональным выводам параллельного обмена контроллера.

А для организации мастера однопроводной системы на базе микроконтроллеров с 3хвольтовым питанием поставляются пассивные микросхемы DS1482, выполняющие согласование с уровнями сигналов стандартной 1-Wire-магистрали. Если же мастер однопроводной линии должен быть организован на базе стандартного узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В, а микросхема DS2490 адаптирует однопроводную линию для работы от встроенного узла UBS-интерфейса. Обе микросхемы реализуют так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали, обеспечивающий качественную передачу сигналов в длинных проблемных линиях и увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых устройств. Кстати большинство выше упомянутых адаптеров для персональных компьютеров, также построены на базе подобных микросхем. Более того, учитывая особенности работы современных операционных сред Windows, использование именно этих компонентов, которые по своей сути являются управляемыми по последовательному интерфейсу цифровыми автоматами, обеспечивает полномасштабное обслуживание однопроводных линий в реальном масштабе времени.

При построении сложных законченных микропроцессорных систем, имеющих дефицит машинного времени для реализации 1-Wire-протокола, наиболее рациональной является идея о возложении отдельной задачи по обслуживанию однопроводной линии на специальный узел заказной или полузаказной СБИС, для последующего сопряжения такого цифрового автомата, через системную магистраль, непосредственно с основным процессорным узлом. Фирма Dallas Semiconductor Corp. даже разработала набор рекомендаций по организации подобного узла под названием DS1WM, который был реализован, в том числе, специалистами Xilinx Inc. в виде законченного практического примера для программируемых перестраиваемых матриц семейств Virtex и Spartan. Более того, и Dallas Semiconductor Corp., которая в том числе известна как поставщик высокоскоростных контроллеров клона MCS51, выпускает специализированный связной микроконтроллер DS80C400, который содержит встроенный в кристалл автомат поддержки 1-Wire-протокола с возможностью реализации механизма активной подтяжки.

Достаточно перспективным представляется также направление, связанное с применением карманных компьютеров (или PDA (Personal Digital Assistant)) популярных платформ PalmOS, Handspring и WinCE/PocketPC для обслуживания однопроводных компонентов, в том числе работающих в составе 1-Wire-сетей. При этом, для подключения PDA к однопроводной шине применяют специализированные адаптеры последовательного порта, которые отличаются малым потреблением и построены на базе схемных решений, использующих выше перечисленные микросхемы сопряжения с 1-Wire-линией. Именно такой подход в настоящее время является наиболее рациональным при организации автономных и мобильных 1-Wire-систем.

Проблема подготовки программного обеспечения для управления мастером линии при обслуживании 1-Wire-сетей, также не представляется неразрешимой. Фирмой Dallas Semiconductor Corp. свободно распространяется профессиональный программный пакет разработчика iButton TMEX SDK, являющийся универсальным средством для профессиональных программистов, который значительно упрощает процесс создания программ для обслуживания однопроводных устройств, подключенных через стандартные типы адаптеров к персональным компьютерам, которые оснащены операционной системой Windows. Он содержит комплект отлаженных драйверов и утилит для реализации полномасштабного 1-Wire-протокола. В качестве среды взаимодействия с разработчиком пакет iButton TMEX SDK использует специальный стандартизованный программный API-интерфейс. Кроме того, с fttp-сервера кампании Dallas Semiconductor Corp. свободно доступен ряд примеров реализации 1-Wire-протокола для некоторых, наиболее популярных видов микропроцессоров, а также готовые библиотеки функциональных программных модулей однопроводного интерфейса для различных программных платформ.

Ведомые однопроводные компоненты

Ведомые однопроводные компоненты, содержащие 1-Wire-интерфейс, выпускаются в двух различных видах. Либо в корпусах MicroCAN, похожих внешне на дисковый металлический аккумулятор, либо в обычных корпусах для монтажа на печатную плату. Футляр MicroCAN полый внутри. Он выполняет функцию защиты содержащегося в нем полупроводникового кристалла однопроводной микросхемы, который соединен с внешним миром лишь через две, изолированные друг от друга, половинки корпуса, являющиеся по существу контактными площадками для подключения однопроводной линии. В подобных "таблеточных" корпусах поставляются, как правило, приборы iButton. Компоненты, которые предназначены для использования в составе 1-Wire-сетей, упаковываются в пластиковые корпуса, используемые для изготовления транзисторов и интегральных схем. Такой подход объясняется тем, что в отличие от устройств iButton однопроводные приборы для 1-Wire-сетей часто имеют более двух выводов. Помимо выводов, которые требуются для обмена данными по однопроводной магистрали, они располагают дополнительными выводами необходимыми, для обеспечения их питания и организации внешних цепей, связывающих такие приборы с объектами автоматизации, например, датчиками или исполнительными устройствами.

К наиболее простым ведомым однопроводным компонентам относятся кремневый серийный номер DS2401 (или модифицированный вариант этого прибора с внешним питанием DS2411) и электронный ключ DS2405, управляемый по 1-Wire-интерфейсу. Первое из этих устройств часто используется в качестве электронной метки, которая позволяет идентифицировать состояние, например, механического переключателя, коммутирующего линию данных однопроводного интерфейса. С помощью DS2405 можно дистанционно осуществить простейшие функции переключения внешнего оборудования, изменяя состояние управляемого ключа относительно возвратного проводника 1-Wire-магистрали.

Четырехканальный однопроводной АЦП типа DS2450 и двухканальный однопроводной счетчик, совмещенный с буферной памятью, типа DS2423 позволяют решать задачи, связанные с оцифровкой аналоговых и импульсно-временных сигналов. Первое из этих устройств по существу разрешает проблему обслуживания источников аналоговой информации в составе 1-Wire-сетей, к которым относится большинство выпускаемых в настоящее время датчиков различных физических величин (давление, вес, напряжение, влажность, ток, освещенность, ускорение, та же температура, но в диапазонах недоступных для регистрации посредством использования цифровых термометров и т.д.). Второй прибор может с успехом обслуживать многие виды применяемых в технике импульсных сенсоров (различные оптические счетчики, сенсоры количества оборотов, выходной сигнал с расходомеров-вертушек, емкостные датчики влажности, включенные в задающие цепи управляемых генераторов импульсов, счетчики уровня радиации, интегрирующие преобразователи напряжения в частоту и т.д.).

Но все-таки наиболее незаменимыми "кирпичиками", лежащими в основе фундамента однопроводных сетей автоматизации, являются универсальные сдвоенные адресуемые транзисторные ключи типа DS2406P (современная версия широко известных приборов DS2407P).

На базе этих устройств может быть реализована масса применений, и, прежде всего, узлы контроля логических состояний (уровней) и схемы обслуживания датчиков "сухого контакта", а также разнообразные ключевые схемы. Таким образом, именно благодаря использованию этих компонентов осуществляется сбор дискретной информации с территориально рассредоточенных датчиков (мониторов дверей, контакторов положения арматуры, любых датчиков имеющих выход ДА/НЕТ, как-то датчики положения, прохода, присутствия, пожарной и охранной сигнализации и т.д.). Подобные же приборы обеспечивают управление переключением любых видов силового оборудования, которые имеют два рабочих состояния: включено/выключено (нагревателей, кондиционеров, моторов, вентиляторов, арматурных задвижек и т.д.). Кроме того, двунаправленные, индивидуально программируемые выводы DS2406P могут быть использованы для организации медленного последовательного интерфейса между локальным микроконтроллером и 1-Wire-сетью. Не смотря на невысокую скорость при реализации подобного способа обмена информацией по однопроводной сети, когда один бит данных передается за две стандартные посылки, такое решение является приемлемым и достаточно надежным для большого числа конкретных применений.

Тем не менее, самой фирмой Dallas Semiconductor Corp. в качестве стандартного "мостика" обмена между любыми схемами, построенными на микроконтроллерах различных типов, и 1-Wire-сетями рекомендуется применение специализированной двухпортовой статической памяти DS2404. Поскольку к массиву памяти этого прибора возможен доступ, как со стороны однопроводной шины, так и со стороны подчиненного последовательного интерфейса, управляемого микроконтроллером, обмен информацией между ведущим сети и подчиненным интеллектуальным устройством, решающим какую-либо локальную задачу, производится достаточно легко. Более того, благодаря наличию в составе микросхемы DS2404 дополнительного узла часов реального времени и календаря, возможно снабжение данных, сохраняемых процессором в общем массиве памяти, индивидуальными временными метками.

На базе узла часов реального времени кристалла DS2404 кампанией Dallas Semiconductor Corp. выпускается еще два компонента, весьма полезных для создания однопроводных систем автоматизации. Это устройства DS2415 и DS2417. Применяя любой из этих приборов можно организовать дешевые часы/календарь с однопроводным сетевым интерфейсом. Кроме того, второе устройство благодаря наличию в его составе отдельного вывода прерывания, может также дополнительно управлять по времени переключением внешнего оборудования или обеспечивать синхронизацию работы других устройств с процессами, происходящими на 1-Wire-линии.

Значительно расширяет возможности однопроводных сетей по аналоговому управлению рассредоточенным, в том числе силовым, оборудованием цифровой потенциометр DS2890 укомплектованный сетевым 1-Wire-интерфейсом. Используя этот прибор можно создавать самые разнообразные системы удаленного безударного управления, благодаря возможности плавного изменения аналогового регулирующего сигнала по 256 градациям.

При всем многообразии однопроводных компонентов, очевидно, что наиболее универсальным из них является уникальный прибор DS2408. Это индивидуально двунаправленный восьмиразрядный свободно поразрядно программируемый по 1-Wire-шине порт ввода/вывода, который позволяет реализовать любой интерфейс между внешним устройством произвольной модификации и однопроводной линией. Этот прибор имеет двунаправленный вывод внешней синхронизации, обеспечивающий аппаратное тактирование передаваемых или принимаемых данных. Использование микросхемы DS2408 позволяет обеспечить управление посредством 1-Wire-шины: сосредоточенным двунаправленным вводом/выводом по 8 независимым каналам, приводом светодинамических, жидкокристаллических индикаторов и дисплеев различных видов, сканированием матричных клавиатур и дискретных датчиков самых различных типов, а так же позволяет реализовать действительно полномасштабный интерфейс с различными типами микроконтроллеров, как в последовательной, так и в параллельной моде.

Некоторые компоненты 1-Wire-сетей содержат в своем составе массив постоянной (однократно заполняемой пользователем) или энергонезависимой памяти того или иного объема. Это позволяет хранить специальную служебную информацию, связанную с применением конкретного компонента и особенностями его использования (идентификатор, территориальное положение, калибровочные коэффициенты, размерность, значение уставок по умолчанию и т.д.), непосредственно в составе однопроводного прибора. Благодаря этому для организации работы каждой новой однопроводной сети не нужно готовить отдельное специальное программное обеспечение, достаточно иметь одну стандартную программу, которая переконфигурируется в зависимости от специфики конкретной системы (конечно, если память всех компонентов 1-Wire-системы заполнена в соответствии с определенными, заранее оговоренными правилами). Если же в процессе работы системы требуется хранить дополнительные объемы информации, в распоряжении разработчика имеются специальные однопроводные приборы, содержащие как постоянную (DS2502/ DS2505/ DS2506), так и энергонезависимую (DS2430A/ DS2432/ DS2433) память различных объемов.

Целый ряд компонентов семейства iButton в корпусах MicroCAN также может быть использован в составе 1-Wire-сетей в качестве ведомых однопроводных устройств, которые решают специфические задачи идентификации, накопления, хранения и переноса информации. Например, для реализации процедуры идентификации в системах промышленной автоматизации обычно достаточно применения распространенных носимых электронных меток DS1990A. А многоточечный температурный мониторинг легко может быть выполнен сетью из нескольких приборов DS1921# или иначе устройств ТЕРМОХРОН, каждое из которых регистрирует температурные значения, измеренные через определённые, заранее заданные, промежутки времени и сохраняет полученную информацию в собственной энергонезависимой памяти, по существу, являясь программируемым "температурным магнитофоном". Для решения проблемы переноса данных, накопленных автономной 1-Wire-системой, к персональному компьютеру выпускаются разнообразные приборы iButton, которые в этом случае играют роль, так называемых, "транспортных таблеток". К подобным устройствам, прежде всего, относятся приборы энергонезависимой памяти, включающие в состав своей конструкции литиевый элемент питания. Это целый ряд "таблеток" начиная с DS1992 (1Кбит) до DS1996 (64Кбита), и среди них, конечно, модификация DS1994 (4Кбита), содержащая дополнительно узел часов реального времени, удобный для генерации временных меток сохраняемых данных или для организации автономных логгеров ресурса.

Кроме того, для этих же целей могут быть использованы приборы с электрически стираемой памятью типа EEPROM модификаций DS1971(32байта), DS1973(512байт) и DS1977(32Кбайта). При перемещении больших массивов информации "транспортную таблетку" удобно использовать совместно с адаптером USB-порта типа DS9490B, который обеспечивает высокую скорость передачи при обмене данными между устройством iButton и персональным компьютером. Если же речь идет только о решении задачи накопления и хранения данных в 1-Wire-сети, любая из перечисленных выше "транспортных таблеток" может быть легко включена в состав подобной сети. При этом для подключения приборов в корпусах MicroCAN к проводникам однопроводной линии используют специальные защелки типа DS9100 или DS9098P, или же более простые зажимы типа DS9094.

С точки зрения схемотехнической реализации однопроводного интерфейса и устойчивости работы на проблемных линиях все ведомые однопроводные компоненты исторически отличаются друг от друга, делясь при этом на группы:
1. DS2401, DS2405 - первые приборы с 1-Wire-интерфейсом в пластиковых корпусах, полностью аналогичны по схемотехнике первым моделям приборов iButton, которые были ориентированные для работы на коротких шинах (до 1994 года),
2. DS1820, DS2407P, DS2450, DS2404, DS2415, DS2417, DS1920 и т.д. - вторая версия, специально ориентированная для работы на длинных линиях (до 2000 года сейчас эти компоненты в основном снимаются с производства),
3. DS18S20, DS18B20, DS1822, DS2438, DS2406P, DS2409, DS2890, DS1973 и т.д. - третий вариант, более устойчивый к коллизиям на 1-Wire-магистрали по сравнению с предыдущим (с 2000 года),
4. DS2411, DS2408, DS1921#, DS1977 и т.д. - последний вариант, наиболее удачной по надежности схемотехники 1-Wire-интерфейса (c 2003 года).

Линия связи и топология

Большую роль при построении 1-Wire-сетей играет исполнение однопроводной линии связи. Как правило, такие линии имеют структуру, состоящую из трех основных проводников: DATA - шина данных, RET - возвратный или земляной провод, EXT_POWER - внешнее питание не только обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с ниже следующей Таблицей различают три основных варианта качества организации 1-Wire-сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии.

Часто при организации сложных однопроводных сетей, с целью удобства проводки линии связи, уменьшения ее протяженности или снижения электрической нагрузки на линии благодаря уменьшению одновременно работающих на ней устройств, необходимо обеспечить древовидную или лучевую структуру магистрали, значительно отличающуюся от структуры общей шины. Для этого используют ветвления 1-Wire-сетей одного или нескольких уровней. Основным элементом при построении таких ветвей является либо обычный адресуемый ключ типа DS2406, который обеспечивает ветвление благодаря коммутации возвратного провода однопроводной линии, либо специализированный ветвитель DS2409, коммутирующий непосредственно шину данных 1-Wire-линии. Последний вариант является более предпочтительным т.к. компоненты на отключенной ветви, ведомой ветвителем, остаются всегда в активном состоянии. Поочередное обслуживание мастером сети каждой из ветвей, при отключенных остальных ветвях, позволяет значительно увеличить общую длину линии и количество ведомых устройств на ней.

Если же организация 1-Wire-системы на базе персонального компьютера связанна с особыми трудностями, наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM-порта типа LINK. Он реализован на базе микропроцессора. При этом, устройство, полностью эмулируя со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U, производства Dallas Semiconductor Corp., и таким образом поддерживая все разработанное ранее для персональных компьютеров программное обеспечение, благодаря встроенным собственным интеллектуальным ресурсам реализует льготный режим работы однопроводных приборов на проблемных 1-Wire-линиях в условиях сложной помеховой обстановки. LINK многократно улучшает механизм активной подтяжки на линии, что позволяет действительно получать идеальные сигналы обмена при длинах кабеля более 300 метров и числе сопровождаемых однопроводных компонентов большем 100шт, а использование процессором прибора алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой однопроводной линии к электромагнитным помехам.

Применения

О признании однопроводной шины в качестве международного стандарта и серьезности отношения к этому интерфейсу со стороны маститых разработчиков и производителей электроники говорят многочисленные факты. Например, нет практически ни одного универсального микроконтроллера, в литературе по применению которого не обсуждались бы способы организации на его базе мастера однопроводной линии.

Наиболее последовательно отстаивает линию на использование технологии 1-Wire-сетей в области автоматизации американская фирма Embedded Data Systems, LLC (приемница PointSix, Inc.). Можно сказать, что эта кампания сделала себе имя на внедрение и пропаганде достижений однопроводной шины в области автоматизации. И это, не смотря на то, что основной областью ее деятельности является не автоматизация оранжерей и не создание систем пожарной сигнализации, а разработка средств и систем для обслуживания высокотехнологичных отраслей машиностроения и химической промышленности, и даже создание уникального экспериментального и научного оборудования. Подтверждением этому служит широчайший спектр продукции, который выпускается фирмой (разнообразные зонды для измерения высоких и низких температур, датчики влажности, давления и кислотности с особыми функциями, специальные оптические сенсоры, платы сбора информации, устройства сопряжения с различным аналитическим оборудованием и многое другое), причем каждый из приборов содержит элементы однопроводной технологии.

К перспективным примерам в области применения 1-Wire-технологии для автоматизации, несомненно, можно отнести деятельность таких известных мировых производителей как SYSTRONIX или AAG Electronica. LLC.

Линейки законченных инструментальных средств, а также многочисленные примеры их использования, и высокий рейтинг продаж поставляемых изделий, позволяют говорить об успешности и востребованности концепции однопроводной шины применяемой этими фирмами для решения самых разнообразных проблем распределенной автоматизации.

Другим примером, наглядно демонстрирующим на практике возможности технологии однопроводной шины, является проект построения полностью автоматических метеорологических станций (1-Wire Weather Station), который разрабатывался совместно фирмами PointSix, Inc., AAG Electronica LLC, Dallas Semiconductor Corp. и Texas Weather Instruments, Inc. Вначале (еще в середине 90-х годов) было создано несколько экспериментальных систем, построенных на базе ведущего персонального компьютера с адаптером DS9097U, который является сердцем комплекса, из трех термометров DS18S20, выполняющих контроль температуры, микросхемы DS2438 для обслуживания датчика влажности воздуха, компонента DS2423 для определения скорости ветра и 16-ти электронных меток DS2401 определяющих его направление. Эти первые метеосистемы были установлены и успешно испытаны в процессе длительной эксплуатации в штате Техас. Причем отдельные из них комплектовались дополнительными однопроводными решениями, которые обеспечивали контроль сигналов от датчиков: барометрического давления, разрядов молнии, количества осадков на поверхности, солнечной активности, влажности почвы и т.д. Данные со всех сенсоров, регистрируемые каждой из подобных систем, поступали в персональный компьютер и через Интернет транслировались в режиме реального времени на центральный операторский пульт, где выполнялся прием и архивация данных о погоде региона, получаемый благодаря анализу информации от нескольких территориально рассредоточенных станций. После успешного завершения проекта Texas Weather Instruments Inc. уже на протяжении нескольких лет успешно торгует готовыми полностью автоматическими метеостанциями, не требующими обслуживания человеком. Причем популярность подобных устройств настолько велика по всему миру, что фирма Dallas Semiconductor Corp. была вынуждена начать производство специализированного набора микросхем WS-1, который включает комплект однопроводных компонентов, минимально необходимый для построения подобной станции. А полную комплектацию подобных систем для многочисленных пользователей со всего мира, включая платы для самостоятельной сборки, сертифицированные механические и конструкционные элементы, выполняет фирма AAG Electronica LLC.

Довольно перспективной областью, в которой в полной мере используются преимущества технологии 1-Wire-сетей, и которой, особенно много внимания уделяет кампания Dallas Semiconductor Corp. является менеджмент автономных химических источников тока - аккумуляторных батарей. Под менеджментом здесь понимается, - прежде всего, строгая и полная идентификация источников энергии, сохранение в памяти каждого отдельного встроенного в батарею электронного устройства особенностей ее изготовления и индивидуальных технических характеристик, наиболее полный мониторинг их основных эксплуатационных параметров на протяжении всего срока службы, а также формирование корректного управляющего воздействия, связанного с восстановлением заряда обслуживаемого автономного источника энергии. От правильного менеджмента и знания истории эксплуатации батареи во многом зависит выбор алгоритма ее повторного заряда, что непосредственно связанно с эффективностью использования и сроком службы многих типов аккумуляторов. Для этого каждая из батарей многоэлементных энергетических конструкций (особенно для мобильных устройств и средств бесперебойного питания) снабжается индивидуальным однопроводным компонентом, превращаясь по существу в интеллектуальный системный элемент автономного питания. Целый ряд микросхем, выпускаемых фирмой, связан с этим направлением. Dallas Semiconductor Corp. сегодня доминирует на рынке интеллектуальных систем обслуживания автономных источников питания, исповедуя при этом новый комплексный сетевой подход к проблеме менеджмента энергетических элементов. При этом, используются 1-Wire-решения, позволяющие организовать многоточечную шину обслуживания устройств менеджмента и управления зарядом, что дает возможность сопровождать не только отдельные источники энергии, но и целые батареи, составленные из множества отдельных подобных элементов. Более того, подобные устройства способны обеспечить не только идентификацию или простейший температурный контроль аккумуляторов, но и полномасштабный мониторинг их основных параметров (напряжение, ток, разряд, контроль "короткого замыкания" и т.д.) на протяжении всего времени эксплуатации. Результаты, накопленные такими приборами, сохраняются во встроенной энергонезависимой памяти либо в виде гистограммы (DS2436), либо в виде массива последовательных отсчетов "привязанных" к временным меткам (DS2438).

В настоящее время кампания Dallas Semiconductor Corp. выпускает целый ряд прецизионный кристаллов для мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений (DS2720, DS2740, DS2751, DS2770 и т.д.). К ним, в том числе, относятся кристаллы семейства DS276#, которые в отличие от иных модификаций подобных устройств, требующих внешней обвязки с использованием прецизионных и стабильных пассивных компонентов, обеспечивают более высокую точность при контроле тока, расходуемого контролируемой батареей. Это достигается, в том числе, за счет встроенной калиброванной резистивной схемы (шунта), выполненной по специальной полупроводниковой технологии, а также благодаря наличию в составе подобных приборов специального аппаратно-программного механизма предварительной калибровки.

Ограничения и сопряжение с промышленными сетями

Безусловно, 1-Wire-сети имеют свою нишу для применения при построении систем автоматизации. Бессмысленно всерьез использовать их для передачи больших массивов информации, при построении, к примеру, систем видео-наблюдения или скоростного обмена, связанных с обслуживанием быстрых процессов, или же сравнивать возможности однопроводных сетей с такими мощными сетевыми промышленными интерфейсами, как ProfiBus, FeldBus, LonWorks, CAN, Industrial Internet и т.д. Можно даже сформулировать основные на сегодняшний день ограничения для применения систем на базе однопроводных 1-Wire-сетей в области автоматизации:

• необходимость непрерывной временной синхронизации или синхронной работы отдельных устройств в сети (эта проблема может быть решена вводом в структуру шины сети дополнительной линии для передачи сигнала общей синхронизации),
• низкая скорость обмена информацией, и как следствие невозможность высокой динамики при обслуживании быстрых процессов в режиме реального времени (если контролируемый быстрый процесс является относительно непродолжительным, локальный микроконтроллер в составе однопроводной шины может обслужить его, сохранив результирующие данные в буферной памяти, а затем уже осуществить их передачу непосредственно к мастеру),
• сложность в реализации мультимастерного режима работы сети (специализированный ветвитель 1-Wire-сетей DS2409 разрешает проблему конфликтов между несколькими ведущими на одной однопроводной шине).

Как видно из замечаний приведенных в скобках, даже эти очевидные для 1-Wire-сетей, трудности не являются непреодолимыми. Более того, существуют подходы, позволяющие органично интегрировать медленные однопроводные территориально рассредоточенные структуры в состав таких производительных сетей как CAN и Industrial Internet. Это достижимо благодаря применению специальных аппаратно-программных решений, реализуемых на базе современных микроконтроллеров, а так же уникального инструмента кампании Dallas Semiconductor Corp. - устройства TINI (Tiny InterNet Interface ).

TINI400 - это целая микросистема, основой которой является центральный процессор, реализованный на высокопроизводительном сетевом микроконтроллере DS80С400, который объединяет ресурсы целого ряда наиболее распространенных сетевых интерфейсов, как-то: RS232, 1-Wire, CAN 2.0B, Ethernet, не говоря о возможности использования параллельной шестнадцатиразрядной синхронной магистрали, а также автономных узлов для организации стандартных локальных последовательных интерфейсов I2C и SPI. Кроме того, плата TINI400 содержит 1Мбайт программной Flash-памяти, 1Мбайт статического ОЗУ, узел часов реального времени, литиевую батарею и кремниевый идентификационный номер. Работает TINI400 под управлением мощной операционной среды, которая включает в себя поддержку TCP/IP и виртуальной машины Java, которая тщательно отработана и испытана еще на модели TINI предыдущего поколения - плате TINI390. Последнее определяется тем фактом, что технология программной поддержки для TINI390 на протяжении нескольких лет развивалась специалистами Dallas Semiconductor Corp. совместно с сотрудниками компании Sun Microsystems, Inc., являясь при этом полностью открытым проектом. Такой подход позволил иметь максимально эффективную обратную связь с конечными пользователями, что помогло выявить и устранить большинство недостатков программного обеспечения. И сейчас на сайте Dallas Semiconductor Corp. можно найти всю необходимую документацию и средства разработки программного обеспечения, что значительно облегчает построение на базе устройства TINI локальных однопроводных систем удаленного контроля и управления, объединяющих достоинства быстрых и производительных, но дорогих, и медленных, но дешевых и эффективных интерфейсов.

В заключении необходимо еще раз отметить безусловную эффективность и рациональность использования технологии 1-Wire при построении систем автоматизации контроля и управления для разнообразного рассредоточенного оборудования, когда не требуется высокая скорость при обслуживании, но необходима существенная гибкость и наращиваемость при не высоких затратах на реализацию.

Цель этой статьи - рассказать, как использовать эти датчики (или другие устройства сети) в суровых "полевых условиях". Не секрет, что на столе под лампой светлой цифровой датчик DS18B20 или его бюджетный брат DS18S20 замечательно работает с минимальным обвязом со стороны микроконтроллера в т.н. двухпроводной схеме:

Дополнительная выделенная линия питания сулит нам следующие "бонусы":

1. Длина сетевого кабеля 100 метров и более;
2. Количество одновременно подключенных датчиков - не менее 32шт.;
3. Разрешающая способность АЦП - 0,0625 °C и точность измерения - 1°C.

Однако, еще остается борьба с помехами на длинных линиях связи. Простейшей защитой является включенный в обратном направлении диод Шоттки между линией данный и общим проводом, именно так советует поступать Brian C. Lane , автор популярного проекта DigiTemp . Мы лишь немного расширим данное решение для трехпроводной схемы включения:

L1, L2 - фербиды BLM21AG221SN1D - индуктивности для защиты от высокочастотных помех, возникающих при коммутации сильноточных потребителей;

C1 - керамический конденсатор, естественный спутник ножек питания цифровой микросхемы;

IC1 - собственно цифровой датчик температуры DS18B20Z в корпусе SOIC8.

Все компоненты - SMD (0805 и SOT23) для уменьшения размера платы датчика:

После сборки, плата температурного датчика выглядит следующим образом:

Обязательно защищаем плату датчика от влаги (цапонлаком или акриловым лаком):

Для монтажа датчика на поверхность, например на трубопровод, очень хорошо подходит самовулканизирующаяся резиновая изолента. Кроме того, необходимо хорошо теплоизолировать точку установки датчика. Я использую пористую самоклеющуюся ленту.

Контактные площадки для пайки кабеля сети 1-Wire сознательно сделаны крупными и вот почему...

Трактат о проводочках кабеля

Самой распространенной ошибкой при построении сети 1-Wire является выбор в пользу Ethernet-кабеля Cat.5 ! Подавляющее большинство читателей скажет - "у нас все очень хорошо и бодро работает на обрезках сетевухи ". Не спорю ни в коем случае, кабель Cat.5 длиной 10..30 м вполне годится для 3-х проводного способа подключения датчиков, более того - вот вам рекомендованная схема использования народного кабеля, которую и сам использую на даче для водоснабжения дома:

"Ну таки и в чем дело?" - скажет проницательный читатель. А вот в чем: в кардинальном различии "физики и логики" сетей Ethernet и 1-Wire. Не вдаваясь в сложности организации сети Ethernet, просто прошу поверить (и с мультиметром про верить) в то, что из-за значительного падения напряжения на длинных и весьма тонких проводах кабеля Cat.5e датчику сети 1-Wire банально не хватает напряжения питания !