Opis warstwy fizycznej interfejsu 1-wire.pdf

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Aktualizacja: 2004-12-29

Magistrala 1-Wire:

Opis warstwy fizycznej interfejsu.

Oryginalnie, skonstruowany przez firmę DALLAS SEMICONDUCTOR, interfejs 1-Wire (One Wire)

przeznaczony był do komunikacji na bardzo małe odległości. Został opracowany w celu podłączenia

układu peryferyjnego do mikrokontrolera z użyciem tylko jednego wyprowadzenia. Miał być odpowiedzią

na pytanie: co zrobić, gdy pamięć RAM mikrokontrolera jest za mała aby pomieścić wszystkie zmienne i

jednocześnie zbyt trudno jest zmienić mikrokontroler na inny albo też brak w linii produkcyjnej takiego,

który spełniałby wymagania?

Podstawy protokołu komunikacyjnego 1-Wire

Początkowo protokół komunikacyjny opracowany z tą myślą, był bardzo podatny na zakłócenia transmisji

i w związku z tym układy mogły być podłączane wyłączenie lokalnie. Wkrótce jednak klienci, używający

produktów z interfejsem 1-Wire, zaczęli domagać się rozwiązań umożliwiających wydłużenie połączenia.

Wówczas to opracowano zupełnie nowe protokoły transmisji danych uwzględniające większe długości

połączeń, pracę w sieci i mechanizmy kontroli przesyłanych danych.

Podobnie jak w większości interfejsów szeregowych, również i w 1-Wire transmisja przebiega w

konfiguracji master – slave. Układ master wyszukuje i adresuje układ slave, steruje przepływem danych,

wysyła sygnał zegarowy. Dane przesyłane są synchronicznie z prędkością od bliskiej 0 do 16,3 kbps w

trybie standard oraz do 115 kbps w trybie overdrive. Każde opadające zbocze sygnału inicjuje i

synchronizuje przesyłany bit. Czas trwania bitu jest ściśle określony i wynosi 60 µs + 1 µs na tak zwany

recovery time . Wyznacza on maksymalną prędkość transmisji w trybie standard (1 / 61 µs = 16,3 kbps).

Po opadającym zboczu sygnału musi upłynąć czas potrzebny na „upewnienie się”, że nie jest to

zakłócenie pojawiające się na linii. Później następuje już właściwa dla przesyłanego bitu zmiana stanu linii

interfejsu. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiają sposób przesłania bitu o wartości logicznej „0” i „1”.

Praktycznie różnią się one od siebie czasem trwania stanu niskiego. Przesyłane są słowa jednobajtowe.

Jako pierwszy transmitowany jest bit mniej znaczący.

Pewną trudność w implementacji, jak również podstawową zaletę, stanowi fakt, że dane i zasilanie

przesyłane są z wykorzystaniem wspólnego przewodu, toteż do połączenia nawet skomplikowanych sieci

układów z interfejsem 1-Wire wymagana jest tylko jedna para przewodów, z których jeden wiedzie masę

a drugi napięcie zasilania i dane. Typowo linia interfejsu 1-Wire znajduje się w stanie wysokim a układy

zasilanie są przez rezystor pull-up. Zbyt długie utrzymywanie stanu niskiego powoduje brak zasilania i

może być przyczyną wadliwej pracy. Tak więc stan niski na linii powinien się pojawiać tylko wtedy, gdy

jest on niezbędny do przesłania bitu informacji.

Protokół transmisyjny oraz wymagania układów pracujących pod kontrolą magistrali 1-Wire są na tyle

skromne, że obsługą transmisji może się zajmować typowy mikrokontroler wyposażony w typową linię

portu wejścia / wyjścia. Zazwyczaj jednak wartość rezystorów pull-up podłączonych wewnątrz

mikrokontrolera sięga 100 k W i dlatego też prąd płynący przez ten rezystor jest zbyt mały, aby zasilić

urządzenia podłączone do linii interfejsu. Podłącza się więc, równolegle z wewnętrznym rezystorem

mikrokontrolera albo też wówczas, gdy port jest typu otwarty kolektor lub otwarty dren, rezystor pull-up

o wartości około 5 k W pomiędzy linię 1-Wire i dodatnie napięcie zasilania. Jednak dla niektórych układów i

ten prąd jest za mały. Stosuje się wówczas zwieranie rezystora pull-up na przykład przez równolegle

połączony z nim tranzystor na czas konwersji przesłanej próbki, czy też zewnętrznych danych.

Czasami układy pamięci EEPROM wymagają wyższego niż 5V napięcia programującego. W takich

sytuacjach przeważnie stosowane jest napięcie 12V załączane na czas programowania bitu danych.

Należy jednak uważać, aby w czasie zapisu pamięci EEPROM nie uszkodzić innych, podłączonych do

wspólnego przewodu układów.

start następnego

cyklu

Rysunek 1. 1-Wire, przesłanie „1”

J.Bogusz „Magistrala 1-Wire”, Strona 1 z 9

http://www.easy-soft.tsnet.pl

start następnego

cyklu

Rysunek 2. 1-Wire, przesłanie „0”

sygnał reset wysłany przez master

zgłoszenie obecności

przez układ slave

Rysunek 3. 1-Wire, sekwencja „reset” wysłana przez układ master oraz następujące po niej zgłoszenie

układu slave

Opis

Symbol

Wartość

minimalna maksymalna

Jednostka

Czas trwania pojedynczego bitu

t SPON

120

µs

Czas odtwarzania warunków zasilania

t REC

µs

Czas trwania przesyłanego bitu „0”

t LOW0

120

µs

Czas trwania przysyłanego bitu „1”

t LOW1

µs

Czas trwania ważnego bitu danych

t RDV

µs

Czas trwania stanu wysokiego sekwencji „reset” t RSTH

480

µs

Czas trwania stanu niskiego sekwencji „reset”

t RSTL

480

µs

Czas trwania stanu wysokiego do zgłoszenia

układu slave po „reset”

t PDHIGH

µs

Czas trwania stanu niskiego – zgłoszenie

obecności przez slave

t PDLOW

240

µs

Tabela 1 . Zestawienie czasów charakterystycznych dla transmisji w standardzie 1-Wire.

Jedną z cech urządzeń z interfejsem 1-Wire jest unikatowy, ośmiobajtowy kod zapisany w pamięci ROM.

Producent gwarantuje, że kod ten jest niepowtarzalny i właściwy tylko i wyłącznie pojedynczemu

układowi scalonemu. Trzeba przyznać, że liczba dostępnych kombinacji jest bardzo duża. Najmniej

znaczący bajt zawiera kod grupy układów. W związku z tym, że więcej niż jeden układ może należeć do

danej grupy, młodsza część identyfikatora może być taka sama dla różnych układów. Następne 6 bajtów

zawiera unikatowy kod, ustalany w czasie produkcji. Ten unikatowy numer stanowi rodzaj adresu dla

każdego z układów z interfejsem 1-Wire – będzie się nim posługiwał układ master odwołując się do

konkretnego układu slave. Najbardziej znaczący bajt zawiera sumę kontrolną, tak zwane CRC (Cyclic

Redundancy Check). Jest ona wyliczana na podstawie poprzednich siedmiu bajtów i została ustalona w

czasie produkcji układu oraz na stałe zapisana w pamięci ROM. Podobnie przesyłane są wszystkie dane

odbierane czy też wysyłane przez układ master. Dla upewnienia się, że dane są prawdziwe, musi on

porównać wyliczoną sumę kontrolną CRC z otrzymaną od slave. Jeśli obie te wartości są identyczne,

oznacza to poprawność transmisji.

Typowo, układy wyposażone w interfejs 1-Wire, wyliczają sumę kontrolną na podstawie słowa

jednobajtowego – oznacza się ją jako CRC8. Produkowane są jednak również układy pamięci wyliczające

J.Bogusz „Magistrala 1-Wire”, Strona 2 z 9

http://www.easy-soft.tsnet.pl

sumę kontrolną na podstawie słowa dwubajtowego – oznacza się ją jako CRC16. Metoda wyliczenia jest

bardzo podobna, chociaż przeprowadzana jest dla różnej liczby bitów.

Konstrukcja portów interfejsu

Linią interfejsu 1-Wire może być typowy port mikrokontrolera. Najlepiej jest aby był on typu otwarty

dren, jednak nie jest to warunek konieczny. Typowo używa się rezystora pull-up o wartości około 5 k W ,

ustalającego poziom logiczny linii oraz zasilającego układy 1-Wire.

Pojemność montażowa przewodów ma bezpośredni wpływ na kształt zboczy sygnałów sterujących. Może

się jednak zdarzyć, że układy peryferyjne 1-Wire znajdują się w dosyć dużej odległości od urządzenia

master. Wówczas zaleca się albo stosowanie przełączanej rezystancji pull-up (może ona wręcz być

zwierana przez tranzystor), albo też poprowadzenie zasilania przy pomocy osobnego przewodu, co jest

możliwe dla wielu układów z tej rodziny, na przykład czujników temperatury.

Rysunek 3. Wygląd portów układu master (najczęściej jest nim mikrokontroler) oraz slave

Zarówno port układu master jak i układu slave, są liniami dwukierunkowymi. Dodatkowo linia portu slave

spełnia jeszcze funkcję doprowadzenia napięcia zasilania. Warto tutaj wspomnieć, że stan niski linii 1-

Wire przez okres dłuższy niż 480 µs powoduje faktyczne wyłączenie układu slave a ponowne pojawienie

się stanu wysokiego, powoduje wywołanie funkcji reset po załączeniu napięcia zasilania ( power on reset ).

Rysunek 4. Przykład rozwiązania dynamicznego przełączania rezystancji pull-up

J.Bogusz „Magistrala 1-Wire”, Strona 3 z 9

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Rysunek 5. Sterowanie przełączeniem zasilania linii 1-Wire przez „ominięcie” rezystora pull-up przy

pomocy tranzystora MOS

Jakkolwiek wielokrotnie już wspomniałem o wartości rezystora pull-up rzędu 5 k W nie należy się zbyt

mocno tym sugerować. Wartość ta jest poprawna dla małych pojemności połączeń prowadzonych

lokalnie. W praktyce bardzo często, zwłaszcza dla długich połączeń, stosuje się dużo mniejsze wartości

rezystancji pull-up, nawet rzędu 1 k W .

1-Wire a budowa sieci.

Szeroka gama produktów – zwłaszcza wszelkiego rodzaju układów pomiaru temperatury, wilgotności, czy

innych wielkości fizycznych - wyposażonych w interfejs 1-Wire oraz prostota ich łączenia przy

jednocześnie bardzo małej liczbie przewodów interfejsu, zachęcają wielu konstruktorów do budowy sieci

różnorodnych czujników. Można w ten sposób mierzyć na przykład temperaturę w pomieszczeniach aby

sterować układami klimatyzacji i ogrzewania. Można budować stacje pogodowe z niewielką liczbą

połączeń. Zastosowań jest bardzo dużo. Sieć układów 1-Wire jest bardzo często mieszaniną różnych

czujników i układów funkcjonalnych, różnego rodzaju przewodów i topologii ich połączeń. Rzadko kiedy

spotyka się dwie identyczne sieci – każda z nich jest inna, składa się z innych urządzeń, inaczej i innymi

przewodami poprowadzone są połączenia. Jak w takich warunkach zapewnić poprawne przesyłanie

sygnału?

Budowę należy rozpocząć od warstwy fizycznej, od połączeń. Tak samo, jak każdy sygnał zmienny

przesyłany przez przewody, również sygnały interfejsu 1-Wire podlegają prawom fizyki i chociaż jest to

sygnał raczej o niewielkiej szybkości zmian, również i tutaj bardzo ważnym jest aby zwrócić szczególną

uwagę na jakość połączeń elektrycznych, doprowadzeń i rozgałęzień sygnału i także, co jest bardzo

ważne, na jednorodność kabla przesyłowego. Najlepiej jeśli jest nim kabel telekomunikacyjny - skrętka

kategorii 5. Lepiej do tego celu nie używać kabli energetycznych. Mają one zbyt dużą pojemność, co

może mieć negatywny wpływ na transmisję danych.

Jakkolwiek połączenia pomiędzy układami 1-Wire mogą być poprowadzone w formie zupełnie dowolnej, to

zazwyczaj mieszczą się one w jednej z trzech przedstawionych niżej typowych topologii, właściwych

również innego rodzaju połączeniom:

1) topologia linearna: linia interfejsu 1-Wire to skręcona para przewodów, zaczynająca się od układu

master i prowadzone od niego do układu slave a następnie od układu slave do układu slave; połączenie

kończy się na ostatnim w szeregu układzie slave,

J.Bogusz „Magistrala 1-Wire”, Strona 4 z 9

http://www.easy-soft.tsnet.pl

2) topologia pnia: linia interfejsu prowadzona przy pomocy pojedynczego przewodu głównego od

układu master do najdalej położonego układu slave; poszczególne układy slave dołączane są w formie

„gałęzi” o długości przekraczającej 3 m do „pnia” głównego,

3) topologia gwiazdy: połączenia poszczególnych układów slave zbiegają się w jednym wspólnym

punkcie w pobliżu układu master, albo też bezpośrednio na jego zaciskach połączeniowych.

Każde urządzenie slave podłączone do sieci, powoduje wzrost jej długości. Dzieje się tak nie tylko ze

względu na konieczność wykonania pewnych połączeń, ale również przez wnoszoną w ten sposób

pojemność, co odpowiada sytuacji właściwej przedłużaniu połączenia. Upraszczając można powiedzieć, że

każde urządzenie w obudowie metalowej typu iButton, tak jakby dodatkowy 1 metr przewodu, natomiast

w innej obudowie (plastykowej typu DIP, czy też TO) to 0,5 metra. Stąd też można wyciągnąć wniosek,

że na przykład dwadzieścia czujników temperatury typu DS1820 w obudowie TO-92, to dodatkowe 10

metrów przewodu połączeniowego. Wartość tę należy dodać do ogólnej długości połączeń. Jakkolwiek

długość połączeń jest bardzo ważna ze względu na wiele czynników, to jednak na transmisję danych

bezpośredni wpływ ma ich pojemność.

Często w celu ograniczenia rozmiaru sieci stosuje się topologie mieszane z przełącznikiem

elektronicznym. Przykład takiego rozwiązania znajduje się na rysunku 4. Twórcy interfejsu 1-Wire

przewidzieli, że czasami może być konieczne rozgałęzienie już istniejącej linii sygnałowej. Do takich

J.Bogusz „Magistrala 1-Wire”, Strona 5 z 9

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: