Однопроводной интерфейс 1-Wire

Стандарт на данный интерфейс создан фирмой Dallas Semiconductor. Разработка интерфейса для изделий в двухвыводном корпусе понадобилась для реализации микросхемы памяти.

Ориентированность l-Wire на двухвыводные компоненты вызвала к жизни идею «паразитного питания». Для питания портов и связанных с ними целевых устройств по линии передачи данных подаются импульсы, заряжающие встроенные в порт конденсаторы. Разряжаясь, они обеспечивают питание. При включении системы подается длинный импульс, позволяющий зарядить полностью разряженные емкости, в ходе работы подаются короткие, поддерживающие заряд импульсы (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Работа портов интерфейса 1-Wire в режиме паразитного питания

Для работы портов в режиме паразитного питания на линии передачи данных должны постоянно присутствовать импульсы напряжением не менее 2,8 В. После сигнала «Сброс» следует длинный импульс, позволяющий зарядить разряженные питающие конденсаторы портов. В ходе обмена данными в начале каждого бита обязательно присутствует короткий импульс, поддерживающий заряд конденсаторов. Dallas Semiconductor принял решение записывать уникальный адрес устройства при изготовлении, что привело к вводу очень длинных адресов (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Структура адреса порта интерфейса 1-Wire

Общая длина адреса 8 байт. Код типа изделия определяет наименование типа изделия. Серийный номер уникален для изделий данного типа, записывается при производстве и не может быть изменен. Контрольная сумма формируется методом циклического суммирования, защищает адрес от ошибок передачи. Столь длинный адрес устройства снижает полезную производительность интерфейса.

В каждой 1-Wire-системе обязательно присутствует только один контроллер, управляющий обменом данными и другими операциями, все другие порты являются ведомыми оконечными устройствами. Они могут только отрабатывать команды контроллера и выставлять прерывания.

Особая роль контроллера определяет резкое отличие его реализации и функций от оконечных устройств:

• контроллер не имеет адреса, так как к нему нет обращений со стороны оконечных устройств;

• контроллер должен обеспечить паразитное питание оконечных устройств;

• контроллер должен управлять всеми операциями на шине и всеми оконечными устройствами.

Обмен данными производится в уровнях микросхем КМОП/ТТЛ (уровень логического «0» – не более 0,8 В, уровень логической «1» – не менее 2,2 В). В начале каждого бита обмена данными контроллер выставляет импульс подзарядки. Все выходные цепи контроллера и оконечных устройств построены по схеме с общим затвором. К напряжению питания линия обмена данными подключена через «подтягивающий» резистор или заменяющий его источник тока. Поэтому верхнюю «полку» импульса формирует «подтягивающий» резистор, а отрицательный перепад в его конце – выходной транзистор линейного передатчика контроллера. Этот перепад запускает таймер ожидания достоверных данных.

Через заданный промежуток времени бит данных на линии считается достоверным и может быть принят приемником контроллера или оконечного устройства. При передаче уровня логического «0» открытый выходной транзистор передатчика удерживает напряжение на линии в низком логическом уровне. При передаче уровня логической «1» при закрытых выходных транзисторах всех портов «подтягивающий» резистор возвращает линию в высокий логический уровень. Положительный перепад длиннее отрицательного, так как сопротивление цепи в этом случае больше. Форма и длительность перепада зависят от параметров линии передачи данных и «подтягивающего» резистора.

При передаче данных от контроллера к оконечному устройству нижнюю «полку» логического «0» формирует контроллер, при передаче от оконечного устройства к контроллеру – оконечное устройство.

Таймеры ожидания достоверных данных в каждом оконечном устройстве работают от собственных тактирующих генераторов. Из-за крайней ограниченности энергетических ресурсов при «паразитном питании» стабильность их частот очень низкая. Время прохождения и длительность фронтов сильно зависят от параметров линии передачи данных. По этим причинам в стандарте заложен более чем 100-процентный разброс времени срабатывания таймера. Необходимость учитывать этот разброс ограничивает производительность интерфейса 1-Wire (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Временные диаграммы передачи данных интерфейса 1-Wire

Контроллер управляет оконечными устройствами при помощи заложенных в стандарт команд. Код команды имеет длину 1 байт и передается в начале каждого обмена данными. После команды следует передача адреса или обмен данными. Каждый порт интерфейса 1-Wire имеет заложенный в него при производстве уникальный адрес.

После включения системы, или там, где предполагается «горячее» подключение-отключение портов, контроллер должен определить состав подключенных портов. Имеется алгоритм с множеством повторяющихся циклов. Программирование не представляет проблемы, но выполнение операции занимает значительное время.

Инициализируя поиск портов и определение их адресов, контроллер выдает команду поиска. После приема этой команды в течение двух следующих циклов обмена все порты передают сначала прямое, а затем инверсное значение первого бита адреса.

Если оно у всех портов равно нулю, то на линии будет присутствовать кодовая комбинация 01. Если у всех портов оно равно единице, то – 10. Если у некоторых портов единица, а у некоторых нуль, то, за счет схемы «монтажное И», на линии будет присутствовать кодовая комбинация 00.

Затем контроллер выставляет значение «единица» или «нуль», порты с соответствующим значением бита адреса остаются активными, а с инверсным битом адреса переходят в отключенное состояние.

Оставшиеся активными порты в течение следующих двух циклов передают прямое и инверсное значения следующего бита адреса. Весь цикл повторяется до тех пор, пока не будет определен адрес одного из портов.

Для активизации ранее отключенных портов контроллер выдает импульс сброса. Далее перебором всех возможных значений происходит поиск остальных портов.

Фирма Dallas Semiconductor выпускает широкий спектр изделий с портами интерфейса 1-Wire. Это приборы в таблеточных двухвыводных корпусах серии iButton, включающие датчики и регистраторы температуры, память, таймеры реального времени и «цифровые метки», – простейшие устройства, «умеющие» только возвращать значение своего адреса. Такие устройства находят широкое применение в качестве ключей электронных замков, систем ограничения доступа и т. п.

Отсутствие гальванической развязки и шинная структура интерфейса ограничивают размер системы, для ее сегментирования фирма Dallas Semiconductor выпускает ответвители (DS2409) – специальные порты, к которым подключены переключатели ветвей интерфейса.

Применение интерфейса 1-Wire весьма оправдано для систем сбора данных и управления с небольшой производительностью.