通過串行接口讀寫1-Wire器件

本應(yīng)用筆記介紹了1-Wire協(xié)議在新舊器件中的電氣方面。一個特別的章節(jié)解釋了如何為由新舊1-Wire從機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)確定適當(dāng)?shù)臅r序參數(shù)。1-Wire母版概念部分提供了詳細(xì)討論1-Wire母版的其他文檔以及相關(guān)軟件的參考。

介紹

1994年的一篇應(yīng)用筆記解釋說，1-Wire器件的串行端口接口選項只有微控制器端口引腳、UART和基于UART的COM端口。從那時起，已經(jīng)開發(fā)出用于直接連接到UART、I2C總線或USB端口的特殊驅(qū)動器芯片。與此同時，1-Wire器件的數(shù)量也增長到很長的名單。這些不同的發(fā)展使得有必要更新早期的文檔。本新文檔沒有將所有相關(guān)信息的細(xì)節(jié)合并到一個文檔中，而是盡可能讓讀者參考其他應(yīng)用筆記。

1-Wire器件的技術(shù)演進(jìn)

首批1-Wire器件DS199x系列采用SRAM技術(shù)生產(chǎn)。接下來，非易失性EPROM技術(shù)問世，DS198x和DS250x系列器件問世。這些EPROM器件需要一個12V編程脈沖，并且不可擦除。下一個飛躍是EEPROM技術(shù)，它允許在5V或更低的電壓下進(jìn)行編程和擦除。EEPROM技術(shù)可用于DS197x、DS243x和DS28Exx系列器件。為了確保適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源，EEPROM器件可能需要一個支持“強(qiáng)上拉”的主機(jī)，該器件可暫時繞過具有低阻抗路徑的1-Wire上拉電阻。寫入周期需要額外的功率，DS1977也需要額外的功率。除EEPROM器件外，強(qiáng)上拉還為1-Wire溫度傳感器和特殊功能供電，例如安全1-Wire器件中的SHA-1引擎。溫度記錄儀 i按鈕采用SRAM技術(shù)，因此沒有任何特殊的外部電源要求。?

1-Wire接口

基本信息

1-Wire是唯一一款采用數(shù)據(jù)和地兩個觸點進(jìn)行半雙工雙向通信的基于電壓的數(shù)字系統(tǒng)。1-Wire系統(tǒng)由單個1-Wire主機(jī)和一個或多個1-Wire從機(jī)組成。1-Wire概念既依賴于啟動數(shù)字通信的主設(shè)備，也依賴于與主設(shè)備信號同步的自定時1-Wire從器件。主站和從站的定時邏輯必須測量并生成各種寬度的數(shù)字脈沖?？臻e時，1-Wire總線和工作電壓之間的高阻抗路徑使1-Wire總線處于邏輯高電平狀態(tài)?？偩€上的每個器件必須能夠在適當(dāng)?shù)臅r間使用漏極開路輸出（有線AND）將1-Wire總線拉低。如果由于任何原因需要暫停事務(wù)，則必須使總線保持空閑狀態(tài)，以便事務(wù)可以恢復(fù)。

工作電壓

大多數(shù)1-Wire從器件的工作電壓范圍為2.8V （最小值）至5.25V （最大值）。除少數(shù)例外情況外，1-Wire器件沒有電源引腳;它們從1-Wire總線（寄生電源）或嵌入式電池（一些i按鈕）獲取能量。寄生電源使用片內(nèi)電容（器件專用，800pF或更高）和與電阻串聯(lián)的二極管，在總線電壓高于電容電壓時從1-Wire總線獲取能量。為使寄生蟲電源正常工作，1-Wire器件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的條件 必須滿足。恢復(fù)時間值適用于具有一個從屬設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。對于多從網(wǎng)絡(luò)，需要延長恢復(fù)時間;或者，可以降低上拉電阻值或改用具有有源上拉功能的1-Wire主機(jī)。

額外能量

通常，寄生電源為通信提供足夠的能量，即從1-Wire器件尋址和讀取，以及寫入基于SRAM的器件。寫入EEPROM、讀取DS1977 32KB EEPROM i按鈕以及使用溫度轉(zhuǎn)換器或運(yùn)行SHA-1發(fā)動機(jī)等特殊功能都需要額外的能量。該能量將在協(xié)議中的特定時間在1-Wire總線空閑時提供。

1 線速度

早期的1-Wire器件和基于UART的主電路以高達(dá)16.3kbps的速度進(jìn)行通信，現(xiàn)在稱為“標(biāo)準(zhǔn)速度”。為了將讀取 64K 位內(nèi)存 iButton 所需的時間減少到 1 秒以內(nèi)，添加了稱為“過載”的高速模式。近年來開發(fā)的幾乎所有1-Wire器件都支持過載。

1線定時

數(shù)據(jù)手冊中對1-Wire時序的描述隨時間而變化。大多數(shù)1-Wire數(shù)據(jù)手冊描述分為兩類：傳統(tǒng)風(fēng)格（絕大多數(shù)）和新風(fēng)格。

新式時序描述區(qū)分了主站和從站的視角。這種方法是與新的1-Wire前端一起推出的。新樣式規(guī)定了主機(jī)對從器件性能的要求，并考慮了上升和下降時間對1-Wire總線的影響。傳統(tǒng)的描述風(fēng)格更強(qiáng)調(diào)奴隸的表現(xiàn)，這偶爾會被誤解。兩種描述性樣式對同一參數(shù)使用略有不同的名稱（表 1）;并非一種樣式的所有參數(shù)都與另一種樣式直接匹配。在新樣式中，恢復(fù)時間包含在時隙的長度中;在舊樣式中，不包括恢復(fù)時間。除了這兩種樣式外，DS27xx和DS18xx系列的一些數(shù)據(jù)資料還使用了傳統(tǒng)樣式的不太詳細(xì)的版本。DS1921系列數(shù)據(jù)資料將新型號調(diào)整為沒有新型1-Wire前端的器件。

以下各節(jié)將介紹這兩種樣式的計時說明。

新式時序說明

復(fù)位和存在檢測

1-Wire通信從復(fù)位/存在檢測周期開始（圖1）。要從空閑變?yōu)榛顒樱?-Wire總線上的電壓必須從V下降狗低于閾值，VTL.要從活動變?yōu)榭臻e，電壓需要從V上升ILMAX超過閾值，V千.電壓上升所需的時間在圖1中顯示為“ε”，其持續(xù)時間取決于上拉電阻R狗，以及所連接的1-Wire網(wǎng)絡(luò)的電容。電壓VILMAX在確定邏輯電平時與從站相關(guān)，而不是觸發(fā)任何事件。

如果主站對下降沿使用壓擺率控制，則主站必須下拉線路以獲得RSTL+ 噸F以補(bǔ)償邊緣。一 噸RSTL持續(xù)時間為 480μs 或更長時間將退出過載模式，使器件恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)速度。如果從站處于超驅(qū)動模式并且RSTL不超過80μs，器件保持超驅(qū)動模式。如果從站處于超驅(qū)動模式并且RSTL在 80μs 和 480μs 之間，器件將復(fù)位，但通信速度未定。

總線主站釋放線路后，進(jìn)入接收模式?，F(xiàn)在1-Wire總線被拉至V狗通過上拉電阻。當(dāng)閾值為 V 時千，被交叉，從機(jī)等待 t帕迪亞然后通過將線路拉低來傳輸存在脈沖PDL.為了檢測存在脈沖，主機(jī)必須在t處測試1-Wire線路的邏輯狀態(tài)。NS.該 tRSTH窗口必須至少為 t 的總和PDHMAX， tPDLMAX和 t雷克明.緊跟在 t 之后RSTH已過期，具有新前端的從站已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1.復(fù)位和存在脈沖。

讀/寫時隙

復(fù)位/存在檢測周期完成后，1-Wire從機(jī)即可使用時隙進(jìn)行通信。每個時隙攜帶一個位。寫入時隙將數(shù)據(jù)從總線主站傳輸?shù)綇恼尽Ｗx取時隙將數(shù)據(jù)從從站傳輸?shù)街髡?。圖 2 說明了寫入和讀取時隙的定義。

時隙從主站將數(shù)據(jù)線拉低開始。當(dāng)1-Wire線路上的電壓降至閾值以下時，VTL，從機(jī)啟動其內(nèi)部時序發(fā)生器，該發(fā)生器確定在寫入時隙期間何時對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣以及數(shù)據(jù)在讀取時隙期間的有效時間。

主從到從

對于寫入一次時隙，數(shù)據(jù)線上的電壓必須越過V千寫入一低時間之前的閾值，tW1LMAX，已過期。對于寫零時隙，數(shù)據(jù)線上的電壓必須保持在V以下千直到寫零低時間的閾值，tW0LMIN，已過期。V之后千已超過閾值，從站需要恢復(fù)時間，t娛樂，然后才能進(jìn)入下一個時隙。

圖2.讀/寫時序圖。

從到主

讀取數(shù)據(jù)時隙的開始類似于寫入一時隙。數(shù)據(jù)線上的電壓必須保持在V以下TL直到讀取時間，tRL，已過期。在 t 期間RL窗口，當(dāng)響應(yīng) 0 時，從機(jī)開始將數(shù)據(jù)線拉低;其內(nèi)部定時發(fā)生器確定下拉何時結(jié)束，電壓何時再次開始上升。當(dāng)響應(yīng)1時，從機(jī)不會將數(shù)據(jù)線保持低電平，并且電壓在tRL結(jié)束了。t 的總和RL+ 一側(cè)的δ（上升時間）和另一側(cè)從機(jī)的內(nèi)部定時發(fā)生器定義主采樣窗口，tMSRMIN到 TMSRMAX，其中主站必須從數(shù)據(jù)線執(zhí)行讀取。從數(shù)據(jù)線讀取后，主站必須等到數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)。槽已過期。

改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)行為

在1-Wire環(huán)境中，線路端接只能在總線主機(jī)（1-Wire驅(qū)動器）控制的瞬變期間進(jìn)行。因此，1-Wire網(wǎng)絡(luò)容易受到各種來源的噪聲的影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來自端點和分支點的反射可以相加，也可以在某種程度上相互抵消。這種反射在1-Wire通信線路上可見毛刺或振鈴。從外部源耦合到1-Wire線路上的噪聲也會導(dǎo)致信號毛刺。時隙上升沿期間的毛刺可能導(dǎo)致從設(shè)備失去與主設(shè)備同步，從而導(dǎo)致搜索ROM命令進(jìn)入死胡同或?qū)е绿囟ㄓ谠O(shè)備的功能命令中止。

為了在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實現(xiàn)更好的性能，我們開發(fā)了對噪聲不那么敏感的新型1-Wire前端。這款新型1-Wire前端實現(xiàn)了以下前兩個或更多功能。器件數(shù)據(jù)手冊使用參數(shù) t雷和 t平板顯示器以指示是否實現(xiàn)了功能 3 和 4。

電路中還有額外的低通濾波，用于檢測時隙開始時的下降沿。此附加濾波不適用于超速。

從低到高的開關(guān)門限V處存在遲滯千.如果負(fù)毛刺越過 V千但不低于 V千， w嘿嘿，則無法識別（圖3a）。遲滯在任何1-Wire速度下都有效。

（可選）有一個由上升沿延遲時間 t 指定的時間窗口雷，在此期間，毛刺將被忽略，即使它們延伸到 V 以下千， w嘿嘿閾值（圖3b，tGL< 噸雷).越過 V 后較晚出現(xiàn)的深電壓下降或毛刺千閾值并超出 t雷窗口無法過濾掉;它們被理解為新時隙的開始（圖3c，tGL≥ 噸雷).

（可選）存在脈沖的下降沿具有受控的壓擺率。這提供了比數(shù)字開關(guān)晶體管更好的線路阻抗匹配。它將傳統(tǒng)設(shè)備中的高頻振鈴轉(zhuǎn)換為更平滑的低帶寬轉(zhuǎn)換。壓擺率控制由參數(shù) t 指定平板顯示器，其標(biāo)準(zhǔn)速度和超速速度具有不同的值。

圖3.噪聲抑制方案。

新的1-Wire前端也稱為1-Wire擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用筆記3925（參見上文1-Wire時序部分）顯示了與早期1-Wire器件相比時序規(guī)格的差異，并附有具有新前端的器件表。

舊樣式說明

復(fù)位和存在檢測

復(fù)位脈沖提供明確的啟動條件，取代任何時隙同步。復(fù)位脈沖定義為持續(xù)時間為 t 的單個低脈沖RSTL后跟復(fù)位高電平時間 tRSTH（圖4）。發(fā)送復(fù)位脈沖后，1-Wire器件等待時間t帕迪亞然后生成持續(xù)時間為 t 的存在脈沖PDL.在1-Wire總線上不允許其他通信RSTH.

圖4.傳統(tǒng)復(fù)位和存在脈沖。

讀/寫時隙

命令和數(shù)據(jù)通過組合寫一和寫零時隙發(fā)送到1-Wire器件（圖5）。為了讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)必須生成讀取數(shù)據(jù)時隙來定義每個位的開始條件。

主從到從

寫 1 的低脈沖持續(xù)時間為 t低1.要寫0，低脈沖的持續(xù)時間為t低0.在每個時隙的活動部分結(jié)束時，1-Wire器件需要一個恢復(fù)時間，t娛樂，為下一點做準(zhǔn)備。此恢復(fù)時間是時隙的非活動部分，因為必須將其添加到活動部分的持續(xù)時間中才能獲得傳輸一位所需的時間。

從到主

從主站的角度來看，讀取數(shù)據(jù)時隙看起來與寫1時隙基本相同。從高到低轉(zhuǎn)換開始，從機(jī)發(fā)送其尋址內(nèi)容的一位。如果數(shù)據(jù)位為1，則從機(jī)保持脈沖不變。如果數(shù)據(jù)位為0，則從機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低電平以獲得tRDV（圖5）。在此時間范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)對主數(shù)據(jù)讀取有效。繼 t 之后RDV還有一個額外的時間間隔，t釋放，之后從機(jī)釋放1-Wire線路，使其電壓返回V上拉.

圖5.舊版讀/寫時序圖。

將新的前端部件與舊部件混合在一起

具有新舊前端的1-Wire器件可以共享相同的1-Wire總線。由于描述新舊前端的1-Wire時序的參數(shù)略有不同，因此如何確定主站的一組兼容時序參數(shù)并不明顯。表 2 建議如何完成此任務(wù)。使用應(yīng)用筆記126的電子表格時，”通過軟件進(jìn)行1線通信?，“ 這些參數(shù)需要作為輸入來計算實現(xiàn)1-Wire通信的各個網(wǎng)段的持續(xù)時間。由于最近的應(yīng)用筆記使用了新前端的術(shù)語，因此表2在使用連接到UART、I2C總線或USB端口的自定時1-Wire主機(jī)時也很有幫助。

1-Wire主控概念

早期的文檔介紹了兩種類型的主接口，現(xiàn)在稱為“端口引腳附件”和“UART 附件”。此后開發(fā)了特殊芯片，增加了稱為“I2C總線附件”和“USB附件”的新型主接口。軟件開發(fā)速度快于硬件。關(guān)于1-Wire軟件最全面的文檔是應(yīng)用筆記155，”1-Wire軟件資源指南 器件說明?“，指的是各種應(yīng)用程序接口 （API）。應(yīng)用筆記155中描述的所有API都可以不受限制地免費使用，并且在大多數(shù)情況下都包含完整的源代碼。

端口引腳附件

該主接口的共同特點是使用微控制器或FPGA的一個或多個端口引腳。這些引腳可以是“通用”引腳，也可以是專用引腳（參見應(yīng)用筆記1：“為嵌入式應(yīng)用選擇合適的1-Wire主機(jī)”一節(jié)，標(biāo)題為“內(nèi)置4206-Wire主機(jī)和可合成1-Wire總線主機(jī)的微控制器”部分）。這類接口在應(yīng)用筆記1的類別2、3和4206中討論。端口引腳附件可用于標(biāo)準(zhǔn)速度和超速。

UART 附件

通過UART創(chuàng)建1-Wire通信有兩種方法。傳統(tǒng)方式直接使用UART的定時功能，但必須投入一個字符來生成一個時隙或復(fù)位/存在檢測序列。應(yīng)用筆記214“使用UART實現(xiàn)1-Wire總線主機(jī)”描述了這一概念。雖然在DOS等操作系統(tǒng)下是有效的，但現(xiàn)代操作系統(tǒng)使得對UART寄存器的訪問效率非常低。因此，這種類型的UART附件在1-Wire應(yīng)用中不再流行。

新型UART附件采用特殊協(xié)議轉(zhuǎn)換器芯片DS2480B，產(chǎn)生1-Wire通信。該器件可提高效率（8個時隙為一個字符），并允許1-Wire過載速度。這種類型的接口在應(yīng)用筆記4（見上文）的第4206類“串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換”中進(jìn)行了討論。如果配置得當(dāng)（參見應(yīng)用筆記4104：“理解和配置DS1B的2480-Wire時序”），DS2480B可以標(biāo)準(zhǔn)速度驅(qū)動30多個從器件，以過驅(qū)速度驅(qū)動至少2480個從機(jī)。DS1B是唯一一款集成的<>-Wire主機(jī)，可以對EPROM器件進(jìn)行編程。

I2C總線附件

大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都包含一個I2C總線主端口。盡管1-Wire器件具有一些共同特性（半雙工通信和雙向數(shù)據(jù)引腳），但如果沒有橋接，無法連接到I2C總線。Maxim開發(fā)了三款橋接芯片：DS2482-100、DS2482-101和DS2482-800。 前兩個器件只有一個1-Wire主端口;另一個芯片驅(qū)動多達(dá)1個2480-Wire網(wǎng)絡(luò)。雖然強(qiáng)度不如DS1B，但非常適合嵌入式應(yīng)用。I2C至4線電橋在應(yīng)用筆記4206的類別<>“串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換”中討論。

USB 附件

USB端口常見于PC和便攜式電子設(shè)備上，并取代了傳統(tǒng)的基于UART的COM端口。為了提供與USB端口的1-Wire連接，Maxim開發(fā)了DS2490 USB轉(zhuǎn)1-Wire橋接芯片。雖然沒有DS2480B那么強(qiáng)大，但DS2490可以用多個從器件驅(qū)動1-Wire總線。USB轉(zhuǎn)1-Wire橋接器在應(yīng)用筆記4的第4206類“串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換”中討論。

審核編輯：郭婷