可靠的長線1-Wire網(wǎng)絡指南

1-Wire協(xié)議最初設計用于通過短連接與附近設備進行通信。1-Wire也是在單個微處理器端口引腳上增加輔助存儲器的一種方式。后來開發(fā)的方法將1-Wire協(xié)議擴展到遠遠超出電路板尺寸的網(wǎng)絡應用。本文討論了1-Wire網(wǎng)絡的各個方面，并提供了可靠運行的設計指南。幾個附錄介紹了1-Wire總線接口的微調(diào)，并說明了各種條件下的1-Wire通信波形。

介紹

1-Wire協(xié)議最初設計用于通過短連接與附近設備進行通信，例如在單個微處理器端口引腳上增加輔助存儲器。隨著1-Wire器件使用量的增加，人們開發(fā)了將1-Wire協(xié)議擴展到遠遠超出電路板尺寸的網(wǎng)絡應用的方法。1-Wire網(wǎng)絡是1-Wire器件、通信線路和連接的復雜排列。每個1-Wire網(wǎng)絡在拓撲（布局）和硬件方面都是不同的。

網(wǎng)絡組件（即主設備、網(wǎng)絡布線和1-Wire從器件，統(tǒng)稱“從設備”）之間的正確匹配是1-Wire可靠運行的前提。當總線主站設計或實施不當時，或者當用于短線的母站通過大大擴展的通信線路投入使用時，則不能總是期望令人滿意的性能。

本應用筆記介紹了一個項目的結果，以表征各種形式、規(guī)模和數(shù)量的1-Wire網(wǎng)絡的運行情況。它還為可靠的網(wǎng)絡運行提供了工作參數(shù)。這里討論的一些方面在短線應用中并不重要，例如小于1米的網(wǎng)絡。附錄A至D對1-Wire總線接口進行了微調(diào)，并說明了各種條件下的1-Wire通信波形。

網(wǎng)絡描述

本文檔的范圍僅限于使用1e類雙絞線銅線并由主站提供5V總線電源的5-Wire網(wǎng)絡。（大多數(shù)1-Wire從機將在較低的總線電壓下工作，但大型網(wǎng)絡的損耗通常太大，無法在低壓條件下表現(xiàn)良好。

本文檔不涉及對EPROM型從器件進行編程的要求。通常不建議在距主端接口的任何明顯距離處執(zhí)行EPROM編程。本文也不討論1-Wire器件的過驅速度操作。過載速度僅適用于非常短的連接，絕不適合在 1-Wired 網(wǎng)絡中使用。

1-Wire器件有多種線材類型和拓撲結構組合。本應用筆記僅介紹與1-Wire網(wǎng)絡相關的最一般和最典型的應用。超出限值運行1-Wire網(wǎng)絡或無視本文檔中給出的建議可能會導致網(wǎng)絡性能不可靠。

1-Wire網(wǎng)絡術語

兩個簡單的術語描述了對1-Wire網(wǎng)絡性能至關重要的測量值：半徑和重量。

網(wǎng)絡的半徑是從主端到最遠從端的導線距離。它以米為單位。

網(wǎng)絡的權重是網(wǎng)絡中連接的電線總量。它也以米為單位。

例如，具有10m、20m和30m三個分支的星形網(wǎng)絡配置的半徑為30m（即從1-Wire主站到最遠從站的距離），重量為60m（即網(wǎng)絡中導線的總長度，10m + 20m + 30m）。

通常，網(wǎng)絡的權重限制了電纜上的上升時間，而半徑?jīng)Q定了最慢信號反射的時間。

從設備重量

網(wǎng)絡中可支持的重量有限，取決于驅動器（1-Wire主接口）。簡單來說，重量可以包括非常少的電纜上的許多從站，或者很多電纜上的很少從站。

從器件（i按鈕和其他1-Wire器件）為網(wǎng)絡增加了等效的重量。每個設備增加的重量類似于一小段電線的重量，因此可以根據(jù)其等效的電線重量對設備進行評級。因此，在設計網(wǎng)絡時，必須考慮設備的重量。iButton形式的從站通常比封裝為焊接組件的從站貢獻更多的重量。我按鈕增加約1m的重量，非i按鈕從站增加約0.5m的重量。考慮一下這對示例網(wǎng)絡的影響。連接 100 個 iButton 設備會使網(wǎng)絡總重量增加 100 米，這反過來又需要將電線總量減少 100 米以保持網(wǎng)絡正常運行。?

電路板走線、連接器和ESD保護器件也會增加網(wǎng)絡的重量。

雖然重量受到許多因素的影響，但電容顯然是最大的單一因素。例如，在5-Wire速度下，52e類非屏蔽雙絞線（UTP）的重量貢獻可能與其電容相關約1pF/m。通常，ESD電路和PC板走線的重量貢獻與其電容的關系約為24pF/m。在24-Wire總線上呈現(xiàn)1pF的電路板走線或器件將增加約0.5m的重量。

1-Wire網(wǎng)絡拓撲

盡管1-Wire網(wǎng)絡在結構上通常相當“自由形式”，但根據(jù)1-Wire從站的分布和互連線的組織，它們通常屬于幾個廣義的類別。

線性拓撲。1-Wire總線為單對，從主器件開始，延伸至最遠的從器件。其他從站通過微不足道的（<1m）分支或“短截線”連接到3-Wire總線。

存根拓撲。1-Wire總線是一條單條主線，從主站開始，一直延伸到最遠的從機。其他從站通過3m或更長的分支或短截線連接到主線。

星形拓撲。1-Wire總線在主機端或附近分離，并延伸成多個不同長度的分支。在分支沿線或末端有從屬設備。

當不同的拓撲混合在一起時，確定網(wǎng)絡的有效限制變得更加困難。通常，在這些情況下，設計人員應應用最保守的標準。

星形拓撲的注意事項

測試表明，未交換的星型網(wǎng)絡拓撲（即在主站有多個分支的拓撲）最難可靠。各種分支的連接處呈現(xiàn)高度不匹配的阻抗;來自一個分支末端的反射可以傳播的距離幾乎等于網(wǎng)絡的權重（而不是半徑），并導致數(shù)據(jù)錯誤。因此，不建議使用未開關的星形拓撲，并且不能保證其性能。

交換網(wǎng)絡

為了使網(wǎng)絡的復雜性增加而不增加重量和半徑，網(wǎng)絡被劃分為多個部分，一次以電子方式打開一個。使用低阻抗、單電源模擬開關，網(wǎng)絡在物理上類似于一種拓撲，但在電氣上類似于另一種拓撲。這意味著每個分支上都有一個開關的星形配置實際上類似于線性拓撲。在這種情況下，任何時候都只有一個分支處于活動狀態(tài)。

上面的示例看起來像一個半徑為 150m 且權重為 450m 的星形拓撲網(wǎng)絡。但是，當單獨考慮每個交換路徑時，網(wǎng)絡實際上是線性拓撲，重量僅為150m。

通常，我們對非交換網(wǎng)絡的討論可以應用于交換網(wǎng)絡的每個部分。

1-Wire網(wǎng)絡限制

有幾個因素決定了網(wǎng)絡的最大半徑和權重。其中一些因素可以控制，有些則不能。

主端接口極大地影響了1-Wire網(wǎng)絡的允許尺寸。接口必須提供足夠的驅動電流，以克服電纜和從站的重量。它還必須生成時序在規(guī)格范圍內(nèi)并針對網(wǎng)絡充電和放電時間進行優(yōu)化的1-Wire波形。最后，接口必須為網(wǎng)絡提供合適的阻抗匹配，以便信號不會反射回線路以干擾其他網(wǎng)絡從站。

當網(wǎng)絡較小時，可以接受非常簡單的主端接口。電容低，反射能量到達得太快，不會造成問題，電纜損耗最小。簡單的有源（FET）下拉和無源（電阻）上拉就足夠了。但是，當線路變長并且連接更多設備時，復雜的力就會發(fā)揮作用?，F(xiàn)在，主端接口必須能夠處理所有這些問題。

網(wǎng)絡半徑受到幾個因素的限制：波形反射的時間、電纜產(chǎn)生的時間延遲、電纜的電阻以及信號電平的下降。電話線中的典型信號傳播速度約為光速的 2/3。例如，在750m電纜中，往返延遲為7.5μs。如果主機將線路拉低7.5μs以啟動讀取時隙，則主機低脈沖的結束時間（即往返后）與近端快速從機可能停止將線路拉低的時刻一致。因此，如此長的電纜的往返延遲使得主站無法與該近端從機通信。

網(wǎng)絡重量受限于電纜充電和放電速度足以滿足1-Wire協(xié)議的要求。一個簡單的電阻上拉的重量限制約為200m。先進的1-Wire主設計通過使用有源上拉克服了這一限制，在邏輯控制下提供更高的電流，并將最大可支撐重量延長至500米以上。參見應用筆記244：“高級1-Wire網(wǎng)絡驅動器”。

寄生蟲供電問題

1-Wire波形不僅必須足以用于通信，而且還必須為從機提供工作電源。當總線上的電壓大于其內(nèi)部儲能電容器上的電壓時，每個從機都會從總線“搶奪”電源。當網(wǎng)絡的重量變得過大時，主機提供的電流可能不足以維持從機的工作電壓。

寄生蟲電源的最壞情況是主機發(fā)出的很長的零位序列。發(fā)生這種情況時，線路大部分時間都處于低電平狀態(tài)，并且?guī)缀鯖]有機會為從站充電。如果總線在位之間的恢復時間內(nèi)達到足夠的電壓，并且恢復時間足夠長，則沒有問題。隨著每個從機的內(nèi)部工作電壓下降，從機驅動總線以產(chǎn)生零位的能力降低，并且從機的時序發(fā)生變化。最終，當寄生蟲電壓降至臨界水平以下時，從機進入復位狀態(tài)并停止響應。然后，當從機再次收到足夠的工作電壓時，它將發(fā)出存在脈沖，并可能破壞其他總線活動。當網(wǎng)絡沒有足夠的能量來維持從站的工作功率時，故障將取決于數(shù)據(jù)且間歇性。

分布式阻抗匹配

1-Wire總線設計的優(yōu)勢在于極簡主義和簡單性（最終也實現(xiàn)了低成本）。除了從站本身之外，一直避免使用分發(fā)到網(wǎng)絡中的組件。

當短截線連接到1-Wire總線時，分支點存在阻抗不匹配。來自短截線末端的反射返回到主干線，僅延遲信號沿短截線長度傳播所需的時間。然后，這些反射可能會給網(wǎng)絡上的其他從站帶來問題。與短截線串聯(lián)的電阻將降低失配的嚴重程度和反射能量的幅度。該電阻減輕了主干上短截線產(chǎn)生的反射的不利影響。

這一概念最成功的實現(xiàn)是在短截線連接到主干線的每個點使用150Ω電阻。該值可將連接點處的失配減少約 20%，并將產(chǎn)生的短截線反射衰減約 40%。但是，增加的電阻也會使抗噪性降低約80%，因此必須小心。測試還表明，使用100Ω電阻值時性能良好，不會降低抗擾度。

注：DS2480B串行1-Wire線路驅動器和DS2484器件系列均為1-Wire主站，具有有源上拉，會受到這種附加電阻的不利影響。上述方法與這些1-Wire驅動器不兼容。分布式電阻方法的成功應用始終是使用具有更高數(shù)據(jù)輸入閾值的定制主端驅動器來完成的。

主端接口設備

將1-Wire網(wǎng)絡連接至微控制器和個人計算機的方法多種多樣。此外，每個1-Wire主站的設計目的不同，在采用替代服務時并不總是可靠的。最后，主端硬件是決定1-Wire網(wǎng)絡設計局限性的關鍵因素。用于短線和附近 iButton 探頭的簡單硬件接口在連接到更大的網(wǎng)絡和復雜的布線方案時性能不佳。用于超長線路的復雜驅動程序在與中短長度網(wǎng)絡一起使用時性能不佳。

下面列出了當今最常用的主端硬件接口：

微處理器端口引腳附件

內(nèi)置1-Wire主控的微控制器

可合成的1-Wire總線主控（DS1WM）

串行接口協(xié)議轉換（DS2480B、DS2482-100、DS2484）

對于長線應用，需要修改。附錄A顯示了微處理器端口引腳附件的變體，即具有壓擺率控制的FET驅動器和1kΩ上拉電阻。使用此接口可以可靠地支持最大 200m 的半徑和最大 200m 的重量。

DS2480B設計用于高效的中短線工作。在DS2480B和網(wǎng)絡之間應用一個簡單的R-C電路將大大提高中長網(wǎng)絡的性能和可靠性。（見附錄B。使用過濾器，該主站可以可靠地支持半徑或重量達200m的網(wǎng)絡。需要注意的是，DS2480B接口器件具有可變時序，也可用于提高1-Wire網(wǎng)絡的可靠性和性能。這些時序由某些軟件（如Windows版1-Wire驅動程序）設置為最佳值，但并非所有軟件都會調(diào)整。（參見附錄C和應用筆記4104：“理解和配置DS1B的2480線時序”。?

長線應用的推薦電路是具有高級總線接口的微控制器，如上文應用筆記244所述。該主端接口電路使用阻抗匹配（高電平和低電平驅動器）和“智能”（軟件控制）有源上拉。每當1-Wire協(xié)議確定總線應處于高電平時，以及在總線采樣并發(fā)現(xiàn)處于高電平后的讀取期間，上拉電路就會開啟。該接口同樣適用于大型和小型1-Wire網(wǎng)絡，能夠可靠地運行具有高重量和半徑值高達500m的網(wǎng)絡。

是什么造就了可靠的1-Wire網(wǎng)絡？

當1-Wire網(wǎng)絡發(fā)生故障時，故障通常表現(xiàn)為執(zhí)行搜索算法時器件的神秘“丟失”。更多信息參見應用筆記187：“1-Wire搜索算法”。實際存在的設備可以在搜索結果中出現(xiàn)和消失。有時，網(wǎng)絡或設備中看似微小的變化會對設備搜索的結果產(chǎn)生根本性的影響。為什么會這樣？

在1-Wire總線上發(fā)生的所有活動中，器件搜索是最復雜且在存在總線問題時最難執(zhí)行的。搜索是所有從站可能同時將總線驅動低電平的唯一時間（存在脈沖除外）。這意味著搜索期間的總線條件與單個選定從站的正常通信大不相同。如果許多從站中的任何一個錯過邊沿或無法區(qū)分脈沖，那么它將與搜索算法不同步，并將導致搜索的后續(xù)位出錯。這意味著在以下情況下搜索將失敗：總線問題導致波形上升沿出現(xiàn)毛刺;波形未能達到有效的低電平;或任何設備在搜索過程中都缺電。大多數(shù)搜索算法通過終止搜索算法并重新開始來處理搜索失敗，此時尚未發(fā)現(xiàn)的從屬服務器似乎會從搜索中刪除。盡管故障發(fā)生在一個從設備的一個位中，但任何數(shù)量的從設備都可能受到影響。

搜索算法通常假定設備可能會因噪聲而丟失。在具有觸摸接觸i按鈕的網(wǎng)絡中，新的i按鈕到達網(wǎng)絡可能會以來自新到達設備的存在脈沖的形式引入瞬時短路。根據(jù)這些事件的時間，這些存在脈沖將干擾搜索活動。搜索算法通過在觀察到設備丟失一段時間后，才從發(fā)現(xiàn)的從屬列表中刪除從屬服務器列表中來管理此類問題。

搜索失敗的原因差異很大。其中最常見的是缺乏寄生蟲力量（半徑大，網(wǎng)絡重）;波形邊緣的反射（使用中小半徑、輕量級網(wǎng)絡）;在DS2480B接口中，由于波形下降沿的振鈴，有源上拉被誤觸發(fā)。

搜索失敗通常似乎對網(wǎng)絡中的微小變化高度敏感;網(wǎng)絡上連接的從站;或者“月相”，正如一些沮喪的設計師所說的那樣。這種敏感性是因為受審查的網(wǎng)絡處于臨界狀態(tài)，非常小的網(wǎng)絡變化可能導致搜索成功或失敗。簡而言之，一個看似成功的網(wǎng)絡，因為在搜索算法中可靠地找到所有設備，實際上可能接近故障。輕微的退化可能會突然產(chǎn)生看似災難性的故障 - 只需一個故障位即可使搜索停止，零件就會消失。因此，用戶必須遵守已發(fā)布的規(guī)范和指南至關重要，以確?？煽康木W(wǎng)絡具有良好的安全裕度和對電纜、設備和連接變化的容忍度。

可靠、一致地執(zhí)行搜索的網(wǎng)絡通?？梢钥煽康貓?zhí)行任何其他1-Wire功能。

1-Wire時序不正確

當使用軟件（固件）生成1-Wire波形（有時稱為“位敲擊”波形）時，很容易犯一些不會立即顯現(xiàn)出來的錯誤。

到目前為止，1-Wire主機編程中最常見的錯誤是，在時隙的前（下降）沿之后，從站采樣數(shù)據(jù)太晚。從機的時序可以在很寬的范圍內(nèi)變化，就像溫度和電壓變化一樣。由于過程變化，從站也可能在批次之間變化。波形采樣時間為30μs的設計可能會通過實驗室測試，甚至投入生產(chǎn)，從而將不正確的時序用于發(fā)貨產(chǎn)品。之后，當批處理或網(wǎng)絡條件發(fā)生變化并且從機從32μs移動到29μs時，該主端接口將失效。因此，盡管在實驗室環(huán)境中系統(tǒng)運行看似完美，但通過規(guī)范驗證波形參數(shù)至關重要。

結論

與任何電子元件一樣，支持電子系統(tǒng)必須在所有使用條件下滿足設備規(guī)格，以確?？煽窟\行。網(wǎng)絡組件（即主站、網(wǎng)絡布線和1-Wire從機）之間的正確匹配對于1-Wire的可靠運行至關重要。

審核編輯：郭婷