為嵌入式應用選擇合適的1-Wire®主機

摘要：本應用筆記介紹了嵌入式應用中的四類(lèi)1-Wire主機電路，并討論了它們與備用(即未用)系統資源相關(guān)的性能與要求。文中給出的電路適用于半徑不超過(guò)1米，只掛接少量1-Wire從器件的小型網(wǎng)絡(luò )。文章還介紹了針對具體應用尋找最具性?xún)r(jià)比的1-Wire主機的指令和決策表。這里假設讀者熟悉1-Wire通信和微控制器的基本知識。

引言

1-Wire總線(xiàn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的信號傳輸電路，可通過(guò)一根共用的數據線(xiàn)實(shí)現主控制器與一個(gè)或一個(gè)以上從器件之間的半雙工雙向通信。電源和數據通信通過(guò)單根數據線(xiàn)傳輸，使得1-Wire器件具有無(wú)與倫比的強大功能，可減少系統間的互聯(lián)。1-Wire器件通過(guò)受專(zhuān)利保護的單觸點(diǎn)串行接口提供存儲器、混合信號和安全認證功能。1-Wire器件的典型應用如下：打印墨盒或醫療消耗品的識別;機架卡的校準和控制;印刷電路板、配件及外設的識別和認證;知識產(chǎn)權保護、防克隆、安全功能控制。

采用1-Wire技術(shù)時(shí)，需要通過(guò)1-Wire主機發(fā)送信號來(lái)識別總線(xiàn)上的器件并與它們通信。構建一個(gè)1-Wire主機有很多方法。本文討論了嵌入式應用的主機，包括半徑不超過(guò)1米且1-Wire從器件數目不超過(guò)三至五的小型網(wǎng)絡(luò )。設計1-Wire大型網(wǎng)絡(luò )或從器件數目較多時(shí)，可參考應用筆記148：1-Wire網(wǎng)絡(luò )可靠設計指南。

1-Wire術(shù)語(yǔ)

首先解釋幾個(gè)1-Wire文檔中常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)。

主機接口

本文討論的電路為1-Wire主機控制器，它們均與1-Wire從器件通信。但是，這些1-Wire主機控制器不能作為單獨的主體，需要一個(gè)主機(計算機)告訴它們在1-Wire側如何工作。主機接口指1-Wire主控制器和“系統中更高級的指揮官” (即主機)之間的連接類(lèi)型。

工作電壓

通常情況下，1-Wire器件的工作電壓范圍為2.8V (最小值)至5.25V (最大值)。多數1-Wire器件沒(méi)有電源引腳。因此，這種器件以寄生供電的方式從1-Wire通信線(xiàn)路獲取電源。工作電壓和1-Wire上拉電壓實(shí)際上是同義詞。工作(上拉)電壓越高，1-Wire器件所得到的功率就越大。電壓越高，網(wǎng)絡(luò )中可以?huà)旖拥?-Wire從器件也越多，時(shí)隙之間的恢復時(shí)間也越短。

強上拉

強上拉是指一種在時(shí)隙之間向1-Wire網(wǎng)絡(luò )提供額外電源的方法。需要額外電源的部件如下：EEPROM器件(當把數據從緩沖區復制到EEPROM單元時(shí));安全存儲器(當SHA-1引擎運行時(shí));1-Wire溫度傳感器(在溫度轉換期間)。當這些1-Wire器件用于3V電壓供電時(shí)，強上拉是必需的;同樣的1-Wire從器件處于5V環(huán)境中時(shí)，強上拉則是可選的。

1-Wire時(shí)序

下面介紹1-Wire時(shí)隙和復位/應答檢測時(shí)序波形的一般形式，以及產(chǎn)生這些波形的方法?？梢圆捎锰厥獾挠布?如自帶定時(shí)發(fā)生器的芯片)或通過(guò)軟件直接產(chǎn)生波形。對于軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，硬件方式比較容易，但需要另加芯片。軟件方式節省了硬件成本，但如果所選擇的微控制器沒(méi)有軟件支持，則可能會(huì )增加軟件開(kāi)發(fā)和測試成本。如果應用軟件是用高級語(yǔ)言編寫(xiě)的，采用軟件方式時(shí)需要特別考慮。對于產(chǎn)生時(shí)隙和復位/應答檢測時(shí)序的低級功能來(lái)說(shuō)，均有必要用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，這樣一來(lái)可以計算出執行一條指令所需的時(shí)鐘周期個(gè)數。

支持高速模式

多數1-Wire從器件可以?xún)煞N速度通信：標準速度和高速模式。高速模式下的速度比標準速度約快8倍。所有1-Wire從器件均支持標準速度通信。所有2類(lèi)至4類(lèi)的主機(下文中提到的)均支持高速模式。1類(lèi)主機是否支持高速模式取決于微控制器性能(時(shí)鐘速率，每指令周期所需時(shí)鐘周期個(gè)數)。

有源上拉

1-Wire總線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)開(kāi)漏環(huán)境，0V (邏輯0)為有效狀態(tài)?？臻e時(shí)，總線(xiàn)通過(guò)一個(gè)電阻拉高到上拉電壓(電阻上拉)。因此，下降沿是陡峭的;上升沿由于電阻和寄生電源的作用相當平緩。有源上拉是指一種測試上升沿的方法，如果已經(jīng)超過(guò)規定門(mén)限，通過(guò)低阻通道在有限的時(shí)間內旁路上拉電阻。小型網(wǎng)絡(luò )或只有一個(gè)從器件的網(wǎng)絡(luò )一般不需要有源上拉。如果帶有源上拉，1-Wire總線(xiàn)再充電的速度比電阻上拉快得多，因此，網(wǎng)絡(luò )中支持多個(gè)1-Wire從器件時(shí)，無(wú)需延長(cháng)時(shí)隙之間的恢復時(shí)間。各種1-Wire主機的旁路上拉強度(阻抗)和控制有源上拉時(shí)間的方法有所不同。

1-Wire主機電路

下面詳細討論不同的主機電路。電路分為以下四類(lèi)：

微處理器端口-引腳連接

內置1-Wire主機的微控制器

合成的1-Wire總線(xiàn)主機

串行接口協(xié)議轉換

每個(gè)分類(lèi)介紹了一個(gè)或多個(gè)電路。給出了電路原理圖，列出了前提條件，衡量了優(yōu)缺點(diǎn)，給出了注意事項、建議閱讀的參考文檔和支持軟件網(wǎng)址。

1類(lèi). 微處理器端口-引腳連接

圖1為最基本的1-Wire主機。

電路的唯一先決條件是需要一個(gè)備用雙向端口及一定的程序存儲器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)在于它的額外硬件成本極低，僅需一個(gè)上拉電阻。缺點(diǎn)在于，1-Wire時(shí)序通過(guò)軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。根據應用中1-Wire從器件數目和1-Wire上拉電壓，需要其它端口引腳來(lái)實(shí)現強上拉。1-Wire總線(xiàn)最高工作電壓取決于雙向端口特性(最好具有5V容限)。1-Wire總線(xiàn)上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應取低一些。如果那樣的話(huà)檢查VOLmax是否與1-Wire從器件和微處理器端口的輸入特性兼容。高速通信模式要求微處理器具備高時(shí)鐘頻率和/或較低的每指令周期時(shí)鐘數。更多信息，請參閱應用筆記3829：確定多從機1-Wire網(wǎng)絡(luò )的恢復時(shí)間和應用筆記126：用軟件實(shí)現1-Wire通信。應用軟件示例見(jiàn)1-Wire Public Domain Kit。

圖1. 帶可選強上拉電路(虛線(xiàn)部分)的雙向端口引腳

圖2給出與圖1類(lèi)似的另一種基本電路。

圖2電路的先決條件是需要兩個(gè)備用單向端口、下拉晶體管及一定的程序存儲器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)是不需要雙向端口。缺點(diǎn)在于，1-Wire時(shí)序通過(guò)軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。根據應用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，有時(shí)需要其它端口引腳提供強上拉。1-Wire總線(xiàn)最高工作電壓取決于雙向端口特性(最好具有5V容限)。1-Wire總線(xiàn)上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應取低一些。此時(shí)，應檢查VOLmax是否與1-Wire從器件和微處理器端口的輸入特性兼容。高速通信模式要求微處理器具備較高的時(shí)鐘頻率和/或較低的每指令周期時(shí)鐘數。更多信息請參閱應用筆記3829：確定多從機1-Wire網(wǎng)絡(luò )的恢復時(shí)間和應用筆記126：用軟件實(shí)現1-Wire通信。應用軟件示例見(jiàn)1-Wire Public Domain Kit。