利用單總線(xiàn)傳輸數據與電源
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1 概述
為滿(mǎn)足通信或測試的需求，常常在計算機（通常是PC機）上掛接多個(gè)傳感器或模塊，計算機與傳感器或模塊之間的信息交換一般選擇由數據線(xiàn)和電源線(xiàn)組成的多總線(xiàn)方式（如I2C）來(lái)實(shí)現，此外，還需要地線(xiàn)、參考線(xiàn)等。
而如果沿著(zhù)電纜線(xiàn)也能夠傳送電源的話(huà)，那么就可替代外部電源來(lái)為系統供電。一種巧妙的、從數據線(xiàn)上“盜電”的方法使大多數新型通信系統能夠在單總線(xiàn)上雙向傳送數據，并同時(shí)為遠端器件供電，這就是所謂的單總線(xiàn)微網(wǎng)。單總線(xiàn)系統是利用電容、二極管構成的音波整流器來(lái)為單總線(xiàn)器件（如識別芯片、讀/寫(xiě)存儲器、可尋址開(kāi)關(guān)、數字溫度傳感器等）供電。這種方式省去了額外的連線(xiàn)和遠端電源，同時(shí)有效降低了系統成本。更有意義是，單總線(xiàn)上掛接的器件具有唯一的序列號和自定時(shí)控制器，因此簡(jiǎn)化了系統設計。
2 單總線(xiàn)微網(wǎng)
單總線(xiàn)微網(wǎng)是允許PC機或微控制器通過(guò)雙絞線(xiàn)與單總線(xiàn)器件通訊的網(wǎng)絡(luò )，通常為漏極開(kāi)路I/O和主/從多點(diǎn)結構。并在數據線(xiàn)的靠近主機端接一個(gè)上拉電阻至5V電源，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )由三部分組成。分別為主機與控制軟件、連接線(xiàn)與相連接器、單總線(xiàn)器件。圖1所示是用單總線(xiàn)溫度傳感器DS18B20構成的單總線(xiàn)微網(wǎng)原理圖。任何標準的微控制器，如時(shí)鐘頻率不低于1.8MHz的8051或采用115.2kbps通用異步收發(fā)器（UART）的PC機都可以作為微網(wǎng)的主機。該電路利用時(shí)隙的長(cháng)短表示二進(jìn)制的“1”或“0”，在數據速率為14.4kbps(115.2/8=14.4)時(shí)，PC機可以在7ms內查找到總線(xiàn)上的某個(gè)節點(diǎn)開(kāi)始接收數據。
DS0621-SDK專(zhuān)業(yè)軟件開(kāi)發(fā)系統內部帶有TMEX軟件（相關(guān)資料可從Maxim公司網(wǎng)站獲得），微網(wǎng)通訊協(xié)議采用CMOS/TTL邏輯電平，
其中“0”電平不高于0.8V、“1”電平不低于2.2V，工作電壓范圍為2.8～6V，由單總線(xiàn)器件內部的二極管和電容從數據線(xiàn)上“盜電”提供。數據傳輸模式半雙工方式，位流（包括數據與回波）將在一對雙絞線(xiàn)上傳輸，雙絞線(xiàn)可選用廉價(jià)、通用的5類(lèi)、低容性負載的非屏蔽電話(huà)線(xiàn)。DS9097 COM端口適配器用于RS232微網(wǎng)的接口。
在微網(wǎng)上傳送的數據通常與時(shí)隙相對應，例如，在給某單總線(xiàn)器件寫(xiě)邏輯“1”時(shí)，主機將保持總線(xiàn)為低電平、且保持低電平的時(shí)間不超過(guò)15μs；在寫(xiě)邏輯“0”時(shí)，主機需保持總線(xiàn)為低電平的時(shí)間至少為60μs，以便在最霈的條件下不產(chǎn)生誤碼，由于每個(gè)單總線(xiàn)器件均由內置振蕩提供時(shí)鐘，因此，系統不需要提供額外時(shí)鐘。圖2是通過(guò)由內置半波整流器從數據總線(xiàn)獲得工作電壓的電路原理圖，當數據總線(xiàn)被上拉至高電平時(shí)，半波整流器的二極管導通，并為800pF的電容充電。當器件為主機發(fā)送信號（邏輯“1”或邏輯“0”）時(shí)，數據線(xiàn)被拉至低電平，在此期間，電容上存儲的電荷將用于為芯片內部的振蕩器及控制電路供電，直到數據線(xiàn)恢復到2.8V以上時(shí)，整流二極管再次導通為電容被充能量。在微網(wǎng)系統啟動(dòng)工作時(shí)，主機首先將總線(xiàn)置為低電平保持480μs以使系統復位；接下來(lái)主機將查詢(xún)總線(xiàn)上各個(gè)從機發(fā)出的在線(xiàn)脈沖，如圖3所示，復位脈沖后面跟隨的在線(xiàn)脈沖表明DS18B20已準備就諸，可以接收或發(fā)送數據。此后，主機通過(guò)呼叫從機地址及發(fā)送器件所屬家庭的特定指令即可實(shí)現主機與從機間的數據傳送。圖4是以溫度傳感器DS18B20為例說(shuō)明傳送信息的時(shí)隙圖，在執行寫(xiě)，主機將數據線(xiàn)從高電平拉至低電平，同時(shí)寫(xiě)時(shí)隙被初始化，每次寫(xiě)操作時(shí)間不得低于60μs，而且兩次寫(xiě)操作之間應有1μs的恢復時(shí)間。DS18B30在數據線(xiàn)為低電平后的15μs至60μs之間從數據線(xiàn)上讀取數據，如果在此期間數據線(xiàn)為高電平，則DS18V20被寫(xiě)入“1”；如果數據線(xiàn)與低電平，則DS18B20被寫(xiě)入“0”。因此，寫(xiě)“1”時(shí)，主機將數據線(xiàn)置低，并在15μs內釋放數據線(xiàn)，以使其恢復至高電平。寫(xiě)“0”時(shí)，主機則將數據線(xiàn)置為低電平，并保持至少60μs。主機從DS18B20讀取數據的時(shí)隙與寫(xiě)操作相似，可參考圖4。
3 典型應用
由一臺PC機和DS9097COM端口適配器、單片DS2401硅序列號即可構成一個(gè)最簡(jiǎn)單的微網(wǎng)系統，DS2401適用于身份識別和狀態(tài)檢測，如用于監測開(kāi)關(guān)的通斷等。當DS2401通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)連接到總線(xiàn)上時(shí)（圖5），主機便可利用TMEX中的查詢(xún)指令來(lái)呼叫并讀取DS2401的序列號。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，器件未連接到總，主機將無(wú)法得到DS2401的應答。利用這種簡(jiǎn)單的查詢(xún)技術(shù)可確定某一實(shí)體是否存在。并可在安全監控系統中用于監測門(mén)、窗的狀態(tài)（關(guān)閉或打開(kāi)）。同樣，如果把DS2401接到總線(xiàn)的最遠端，則可監測單部系統的完整性。如果總線(xiàn)上掛接有內置存儲器的單總線(xiàn)器件（如用內置1kb EPROM的DS2502替代DS2401），那么主機還可以讀取到有關(guān)實(shí)體的一些附加數據，這就是所謂的電子標簽識別系統，利用該系統可進(jìn)行庫存管理、證件識別、人事檔案管理等。并可針對不同的自動(dòng)識別應用把這些電子標簽制作成不同的外形和封裝，如不銹鋼封裝、可焊接封裝的信息鈕（iBUTTON）或密匙戒指等。
IBUTTON器件可以由所建子目錄下的文件格式化，子目錄允許隨機存取文件或更改文件，且不影響其他記錄。包含存儲器的單總線(xiàn)芯片可存儲一些標準信息，如職員姓名、身份證號碼等，如果存儲器容量為64k，則僅用1/4的空間即可存儲等效于一張名片信息量和一張黑白身份證照片。留出的存儲空間可用來(lái)存儲醫療記錄、信用信息、保密等級等內容，這引起信息為識別系統提供了安全可靠的保證。
總之，單總線(xiàn)微網(wǎng)是一種低成本、易安裝、可實(shí)現多點(diǎn)通信的網(wǎng)絡(luò )標準。該系統一般采用PC機或微控制器作為主機，并利用兼價(jià)的雙絞線(xiàn)傳送數據和電源。另外，單總線(xiàn)器件具有唯一的序列號，它們可以始掛接在總線(xiàn)上，它可以脫離總線(xiàn)而像身份識別標簽或密匙戒指那樣被帶走。然后在需要主機讀取數據時(shí)通過(guò)專(zhuān)用接口組件與總線(xiàn)連接。由此可見(jiàn)，單總線(xiàn)微網(wǎng)可為倉庫管理、自動(dòng)識別系統、安全防范等系統應用提供一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現方案。
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