為嵌入式應(yīng)用選擇合適的1-Wire®主機(jī)

摘要：本應(yīng)用筆記介紹了嵌入式應(yīng)用中的四類1-Wire主機(jī)電路，并討論了它們與備用(即未用)系統(tǒng)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(duì)具體應(yīng)用尋找最具性價(jià)比的1-Wire主機(jī)的指令和決策表。這里假設(shè)讀者熟悉1-Wire通信和微控制器的基本知識(shí)。

引言

1-Wire總線是一個(gè)簡單的信號(hào)傳輸電路，可通過一根共用的數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)通信通過單根數(shù)據(jù)線傳輸，使得1-Wire器件具有無與倫比的強(qiáng)大功能，可減少系統(tǒng)間的互聯(lián)。1-Wire器件通過受專利保護(hù)的單觸點(diǎn)串行接口提供存儲(chǔ)器、混合信號(hào)和安全認(rèn)證功能。1-Wire器件的典型應(yīng)用如下：打印墨盒或醫(yī)療消耗品的識(shí)別；機(jī)架卡的校準(zhǔn)和控制；印刷電路板、配件及外設(shè)的識(shí)別和認(rèn)證；知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、防克隆、安全功能控制。

采用1-Wire技術(shù)時(shí)，需要通過1-Wire主機(jī)發(fā)送信號(hào)來識(shí)別總線上的器件并與它們通信。構(gòu)建一個(gè)1-Wire主機(jī)有很多方法。本文討論了嵌入式應(yīng)用的主機(jī)，包括半徑不超過1米且1-Wire從器件數(shù)目不超過三至五的小型網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)1-Wire大型網(wǎng)絡(luò)或從器件數(shù)目較多時(shí)，可參考應(yīng)用筆記148："1-Wire網(wǎng)絡(luò)可靠設(shè)計(jì)指南"。

1-Wire術(shù)語

首先解釋幾個(gè)1-Wire文檔中常見的術(shù)語。

主機(jī)接口

本文討論的電路為1-Wire主機(jī)控制器，它們均與1-Wire從器件通信。但是，這些1-Wire主機(jī)控制器不能作為單獨(dú)的主體，需要一個(gè)主機(jī)(計(jì)算機(jī))告訴它們?cè)?-Wire側(cè)如何工作。主機(jī)接口指1-Wire主控制器和“系統(tǒng)中更高級(jí)的指揮官” (即主機(jī))之間的連接類型。

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(shù)1-Wire器件沒有電源引腳。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)中可以掛接的1-Wire從器件也越多，時(shí)隙之間的恢復(fù)時(shí)間也越短。

強(qiáng)上拉

強(qiáng)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(dāng)把數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到EEPROM單元時(shí))；安全存儲(chǔ)器(當(dāng)SHA-1引擎運(yùn)行時(shí))；1-Wire溫度傳感器(在溫度轉(zhuǎn)換期間)。當(dāng)這些1-Wire器件用于3V電壓供電時(shí)，強(qiáng)上拉是必需的；同樣的1-Wire從器件處于5V環(huán)境中時(shí)，強(qiáng)上拉則是可選的。

1-Wire時(shí)序

下面介紹1-Wire時(shí)隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測(cè)時(shí)序波形的一般形式，以及產(chǎn)生這些波形的方法。可以采用特殊的硬件(如自帶定時(shí)發(fā)生器的芯片)或通過軟件直接產(chǎn)生波形。對(duì)于軟件開發(fā)人員來說，硬件方式比較容易，但需要另加芯片。軟件方式節(jié)省了硬件成本，但如果所選擇的微控制器沒有軟件支持，則可能會(huì)增加軟件開發(fā)和測(cè)試成本。如果應(yīng)用軟件是用高級(jí)語言編寫的，采用軟件方式時(shí)需要特別考慮。對(duì)于產(chǎn)生時(shí)隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測(cè)時(shí)序的低級(jí)功能來說，均有必要用匯編語言編寫，這樣一來可以計(jì)算出執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)。

支持高速模式

多數(shù)1-Wire從器件可以兩種速度通信：標(biāo)準(zhǔn)速度和高速模式。高速模式下的速度比標(biāo)準(zhǔn)速度約快8倍。所有1-Wire從器件均支持標(biāo)準(zhǔn)速度通信。所有2類至4類的主機(jī)(下文中提到的)均支持高速模式。1類主機(jī)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(shù))。

有源上拉

1-Wire總線或網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開漏環(huán)境，0V (邏輯0)為有效狀態(tài)?？臻e時(shí)，總線通過一個(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(dāng)平緩。有源上拉是指一種測(cè)試上升沿的方法，如果已經(jīng)超過規(guī)定門限，通過低阻通道在有限的時(shí)間內(nèi)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)，無需延長時(shí)隙之間的恢復(fù)時(shí)間。各種1-Wire主機(jī)的旁路上拉強(qiáng)度(阻抗)和控制有源上拉時(shí)間的方法有所不同。

1-Wire主機(jī)電路

下面詳細(xì)討論不同的主機(jī)電路。電路分為以下四類：

微處理器端口-引腳連接

內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器

合成的1-Wire總線主機(jī)

串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

每個(gè)分類介紹了一個(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(xiàng)、建議閱讀的參考文檔和支持軟件網(wǎng)址。

1類. 微處理器端口-引腳連接

圖1為最基本的1-Wire主機(jī)。

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(chǔ)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)序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件數(shù)目和1-Wire上拉電壓，需要其它端口引腳來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)上拉。1-Wire總線最高工作電壓取決于雙向端口特性(最好具有5V容限)。1-Wire總線上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。如果那樣的話檢查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(shù)。更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"和應(yīng)用筆記126："用軟件實(shí)現(xiàn)1-Wire通信"。應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖1. 帶可選強(qiáng)上拉電路(虛線部分)的雙向端口引腳

圖2給出與圖1類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(chǔ)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)序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。根據(jù)應(yīng)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(qiáng)上拉。1-Wire總線最高工作電壓取決于雙向端口特性(最好具有5V容限)。1-Wire總線上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。此時(shí)，應(yīng)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(shù)。更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"和應(yīng)用筆記126："用軟件實(shí)現(xiàn)1-Wire通信"。應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖2. 帶可選強(qiáng)上拉電路(虛線部分)的單向端口引腳

2類. 內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器

圖3電路與圖1非常類似，不同之處在于微控制器類型。

圖3電路的主要前提是需要一個(gè)內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器，如DS80C400、DS80C410或DS80C411，以及一定的程序存儲(chǔ)器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語言編寫。DS80C400系列微控制器端口帶有5V容限。缺點(diǎn)在于，只有高端微控制器才內(nèi)置有1-Wire主機(jī)。根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，可能需要其它端口引腳提供強(qiáng)上拉。1-Wire總線上有不止一個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。此時(shí)，應(yīng)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。更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"、應(yīng)用筆記613："DS80C400的Keil C語言編程"、以及DS80C400數(shù)據(jù)資料。應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖3. 內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器及可選的強(qiáng)上拉電路(虛線部分)

3類. 合成的1-Wire總線主機(jī)(ASIC/FPGA)

圖4電路與圖3非常類似。不同之處在于微控制器和1-Wire端口是內(nèi)置在ASIC或PFGA中的。

圖4電路的主前提是需要具有單片機(jī)能力的ASIC或FPGA，至少有一個(gè)空閑的雙向端口引腳，3470個(gè)未使用的門和一定的程序存儲(chǔ)器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語言編寫。缺點(diǎn)在于，并非所有ASIC或FPGA都有5V容限端口。1-Wire工作電壓取決于ASIC/FPGA的端口特性。一些2.5V FPGA有5V容限I/O端口，比3.3 FPGA理想。根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，可能需要其它端口引腳提供強(qiáng)上拉。1-Wire總線上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。此時(shí)，應(yīng)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。更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記119："嵌入1-Wire主機(jī)"、應(yīng)用筆記120："利用1-Wire主機(jī)通訊"、應(yīng)用筆記145："Interfacing the Maxim 1-Wire Master (DS1WM) to an ARM7 Processor"、應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"、以及DS1WM數(shù)據(jù)資料。欲獲取1-Wire主機(jī)Verilog/VHDL代碼，請(qǐng)通過提交技術(shù)支持要求。應(yīng)用軟件示例請(qǐng)參見應(yīng)用筆記120和145。

圖4. 帶可選強(qiáng)上拉電路(虛線部分)的ASIC/FPGA

4類. 串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

圖5電路只需一個(gè)額外器件即可構(gòu)建一個(gè)功能齊備的1-Wire主機(jī)。

圖5電路的主要前提是需要一種控制UART的方式，例如微控制器、FPGA或PC串行端口，還需要一定的程序存儲(chǔ)器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語言編寫。1-Wire時(shí)序可以通過控制寄存器微調(diào)。DS2480B支持強(qiáng)上拉和有源上拉。嵌入式應(yīng)用不需要對(duì)1-Wire時(shí)序和有源上拉進(jìn)行微調(diào)，不過，內(nèi)置的4位搜索加速器使1-Wire ROM搜索在軟件中更易實(shí)現(xiàn)。就缺點(diǎn)而言，DS2480B較圖1至圖4中的分立元件昂貴。DS2480B僅采用5V工作電壓。它是功能最強(qiáng)的單芯片1-Wire主機(jī)，適合與大量從器件通信。有源上拉持續(xù)直至超過第二個(gè)門限。DS2480B也可以編程1-Wire EPROM器件。更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記192："DS2480B串行接口1-Wire線驅(qū)動(dòng)器的使用" 、應(yīng)用筆記4104："DS2480B 1-Wire時(shí)序的理解及配置"、以及DS2480B數(shù)據(jù)資料?？牲c(diǎn)此處下載AN192的源代碼。

圖5. UART/RS-232接口

圖6電路非常適合I2C總線應(yīng)用。

圖6電路的主要前提是需要一個(gè)I?C總線控制器，如微控制器或FPGA/ASIC，還需要一定的程序存儲(chǔ)器空間。電路的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高。1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語言編寫。DS2482支持強(qiáng)上拉以及有源上拉。然而，嵌入式應(yīng)用不需要有源上拉。內(nèi)置1位搜索加速器使1-Wire ROM搜索更容易在軟件中實(shí)施。缺點(diǎn)在于，DS2482驅(qū)動(dòng)1-Wire從器件的數(shù)目比不上DS2490或DS2480B。DS2482還提供8通道版本。單通道的DS2482-100有一個(gè)控制輸出，用于增加強(qiáng)上拉功能(Q1)。與DS2480B和DS2490相比，DS2482-100的有源上拉持續(xù)時(shí)間是固定的。I2C上拉電阻值取決于I?C總線的長度和分布范圍。更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3*："如何使用代用I?C接口的DS2482 1-Wire主控制器"、以及DS2482-100和DS2482-800數(shù)據(jù)資料?？牲c(diǎn)擊此處下載應(yīng)用筆記3*中的源代碼。

圖6. 帶可選超強(qiáng)上拉電路(虛線部分)的I2C接口

圖7中的1-Wire主機(jī)特性與DS2480B非常類似。

圖7電路的主要前提是需要USB端口，一般PC中都有。電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語言編寫。1-Wire時(shí)序可以通過控制寄存器微調(diào)。DS2490支持強(qiáng)上拉和有源上拉。不過，嵌入式應(yīng)用不需要對(duì)1-Wire時(shí)序和有源上拉進(jìn)行微調(diào)。內(nèi)置的4位搜索加速器使1-Wire ROM搜索在軟件中更容易實(shí)施。就缺點(diǎn)而言，DS2490較圖5中的器件成本高，且工作電壓僅為5V。作為1-Wire主機(jī)，DS2490沒有DS2480B功能強(qiáng)大。有源上拉持續(xù)直至超過第二個(gè)門限。更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記117："DS2490 Universal Serial Bus Descriptors"、以及DS2490數(shù)據(jù)資料。應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖7. USB接口1-Wire主機(jī)，該圖為簡化電路，詳細(xì)電路參見DS2490數(shù)據(jù)資料

可接PC的適配器方案

由于它們不需要由用戶開發(fā)軟件，因此作為1-Wire主機(jī)的PC機(jī)附件非常便于作為原型*估1-Wire器件。除了適配器、待檢測(cè)1-Wire器件和現(xiàn)成的電纜，用戶需要的就是*估軟件，如基于Java的可免費(fèi)下載的OneWireViewer。PC機(jī)適配器1-Wire端口即適合連接iButton?也適合母RJ-11連接器。具體情況如表1所列。

用OneWireViewer*估1-Wire器件時(shí)，識(shí)別芯片存在與否沒有差別。然而，當(dāng)對(duì)具有1個(gè)從器件的應(yīng)用進(jìn)行建模時(shí)，識(shí)別芯片需要執(zhí)行Search ROM命令，而不是Read ROM命令。這使得建立軟件原型較為復(fù)雜。

表1. 適合PC的1-Wire適配器

哪款1-Wire主機(jī)適合我的應(yīng)用？

為更好的回答這一問題，先確定以下事情：

確定應(yīng)用是否需要強(qiáng)上拉。參見“1-Wire術(shù)語”部分。

確定應(yīng)用中的1-Wire工作電壓。參見“1-Wire術(shù)語”部分。

在決策表(表2)中，刪去無法提供的前提條件的方案(列)。

在決策表中，刪去實(shí)際應(yīng)用不支持的工作電壓的方案(列)。

如果應(yīng)用需要強(qiáng)上拉，在第5行填YES，否則填NO。

刪減后剩下的方案，執(zhí)行以下步驟：

估算附加硬件的成本(根據(jù)第3行項(xiàng)目；如果第5行中有YES，則還包括第4行項(xiàng)目)并填寫到第6行。除非需要升級(jí)到較大的微控制器或FPGA/ASIC，否則假定增加端口完全免費(fèi)。升級(jí)時(shí)，微控制器或FPGA/ASIC增加了邊際成本。

估算軟件開發(fā)成本并按照構(gòu)建單元數(shù)平分。將數(shù)據(jù)填入第7行。如果無法估算軟件開發(fā)成本，請(qǐng)?zhí)顚?或留白。

把第6行和第7行的數(shù)字相加，結(jié)果寫到第8行。

第8行中成本最低的就是最佳選擇。

表2. 決策表 Row # Title Schematic/Figure Number

結(jié)束語

適合嵌入式應(yīng)用的1-Wire主機(jī)應(yīng)該在附加成本盡可能低的前提下符合1-Wire器件電氣要求(即工作電壓，若有必要還應(yīng)帶強(qiáng)上拉)。最終選擇取決于應(yīng)用中空閑的(未用)資源，包括端口引腳、UART、I?C總線甚至USB端口，以及程序存儲(chǔ)器空間。如果空閑資源不足，有必要升級(jí)為帶有更多端口和/或程序存儲(chǔ)器的微控制器或FPGA。

在串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換類型方面，DS2482-100是最具性價(jià)比的選擇。對(duì)于從器件數(shù)目比較多的應(yīng)用， DS2482-800每1-Wire通道成本更低。雖然微處理器端口引腳附件電路的成本大大低于DS2482-100，但在軟件開發(fā)方面投入的額外精力(尤其是當(dāng)需要寫“位拆裂”的低級(jí)驅(qū)動(dòng)器時(shí))只能通過構(gòu)建的單元數(shù)目分擔(dān)。對(duì)于基于FPGA的應(yīng)用，合成1-Wire總線主機(jī)是一個(gè)值得關(guān)注的解決方案。如果DS80C4XX微控制器的其他功能可以很好的滿足應(yīng)用要求，則利用內(nèi)置1-Wire主機(jī)所需的額外組件成本只有幾美分。采用DS80C400時(shí)，1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，所以軟件開發(fā)成本微乎其微。雖然DS2480B和DS2490適合嵌入式應(yīng)用，但它們通常應(yīng)用在PC機(jī)端口適配器中。