為嵌入式應(yīng)用選擇合適的1-Wire®主機

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)。文章還介紹了針對具體應(yīng)用尋找最具性價比的1-Wire主機的指令和決策表。這里假設(shè)讀者熟悉1-Wire通信和微控制器的基本知識。

引言

1-Wire總線是一個簡單的信號傳輸電路，可通過一根共用的數(shù)據(jù)線實現(xiàn)主控制器與一個或一個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的單觸點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(yīng)用如下：打印墨盒或醫(yī)療消耗品的識別;機架卡的校準(zhǔn)和控制;印刷電路板、配件及外設(shè)的識別和認證;知識產(chǎn)權(quán)保護、防克隆、安全功能控制。

采用1-Wire技術(shù)時，需要通過1-Wire主機發(fā)送信號來識別總線上的器件并與它們通信。構(gòu)建一個1-Wire主機有很多方法。本文討論了嵌入式應(yīng)用的主機，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1-Wire大型網(wǎng)絡(luò)或從器件數(shù)目較多時，可參考應(yīng)用筆記148：1-Wire網(wǎng)絡(luò)可靠設(shè)計指南。

1-Wire術(shù)語

首先解釋幾個1-Wire文檔中常見的術(shù)語。

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，需要一個主機(計算機)告訴它們在1-Wire側(cè)如何工作。主機接口指1-Wire主控制器和“系統(tǒng)中更高級的指揮官” (即主機)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，時隙之間的恢復(fù)時間也越短。

強上拉

強上拉是指一種在時隙之間向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);安全存儲器(當(dāng)SHA-1引擎運行時);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，強上拉是必需的;同樣的1-Wire從器件處于5V環(huán)境中時，強上拉則是可選的。

1-Wire時序

下面介紹1-Wire時隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測時序波形的一般形式，以及產(chǎn)生這些波形的方法?？梢圆捎锰厥獾挠布?如自帶定時發(fā)生器的芯片)或通過軟件直接產(chǎn)生波形。對于軟件開發(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，則可能會增加軟件開發(fā)和測試成本。如果應(yīng)用軟件是用高級語言編寫的，采用軟件方式時需要特別考慮。對于產(chǎn)生時隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測時序的低級功能來說，均有必要用匯編語言編寫，這樣一來可以計算出執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期個數(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(下文中提到的)均支持高速模式。1類主機是否支持高速模式取決于微控制器性能(時鐘速率，每指令周期所需時鐘周期個數(shù))。

有源上拉

1-Wire總線或網(wǎng)絡(luò)是一個開漏環(huán)境，0V (邏輯0)為有效狀態(tài)。空閑時，總線通過一個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間內(nèi)旁路上拉電阻。小型網(wǎng)絡(luò)或只有一個從器件的網(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1-Wire從器件時，無需延長時隙之間的恢復(fù)時間。各種1-Wire主機的旁路上拉強度(阻抗)和控制有源上拉時間的方法有所不同。

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：

微處理器端口-引腳連接

內(nèi)置1-Wire主機的微控制器

合成的1-Wire總線主機

串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

每個分類介紹了一個或多個電路。給出了電路原理圖，列出了前提條件，衡量了優(yōu)缺點，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. 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備用雙向端口及一定的程序存儲器空間。電路的優(yōu)點在于它的額外硬件成本極低，僅需一個上拉電阻。缺點在于，1-Wire時序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時間和成本。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現(xiàn)強上拉。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總線上掛接多個從器件時，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鐘頻率和/或較低的每指令周期時鐘數(shù)。更多信息，請參閱應(yīng)用筆記3829：確定多從機1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時間和應(yīng)用筆記126：用軟件實現(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)點是不需要雙向端口。缺點在于，1-Wire時序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時間和成本。根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，有時需要其它端口引腳提供強上拉。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總線上掛接多個從器件時，RPUP值應(yīng)取低一些。此時，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鐘頻率和/或較低的每指令周期時鐘數(shù)。更多信息請參閱應(yīng)用筆記3829：確定多從機1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時間和應(yīng)用筆記126：用軟件實現(xiàn)1-Wire通信。應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。