單總線（1-Wire Bus）技術及其應用

關鍵詞：單總線 單總線協(xié)議 iButton

1 引言

目前常用的微機與外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€主要有I2C總線、SPI總線和SCI總線。其中I2C總線以同步串行2線方式進行通信（一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)線），SPI總線則以同步串行3線方式進行通信（一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線），而SCI總線是以異步方式進行通信（一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線）的。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號線。近年來，美國的達拉斯半導體公司（DALLAS SEMICONDUCTOR）推出了一項特有的單總線（1-Wire Bus）技術。該技術與上述總線不同，它采用單根信號線，既可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴展和維護等優(yōu)點。

單總線適用于單主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。主機可以是微控制器，從機可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。當只有一個從機設備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作；當有多個從設備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。圖1所示是單總線多節(jié)點系統(tǒng)的示意圖。

2 單總線的工作原理

顧名思義，單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。設備（主機或從機）通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其它設備使用總線，其內部等效電路如圖2所示。單總線通常要求外接一個約為4.7kΩ的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，其狀態(tài)為高電平。主機和從機之間的通信可通過3個步驟完成，分別為初始化1-wire器件、識別1-wire器件和交換數(shù)據(jù)。由于它們是主從結構，只有主機呼叫從機時，從機才能應答，因此主機訪問1-wire器件都必須嚴格遵循單總線命令序列，即初始化、ROM、命令功能命令。如果出現(xiàn)序列混亂，1-wire器件將不響應主機（搜索ROM命令，報警搜索命令除外）。表1是列為ΔΙΩ命令的說明，而功能命令則根據(jù)具體1-wire器件所支持的功能來確定。

表1 ROM命令說明

3 信號方式

所有的單總線器件都要遵循嚴格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。1-wire協(xié)議定義了復位脈沖、應答脈沖、寫0、讀0和讀1時序等幾種信號類型。所有的單總線命令序列（初始化，ROM命令，功能命令）都是由這些基本的信號類型組成的。在這些信號中，除了應答脈沖外，其它均由主機發(fā)出同步信號，并且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。圖3是這些信號的時序圖。其中，圖3(a)是初始化時序，初始化時序包括主機發(fā)出的復位脈沖和從機發(fā)出的應答脈沖。主機通過拉低單總線至少480μs產生Tx復位脈沖；然后由主機釋放總線，并進入Rx接收模式。主機釋放總線時，會產生一由低電平跳變?yōu)楦唠娖降纳仙兀瑔慰偩€器件檢測到該上升沿后，延時15～60μs，接著單總線器件通過拉低總線60～240μsμ來產生應答脈沖。主機接收到從機的以應答脈沖后，說明有單總線器件在線，然后主機就可以開始對從機進行ROM命令和功能命令操作。圖3中的（b）、（c）、（d）分別是寫1、寫0和讀時序。在每一個時序中，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。所有的讀、寫時序至少需要60μs，且每兩個獨立的時序之間至少需要1μs的恢復時間。圖中，讀、寫時序均始于主機拉低總線。在寫時序中，主機將在拉低總線15μs之內釋放總線，并向單總線器件寫1；若主機拉低總線后能保持至少60μs的低電平，則向單總線器件寫0。單總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，當主機向單總線器件發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產生讀時序，以便單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。在主機發(fā)出讀時序之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0或1。若單總線器件發(fā)送1，則總線保持高電平，若發(fā)送0，則拉低總線。由于單總線器件發(fā)送數(shù)據(jù)后可保持15μs有效時間，因此，主機在讀時序期間必須釋放總線，且須在15μs的采樣總線狀態(tài)，以便接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖3 單總線的幾種信號時序

4 單總線器件

通常把掛在單總線上的器件稱之為單總線器件，單總線器件內一般都具有控制、收*發(fā)、存儲等電路。為了區(qū)分不同的單總線器件，廠家生產單總線器件時都要刻錄一個64位的二進制ROM代碼，以標志其ID號。目前，單總線器件主要有數(shù)字溫度傳感器（如DS18B20）、A/D轉換器（如DS2450）、門標、身份識別器（如DS1990A）、單總線控制器（如DS1WM）等。這里介紹一種iButton形式的單總線器件，它是利用瞬間接觸來進行數(shù)字通信的，這些器件的應用已經(jīng)滲透到貨幣交易和高度安全的認證系統(tǒng)之中。IButton是采用紐扣狀不銹鋼外殼封裝的微型計算機晶片，它具有抗撞擊、防水漬、耐腐蝕、抗磁擾、防折疊、價格便宜等特點，能較好的解決傳統(tǒng)識別器存在的不足，同時又可滿足系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性方面的要求。

IButton主要有三種類型，分別是Memory iButton（存儲器）；Java-powered cryptographic iButton（加密型）；Thermochron iButton（溫度型）。存儲型iButton最大存儲空間為64kB，可以存儲文本或數(shù)字照片。加密型iButton是一種微處理器和高速算法加速器，可以產生大量需要加密和解密的數(shù)據(jù)信息，它的運行速度非?？?，可與Internet應用相結合，并可應用于遠程鑒定識別。溫度型iButton可以測量溫度變化，它內含溫度計、時鐘、熱記錄和存儲單元等。

圖4 安防系統(tǒng)硬件原理圖

5 單總線器件的應用

現(xiàn)以單總線器件iButton在安防系統(tǒng)上的應用為例來進行說明，該安防系統(tǒng)就是利用iButton來進行門禁識別的。其門禁識別部分的硬件原理圖如圖4所示，它由主機微控制器、從機（包括iButton信息讀取頭和iButton）、主機通過RS485進行遠程通信（或通過MicroWeb連上Internet）等三部分組成。微控制器采用Microchip公司的PIC16F873芯片，而API8108A語音芯片則用來告訴用戶系統(tǒng)信息；iButton采用DS1990A，信息讀取頭被讀取并同時送到主機微控制器，然后由主機把收到的標識碼與原先存儲的iButton標識碼進行比較判斷，若吻合，則系統(tǒng)按設定要求程序工作，否則，系統(tǒng)給出語音提示。DS1990A與主機微控制器之間的通信軟件設計流程圖如圖5所示。

通常主機與單總線器件的通信都是通過初始化、寫0、寫1、讀0、讀1時序來的完成的，下面給出用匯編語言編寫的子程序，需要說明的是，這些程序雖然是針對iButton所寫的，但適用于所有的單總線器件，且簡單易懂，現(xiàn)予給出，以供大家參考。

RESET BSF RB2 ;主機拉低總線

CALL DELAY_500us ；給500μs復位脈沖

BCF RB2 ;釋放總線

CALL DELAY_200us

BTFSC BR1 ;檢測iButton返回應答脈沖否

GOTO RESET ;否，再給它復位脈沖

CALL DELAY_500us ；是，返回

RETURN

WRITE_0 BSF RB2 ;對iButton寫0時序子程序

CALL DELAY_10us

CALL DELAY_60us

BCF RB2

CALL DELAY_10us

RETURN

WRITE_1 BSF RB2 ;對iButton寫1時序子程序

CALL DELAY_10us

BCF RB2

CALL DELAY_60us

RETURN

READ_TIME BSF RB2 ;對iButton讀數(shù)據(jù)時序

NOP

NOP

NOP

BCF RB2

CALL DELAY_10us

RETURN

6 總結

單總線技術以其線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、軟件設計簡單優(yōu)勢而有著無可比擬的應用前景?；趩慰偩€的iButton技術能較好地解決傳統(tǒng)識別器普遍存在的攜帶不便、易損壞、易受腐饋、易受電磁干擾等不足，可應用于高度安全的門禁、身份識別等領域。其通信可靠簡單，很容易實現(xiàn)。因此單總線技術有著廣闊的應用前景，是值得產注的一個發(fā)展領域。