利用單總線傳輸數(shù)據(jù)與電源

1 概述

為滿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(shù)據(jù)線和電源線組成的多總線方式（如I2C）來實現(xiàn)，此外，還需要地線、參考線等。而如果沿著電纜線也能夠傳送電源的話，那么就可替代外部電源來為系統(tǒng)供電。一種巧妙的、從數(shù)據(jù)線上“盜電”的方法使大多數(shù)新型通信系統(tǒng)能夠在單總線上雙向傳送數(shù)據(jù)，并同時為遠端器件供電，這就是所謂的單總線微網(wǎng)。單總線系統(tǒng)是利用電容、二極管構(gòu)成的音波整流器來為單總線器件（如識別芯片、讀/寫存儲器、可尋址開關(guān)、數(shù)字溫度傳感器等）供電。這種方式省去了額外的連線和遠端電源，同時有效降低了系統(tǒng)成本。更有意義是，單總線上掛接的器件具有唯一的序列號和自定時控制器，因此簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

2 單總線微網(wǎng)

單總線微網(wǎng)是允許PC機或微控制器通過雙絞線與單總線器件通訊的網(wǎng)絡(luò)，通常為漏極開路I/O和主/從多點結(jié)構(gòu)。并在數(shù)據(jù)線的靠近主機端接一個上拉電阻至5V電源，整個網(wǎng)絡(luò)由三部分組成。分別為主機與控制軟件、連接線與相連接器、單總線器件。圖1所示是用單總線溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的單總線微網(wǎng)原理圖。任何標準的微控制器，如時鐘頻率不低于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。該電路利用時隙的長短表示二進制的“1”或“0”，在數(shù)據(jù)速率為14.4kbps(115.2/8=14.4)時，PC機可以在7ms內(nèi)查找到總線上的某個節(jié)點開始接收數(shù)據(jù)。

DS0621-SDK專業(yè)軟件開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)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，由單總線器件內(nèi)部的二極管和電容從數(shù)據(jù)線上“盜電”提供。數(shù)據(jù)傳輸模式半雙工方式，位流（包括數(shù)據(jù)與回波）將在一對雙絞線上傳輸，雙絞線可選用廉價、通用的5類、低容性負載的非屏蔽電話線。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(shù)據(jù)通常與時隙相對應(yīng)，例如，在給某單總線器件寫邏輯“1”時，主機將保持總線為低電平、且保持低電平的時間不超過15μs；在寫邏輯“0”時，主機需保持總線為低電平的時間至少為60μs，以便在最霈的條件下不產(chǎn)生誤碼，由于每個單總線器件均由內(nèi)置振蕩提供時鐘，因此，系統(tǒng)不需要提供額外時鐘。圖2是通過由內(nèi)置半波整流器從數(shù)據(jù)總線獲得工作電壓的電路原理圖，當數(shù)據(jù)總線被上拉至高電平時，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，數(shù)據(jù)線被拉至低電平，在此期間，電容上存儲的電荷將用于為芯片內(nèi)部的振蕩器及控制電路供電，直到數(shù)據(jù)線恢復到2.8V以上時，整流二極管再次導通為電容被充能量。在微網(wǎng)系統(tǒng)啟動工作時，主機首先將總線置為低電平保持480μs以使系統(tǒng)復位；接下來主機將查詢總線上各個從機發(fā)出的在線脈沖，如圖3所示，復位脈沖后面跟隨的在線脈沖表明DS18B20已準備就諸，可以接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。此后，主機通過呼叫從機地址及發(fā)送器件所屬家庭的特定指令即可實現(xiàn)主機與從機間的數(shù)據(jù)傳送。圖4是以溫度傳感器DS18B20為例說明傳送信息的時隙圖，在執(zhí)行寫，主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，同時寫時隙被初始化，每次寫操作時間不得低于60μs，而且兩次寫操作之間應(yīng)有1μs的恢復時間。DS18B30在數(shù)據(jù)線為低電平后的15μs至60μs之間從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，如果在此期間數(shù)據(jù)線為高電平，則DS18V20被寫入“1”；如果數(shù)據(jù)線與低電平，則DS18B20被寫入“0”。因此，寫“1”時，主機將數(shù)據(jù)線置低，并在15μs內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，以使其恢復至高電平。寫“0”時，主機則將數(shù)據(jù)線置為低電平，并保持至少60μs。主機從DS18B20讀取數(shù)據(jù)的時隙與寫操作相似，可參考圖4。

單總線器件的識別碼存儲在光刻ROM內(nèi)，唯一的48位序列號表示其節(jié)點地址。共有248個不同的序列號，因此，LAN上不會出現(xiàn)重復的節(jié)點地址，這也是微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)于其他現(xiàn)有標準網(wǎng)絡(luò)的一個主要特點。單總線器件的識別碼除了48位序列號外，還包括8位家庭碼和8位CRC校驗碼，8位家庭碼表示器件所屬的產(chǎn)品類別，如：NVRAM、EEPROM、溫度傳感器、時鐘芯片等，位于64位識別的第一字節(jié)；CRC校驗碼位于最后一個字節(jié)，是前端7個字節(jié)所包含數(shù)據(jù)的CRC校驗碼，主機根據(jù)CRC校驗碼判斷所讀取的從機址是否正確。

3 典型應(yīng)用

由一臺PC機和DS9097COM端口適配器、單片DS2401硅序列號即可構(gòu)成一個最簡單的微網(wǎng)系統(tǒng)，DS2401適用于身份識別和狀態(tài)檢測，如用于監(jiān)測開關(guān)的通斷等。當DS2401通過一個開關(guān)連接到總線上時（圖5），主機便可利用TMEX中的查詢指令來呼叫并讀取DS2401的序列號。如果開關(guān)斷開，器件未連接到總，主機將無法得到DS2401的應(yīng)答。利用這種簡單的查詢技術(shù)可確定某一實體是否存在。并可在安全監(jiān)控系統(tǒng)中用于監(jiān)測門、窗的狀態(tài)（關(guān)閉或打開）。同樣，如果把DS2401接到總線的最遠端，則可監(jiān)測單部系統(tǒng)的完整性。如果總線上掛接有內(nèi)置存儲器的單總線器件（如用內(nèi)置1kb EPROM的DS2502替代DS2401），那么主機還可以讀取到有關(guān)實體的一些附加數(shù)據(jù)，這就是所謂的電子標簽識別系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可進行庫存管理、證件識別、人事檔案管理等。并可針對不同的自動識別應(yīng)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。

微網(wǎng)總線長度可達300米，總線上允許掛接數(shù)百個電子標簽，當然，實際應(yīng)用中所能掛單總線器件數(shù)與主機完成一次全部在線器件的讀取操作所需要的時間有關(guān)，同時也受雙絞線物理尺寸的限制。例如，在包含有500個單總線器件的微網(wǎng)上，用PC機的一個CPM端口適配器執(zhí)行一次查詢指令需要12秒。因為讀取時間由UART控制，因此，微處理器的時鐘速率不影響查詢時間。

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存儲醫(yī)療記錄、信用信息、保密等級等內(nèi)容，這引起信息為識別系統(tǒng)提供了安全可靠的保證。

總之，單總線微網(wǎng)是一種低成本、易安裝、可實現(xiàn)多點通信的網(wǎng)絡(luò)標準。該系統(tǒng)一般采用PC機或微控制器作為主機，并利用兼價的雙絞線傳送數(shù)據(jù)和電源。另外，單總線器件具有唯一的序列號，它們可以始掛接在總線上，它可以脫離總線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(shù)據(jù)時通過專用接口組件與總線連接。由此可見，單總線微網(wǎng)可為倉庫管理、自動識別系統(tǒng)、安全防范等系統(tǒng)應(yīng)用提供一種簡單有效的實現(xiàn)方案。