Разработчиком платформы 1-Wire является Dallas Semiconductor Corporation (US). В 2001 году она была приобретена гигантом мировой микроэлектроники фирмой Maxim Integrated Products (US). Платформа включает серию микросхем и устройств iButton на их основе, а также различные адаптеры, наборы для макетирования и программное обеспечение.

Производство микросхем и устройств iButton является исключительной прерогативой фирмы Maxim, их клонирование другими производителями политикой лицензирования не предусмотрено. В то же время сторонние фирмы разрабатывают и производят на основе микросхем данной платформы разнообразные модули для систем автоматизации, адаптеры, контроллеры, системы макетирования, а также ПО.

Рис.1. Компоненты платформы 1-Wire.

Платформа разрабатывалась с конца 80-х до конца 90-х годов и предназначалась для задач контактной идентификации объектов, в т.ч. с функциями измерения и регистрации температуры, влажности, параметров автономного электропитания, а также с функциями съема, хранения и переноса данных. Широко распространенным образцом такого рода применения является ключ-таблетка для домофона. Менее известным, но также широко распространенным является использование платформы 1-Wire для решения задач идентификации и регистрации параметров картриджей, материнских плат, биологических объектов, идентификации и защиты от несанкционированного доступа различных боксов, контейнеров и т.п. Суть данного целевого назначения и принципа действия отражена в термине «Touch Memory» (контактная память), который часто используют для упоминания устройств iButton. Подробную информацию о штатных областях применения и достоинствах платформы 1-Wire можно найти на следующих страницах сайта фирмы Maxim Integrated:

Несмотря на такое изначально узкоцелевое назначение, платформа 1-Wire по своим технико-экономическим характеристикам оказалась весьма подходящей для бюджетных решений определенных категорий АСУ ТП. Продвижение платформы в нишу автоматизации явилось предпосылкой ее использования в дальнейшем и в системах «умного» дома, в первую очередь в системах контроля микроклимата и метеоусловий, что обусловлено составом датчиков. Особо по вкусу платформа пришлась мелким частным компаниям и разного рода умельцам, разработавшим для нее ряд программных средств, контроллеров, периферийных модулей, а также создавшим ряд проектов домашней автоматизации.

Оценки доли платформы на рынке систем домашней автоматизации отсутствуют.

Базовыми решениями, на которых основана платформа, являются следующие:

A. Двухпроводный интерфейс.

Вместе с тем в устройствах, имеющих функцию автономной регистрации данных, т.е. без подключения к магистрали, предусматривается внутренний источник питания (литиевая батарейка), а питание устройств с повышенным потреблением производится от внешнего источника по отдельной линии.

Ограничение магистрали всего двумя линиями позволяет обеспечить гарантированный контакт внешних цепей устройства iButton с цепями контактного устройства магистрали «легким движением руки», т.к. для этого требуется механическое сопряжение всего двух пар элементов. Именно в этом, собственно говоря, и заключается главное достоинство «двухпроводности» применительно к первоначальным задачам платформы 1-Wire.

B. Индикация подключения в горячем режиме.

Протокол 1-Wire предусматривает выдачу устройством, поключаемым к магистрали в горячем режиме, импульса, оповещающего о появлении на магистрали нового устройства. Необходимость такого оповещения также дикутется особенностями целевого назначения платформы, поскольку обмен с устройством iButton должен инициироваться в момент его подключения к магистрали.

C. Уникальный идентификатор устройства

Каждая микросхема 1-Wire содержит уникальный 64-битный код, записываемый на этапе производства. Данный код позволяет индивидуализировать все выпускаемые устройства 1-Wire, для чего производитель гарантирует отсутствие одинаковых кодов (аналогично MAC-адресам сетевых адаптеров). При подключении к магистрали данный код считывается контроллером и используется для идентификации связанного с этим устройством объекта, а также для определения типа устройства. При подключении к магистрали нескольких устройств их коды могут использоваться в качестве их адресов, что позволяет строить технологические сети, получившие название MicroLAN.

Замечание. Для задач автоматизированного управления, к которым, в том числе, относятся и задачи «умного дома», данные решения не дают каких-либо преимуществ. Так, нет ощутимой разницы при использовании в современном интерьере двухпроводного и, например, четырехпроводного кабеля, тем более, что использование исполнительных устройств все равно потребует отдельной линии питания. Также не актуальна для домашней автоматики возможность подключения устройства в «горячем» режиме, если только это не ключ электронного замка. Использование же в качестве адреса устройства его идентификатора вместо установки фиксированного, регламентированного проектом, вообще сопряжено с определенными неудобствами наладки и ремонта сети, хотя разработчик и предлагает соответствующие алгоритмы самонастройки и адаптации, а также возможность установки с помощью внешних перемычек для ряда устройств дополнительного 4-х битного локального адреса. Пригодность платформы для отдельных ниш автоматизации вытекает из ее дешевизны, простоты применения, наличия в составе ряда востребованных датчиков, устройств сопряжения со стандартными интерфейсами, драйверов для распространенных операционных систем, а также наличием возможности расширения функционала за счет применения элементной базы общего назначения.

Сеть на базе протокола 1-Wire имеет централизованную архитектуру. Информационный обмен происходит под управлением центрального контроллера - «мастера», остальные сетевые устройства имеют статус «слэйв» (рис.3). В качестве контроллера сети может использоваться любое программируемое устройство, имеющее внешний интерфейс. Для согласования контроллеров с магистралью 1-Wire в составе программно-технических средств платформы имеются адаптеры и драйверы для проводных последовательных интерфейсов RS-232, RS-485, I2C, SPI, Ethernet, для параллельного интерфейса LPT, а также для Wi-Fi.

Рис.3. Конфигурация сети MicroLAN на базе протокола 1-Wire

Топология сети может иметь как линейную, так и ветвящуюся древовидную структуру. Основные параметры интерфейса 1-Wire следующие:

• максимальная длина магистрали при использовании витой пары - до 300 м;
• максимальное количество абонентов на магистрали максимальной длины - до 250;
• скорость обмена по магистрали максимальной длины - до 16,3 кбит/c;

Для магистрали рекомендуется ипользовать стандартную витую телефонную пару CAT5. В случае использования стандартного телефонного провода с двумя парами вторую пару использовать для других целей не рекомендуется во избежание увеличения емкости линии, т.е. в случае подачи внешнего питания на устройства желателен отдельный кабель.

Обмен данными по магистрали включает три фазы (рис.4):

• фазу сброса, включающую импульс сброса от контроллера и ответный импульс подтверждения присутствия от абонента (абонентов);
• фазу выборки устройства, включающую команду его выборки (по коду, без кода, групповую, поиска) и его код, если командой он предусмотрен;
• фазу записи/чтения данных, включающую код команды и данные.

Рис.4. Циклограмма обмена данными

Логика всех устройств тактируется отрицательным фронтом сигналов контроллера как в режиме записи, так и в режиме чтения. Биты кодируются длительностью положительного импульса: «1» передается длинным импульсом, а «0» - коротким. В режиме записи все импульсы данных формируются контроллером. В режиме чтения контроллер формирует последовательность единиц, а абонент накладывает на них свою маску нулей (рис.5).

Рис.5. Тактирование и кодирование на физическом уровне

Более подробные сведения об архитектуре магистрали 1-Wire приведены в следующих официальных документах фирмы Maxim:

Архитектура ЗУ и регистров периферийных устройств платформы организована таким образом, что совокупность всех сетевых устройств может быть представлена как единая файловая система, что позволяет работать с сетью как с интегрированным носителем данных. Описание ее структуры приведено в AN114 1-Wire File Structure .

Номенклатура микросхем платформы 1-Wire и устройств iButton включает как простые носители кода идентификации, так и носители кода идентификации с дополнительными функциями, в т.ч.

• с функциями различных типов ЗУ - Memory EPROM, EEPROM, ROM, NV SRAM ;
• с функциями измерения температуры - Temperature Sensors ;
• с функциями мониторинга, защиты и конфигурирования элементов электропитания - Battery Monitors, Protectors, and Selectors и Battery ID and Authentication ;
• с функциями хронирования - Timekeeping & Real-Time Clocks ,

а также интерфейсные микросхемы для сопряжения контроллеров с магистралью 1-Wire - 1-Wire Interface Products .

Вся схемотехника, реализующая архитектуру, уже заложена в микросхемах платформы. При разработке периферийных устройств разработчику остается только добавить обвязку для сопряжения с датчиками, актюаторами и устройствами индикации, элементы защиты внешних цепей и, если потребуется, элементы внешнего электропитания. При разработке интерфейсных адаптеров необходима, соответственно, обвязка для сопряжения микросхем - драйверов магистрали с интерфейсом контроллера сети. На рис. 6 в качестве примера приведен фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн.

Рис.6. Фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн

На базе комплектующих 1-Wire, выпускаемых фирмой Maxim, производится достаточно большое разнообразие конструктивно и функционально законченных устройств для систем автоматизации, в т.ч. для «умного» дома. Такие устройства включают различные адаптеры и серверы магистрали, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, датчики, кабели и пр. Номенклатура, характеристики и цены таких устройств приведены на сайтах их производителей, к числу наиболее известных из которых относятся:

Наиболее развитую номенклатуру OEM-устройств, включающую в т.ч. и управляемые розетки для коммутации электропитания, предлагает НТЛ ЭлИн. За рубежом наибольшей популярностью пользуются модули фирмы Embedded Data Systems. Однако в целом число OEM-производителей невелико, они не относятся к категории «гигантов» индустрии средств автоматизации и, кроме того, в значительной степени ориентированы на рынок домашних умельцев.

Рис.7. Примеры OEM-модулей 1-Wire

Фирма Maxim Integrated предоставляет для программирования систем на базе 1-Wire библиотеки API и SDK для широкого ряда платформ - персональных компьютеров с ОС Windows/Linux/MacOS, мобильных устройств, микроконтроллеров, .NET и JAVA. Их общее описание приведено в AN155 , а описание конкретных пакетов со ссылками на скачивание дистрибутивов и документации приведено в следующих документах:

Предлагается также программный cканер сети OneWire Viewer , позволяющий находить и идентифицировать подключенные к сети устройства и отображать полный перечень их параметров и данных.

Из сторонних разработок наибольший интерес представляют следующие:

Существует также большое число специализированных программ, разрабатываемых под узкие задачи (см., например, для модулей НТЛ ЭлИн).

Для одного из проектов по автоматизации потребовалось сделать устройство, которое является подчинённым 1-Wire устройством, принимает команды от мастера и выставляет на своих выходах значение аналогового сигнала в диапазоне от 0 до 10В.
Проанализировав линейку стандартных микросхем 1-Wire от Maxim, стало ясно, что нет микросхемы, которая позволит реализовать подобный функционал.
Потому было принято решение реализовывать 1-Wire slave на микроконтроллере. Надеюсь, данный материал будет интересен и полезен людям, которые делают «умный дом» своими руками, т.к. 1-Wire достаточно популярная шина в подобных проектах. В качестве камня был выбран МК Cortex M0+ ATSAMD20G16 от Atmel, но о реализации в коде расскажем во второй части. Забегая немного вперед, скажу что в третьей части цикла пойдет речь о реализации собственного семейства устройств для линуксовой библиотеки OWFS (One Wire File System). А сегодня расскажем о некоторых аппаратных решениях, к которым мы пришли в процессе разработки.

Речь в основном пойдет о том как подключить ногу микроконтроллера к 1-Wire шине с минимальным вредом для здоровья. Будем двигаться от простого к сложному.

Преобразование уровней

Самый простой вариант - двунаправленный преобразователь уровня на транзисторе. Для него потребуется где-то брать 5В со стороны шины 1-Wire.
Первый вариант - делать 5В на своем устройстве (помимо 3.3В) для «запитки» шины. Как следствие, усложнение схемотехники.
Второй вариант - прокладывать шину 1-Wire в три провода . Третьим проводом идёт линия питания +5В. Из проблем - лишний провод, просадка напряжения на длинном проводе.

Согласование уровней

Если очень не хочется использовать +5В можно разделить сигнальную линию на 2 составляющих (вход и выход)

Важно учесть, что при такой схеме линии со стороны контроллера получаются инверсными.
В качестве бонуса, разделение линии данных на 2 части позволяет несколько упростить дальнейшую отладку софта, т.к. позволяет видеть осциллографом отдельно выходящие от нас сигналы (линия 1-Wire Tx ), не смешанные с сигналами других устройств на шине.

Повышаем устойчивость

Для того что бы сделать прием данных по 1-Wire более уверенным необходимо сделать крутые фронты импульсов со стороны микроконтроллера. Для этого воспользуемся компаратором от TI LMV331 , который обеспечит более точный и резкий переход между логическими «0» и «1», а так же гистерезис 160mV. Еще заменим выходной би-полярный транзистор BC547 на полевой IRLML6346 и поставим защитный TVS диод ESD5Z6 на 6В.


Для данной схемы компаратор потребуется запитать от 5В. Где их можно взять было сказано выше.

Развязанный 1-Wire

Для обеспечения электрической развязки шины 1-Wire и внутренней электроники устройства воспользуемся изолированным транслятором уровней ADuM1201 , и изолированным DC/DC конвертор TES 1-1211 . Как и в предыдущем случае, линию данных 1-Wire делим на 2 линии: 1W_Rx и 1W_Tx.


DC/DC конвертор с 12 на 5 вольт взят для примера, можно использовать аналогичный 3.3/5.

Остальная схемотехника

Для полноты картины покажем схемотехнику подключения микроконтроллера, а так же выходных аналоговых каналов 0-10В.




Т.к. протокол 1-Wire требует наличие уникального адреса для каждого устройства на шине, на плату ставим 1-Wire UID от Maxim DS2411 . Будучи для неё мастером шины будем считывать её UID и использовать его в качестве собственного адреса. У DS2411 код семейства 0x01 (family code - старший байт UID’а). Мы же на сайте OWFS выберем незанятый код семейства для нашего нового устройства и будем подменять первый байт.

Как уже было сказано, во второй части приступим к программной реализации протокола 1-Wire Slave.

Цель этой статьи - рассказать, как использовать эти датчики (или другие устройства сети) в суровых "полевых условиях". Не секрет, что на столе под лампой светлой цифровой датчик DS18B20 или его бюджетный брат DS18S20 замечательно работает с минимальным обвязом со стороны микроконтроллера в т.н. двухпроводной схеме:

Дополнительная выделенная линия питания сулит нам следующие "бонусы":

1. Длина сетевого кабеля 100 метров и более;
2. Количество одновременно подключенных датчиков - не менее 32шт.;
3. Разрешающая способность АЦП - 0,0625 °C и точность измерения - 1°C.

Однако, еще остается борьба с помехами на длинных линиях связи. Простейшей защитой является включенный в обратном направлении диод Шоттки между линией данный и общим проводом, именно так советует поступать Brian C. Lane , автор популярного проекта DigiTemp . Мы лишь немного расширим данное решение для трехпроводной схемы включения:

L1, L2 - фербиды BLM21AG221SN1D - индуктивности для защиты от высокочастотных помех, возникающих при коммутации сильноточных потребителей;

C1 - керамический конденсатор, естественный спутник ножек питания цифровой микросхемы;

IC1 - собственно цифровой датчик температуры DS18B20Z в корпусе SOIC8.

Все компоненты - SMD (0805 и SOT23) для уменьшения размера платы датчика:

После сборки, плата температурного датчика выглядит следующим образом:

Обязательно защищаем плату датчика от влаги (цапонлаком или акриловым лаком):

Для монтажа датчика на поверхность, например на трубопровод, очень хорошо подходит самовулканизирующаяся резиновая изолента. Кроме того, необходимо хорошо теплоизолировать точку установки датчика. Я использую пористую самоклеющуюся ленту.

Контактные площадки для пайки кабеля сети 1-Wire сознательно сделаны крупными и вот почему...

Трактат о проводочках кабеля

Самой распространенной ошибкой при построении сети 1-Wire является выбор в пользу Ethernet-кабеля Cat.5 ! Подавляющее большинство читателей скажет - "у нас все очень хорошо и бодро работает на обрезках сетевухи ". Не спорю ни в коем случае, кабель Cat.5 длиной 10..30 м вполне годится для 3-х проводного способа подключения датчиков, более того - вот вам рекомендованная схема использования народного кабеля, которую и сам использую на даче для водоснабжения дома:

"Ну таки и в чем дело?" - скажет проницательный читатель. А вот в чем: в кардинальном различии "физики и логики" сетей Ethernet и 1-Wire. Не вдаваясь в сложности организации сети Ethernet, просто прошу поверить (и с мультиметром про верить) в то, что из-за значительного падения напряжения на длинных и весьма тонких проводах кабеля Cat.5e датчику сети 1-Wire банально не хватает напряжения питания !

Интерфейс 1-Wire разработан фирмой Dallas Semiconductor, все права на этот интерфейс принадлежат исключительно этой фирме (Которая, впрочем, уже давно прекратила свое самостоятельное сущестование и перешла под крыло корпорации MAXIM Inc.).
Чем привлекателен этот интерфейс? Разумеется, малым количеством выводов МК, требующихся для подключения практически неограниченного количества микросхем. В самом деле, двусторонний обмен требует всего 1 линию! Кроме того, ассортимент устройств с этим интерфейсом весьма широк. Наконец, протокол обмена по этому интерфейсу очень прост и легко реализуется программно практически на любых МК хотя есть и специальные микросхемы-адаптеры).

Фирменная документация по указанному интерфейсу и устройствах, его поддерживающих, находится по адресу http://www.maxim-ic.com/1-Wire.cfm.

Аппаратная реализация интерфейса 1-Wire

На рисунке показана упрощенная схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire. Вывод DQ устройства представляет собой вход КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии - около 100 Ом. Когда транзистор заперт - имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА) на общий провод.
Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к напряжению питания устройств (которое, кстати, может быть от 3 до 5В - уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удаленных на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить. Чуть позже я коснусь этой проблемы и поясню причины необходимости такого уменьшения сопротивления, а пока скажу, что минимально допустимое его сопротивление - около 300 Ом, а максимальное - около пары-тройки десятков килоом. Данные величины - ориентировочные, вы всегда должны уточнить по характеристикам конкретного устройства 1-Wire его максимальный втекающий ток линии DQ, который, собственно, и определяет минимум внешнего сопротивления.
Подключение шины 1-Wire к МК показано условно в двух вариантах: с использованием 2 отдельных выводов МК (один в качестве выхода, а другой в качестве входа), так и одного, работающего и на ввод и на вывод. Разделение этих способов показано пунктирной линией, условно обозначающей границу корпуса МК. С некоторой натяжкой можно представить себе логическое строение шины 1-Wire как всем известное соединение выводов микросхем с открытым коллектором по схеме "монтажное ИЛИ". Очевидно, что передача какой-либо информации при этом возможна только выдачей низкого уровня в линию, т.е. замыканием ее на общий провод, а в высокий логический уровень линия вернется сама, благодаря наличию внешнего подтягивающего резистора. Так же очевидно, что одновременная передача нескольких устройств обречена на неудачу из-за полного искажения информации (все передаваемые единицы одного устройства будут подавлены передаваемыми нулями от другого устройства).

Программная реализация интерфейса 1-Wire

А теперь о том, как происходит обмен информацией по шине 1-Wire. Основные постулаты.
1. Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в большинстве случаев является микроконтроллером (МК).
2. Любой обмен информацией начинается с подачи импульса сброса ("Reset Pulse" или просто RESET) в линию 1-Wire ведущим устройством.
3. Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств.
4. Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения питания выдает в линию DQ импульс присутствия, называемый "Presence pulse" (далее я буду использовать термин PRESENCE). Этот же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал RESET.
5. Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства.
6. Обмен информации ведется так называемыми тайм-слотами: один тайм-слот служит для обмена одним битом информации.
7. Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. Достоверность переданных/принятых данных (проверка отсутствия искажений) гарантируется путем подсчета циклической контрольной суммы.
Основные постулаты определяют логический низкоуровневый протокол обмена данными.
На следующем рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными. Кстати, выдача импульса RESET в процессе обмена служит для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Диаграмма сигналов инициализации обмена

Как видим, длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет только ограничение только по минимуму (не меньше указанного). Условные обозначения линий, показанные на Рис. 2, будут использоваться и далее.
Импульс RESET формирует ведущий МК, переводя в низкий логический уровень шину 1-Wire и удерживая ее в этом состоянии минимум 480 микросекунд. Затем МК должен "отпустить" шину. Через некоторое время, зависящее от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, в линии установится высокий логический уровень. Протокол 1-Wire ограничивает это время "релаксации" диапазоном от 15 до 60 микросекунд, что и является определяющим для выбора подтягивающего резистора (как правило, емкость линии мы менять существенно не можем, а именно она оказывает существенное влияние на время возврата линии к высокому уровню).
Обнаружив импульс RESET, ведомое устройство приводит свои внутренние узлы в исходное состояние и формирует ответный импульс PRESENCE, как следует из рисунка - не позже 60 микросекунд после завершения импульса RESET. Для этого устройство переводит в низкий уровень линию DQ и удерживает ее в этом состоянии от 60 до 240 микросекунд. Конкретное время удержания зависит от многих параметров, но всегда находится в указанном диапазоне. После этого устройство так же "отпускает" шину.
Но после завершения импульса PRESENCE устройству дается еще некоторое время для завершения внутренних процедур инициализации, таким образом, МК должен приступить к любому обмену с устройством не ранее, чем через 480 микросекунд после завершения импульса RESET.
Итак, процедура инициализации интерфейса, с которой начинается любой обмен данными между устройствами, длится минимум 960 микросекунд, состоит из передачи от МК сигнала RESET и приему от устройства сигнала PRESENCE. Если сигнал PRESENCE не обнаружен - значит на шине 1-Wire нет готовых к обмену устройств.

Теперь рассмотрим процедуры обмена битами информации, которые, как вы помните, осуществляются определенными тайм-слотами. Тайм-слот - это по существу определенная, довольно жестко лимитированная по времени последовательность смены уровней сигнала в линии 1-Wire. Различают 4 типа тайм-слотов (я буду использовать термин МК, как синоним "ведущего устройства" и просто "устройство", как синоним "ведомого"): передача "1" от МК, передача "0" от МК, прием "1" от устройства и прием "0" от устройства.
Любой тайм-слот всегда начинает МК путем перевода шины 1-Wire в низкий логический уровень. Длительность любого тайм-слота должна находиться в пределах от 60 до 120 микросекунд. Между отдельными тайм-слотами всегда должен предусматриваться интервал не менее 1 микросекунды (конкретное значение определяется параметрами ведомого устройства).
Тайм-слоты передачи отличаются от тайм-слотов приема поведением МК: при передаче он только формирует сигналы, при приеме, кроме того, еще и опрашивает (т.е. принимает) уровень сигнала в линии 1-Wire. Следующй рисунок демонстрирует временные диаграммы тайм-слотов всех 4-х типов: вверху показаны тайм-слоты передачи от МК, внизу - приема от устройства.

Тайм-слот передачи "0" заключается просто в удержании шины 1-Wire в низком уровне в течение всей длительности тайм-слота. Передача "1" осуществляется путем "отпускания" шины 1-Wire со стороны МК не ранее чем через 1 микросекунду после начала тайм-слота, но не позже чем через 15 микросекунд. Ведомое устройство опрашивает уровень в шине 1-Wire в течение временного интервала, условно показанного в виде серого прямоугольника, т.е. начиная с 15-й микросекунды от начала тайм-слота и заканчивая 60-й микросекундой от начала. Типичный момент ввода уровня в устройство (т.е. характерный для большинства устройств) - около 30-й микросекунды от начала тайм-слота.
Заштрихованная область - это область "нарастания" уровня в шине 1-Wire, которая зависит от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, она приведена для справки.
Тайм-слоты приема информации отличаются тем, что МК формирует только начало тайм-слота (абсолютно так же, как при передаче "1"), а затем управление уровнем шины 1-Wire берет на себя устройство, а МК осуществляет ввод этого уровня так же в определенной зоне временных интервалов. Зона эта, как видно из рисунка, довольно мала. Как и раньше, заштрихованная область - область неопределенности, поэтому для ввода, собственно говоря, контроллеру остается даже не промежуток, а скорее конкретный момент, когда он должен ввести уровень сигнала из линии. Этот момент времени - 14-я или 15-я микросекунда от начала тайм-слота. Разумеется, если линия имеет малую емкость, а подтягивающий резистор мал, зона опроса несколько расширяется, однако рекомендую ориентироваться на худший вариант (как, кстати, рекомендует и фирма-производитель), что-бы всегда обеспечить надежный обмен данными.

Итак, подведем итоги. МК начинает тайм слот с выдачи в шину 1-Wire "0" в течение 1 микросекунды. Последующий уровень зависит от типа тайм слота: для приема и передачи "1" уровень должен стать высоким, а для передачи "0" - оставаться низким вплоть до конца тайм-слота, т.е. не менее 60 и не более 120 микросекунд. Если МК принимает данные, то опрос уровня в шине он должен сделать на промежутке от 13-й до 15-й микросекунде тайм-слота. МК должен обеспечить интервал между отдельными тайм-слотами не менее 1 микросекунды (лучше - больше, максимальное значение не ограничено).
Важно понимать, что следует очень тщательно подходить к обеспечению в шине 1-Wire требуемых временных интервалов, т.к., например, увеличение длительности тайм-слота вывода "0" свыше рекомендованного значения может привести к ошибочному восприятию этого тайм-слота, как сигнала RESET, и, разумеется, после этого вся процедура обмена пойдет насмарку. Но так же следует учитывать влияние самой линии на длительность фронтов импульсов. Поэтому в общем случае, это не простая задача. Но выполнение несложных рекомендаций позволит ее решить достаточно простыми средствами: во-первых, все сигналы, которые должен формировать МК, следует формировать по принципу необходимого минимума длительности (т.е. немного больше, чем указанная минимальная длительность), а от устройства следует ожидать сигналов по принципу наихудшего (т.е. ориентироваться на самые худшие варианты временных параметров сигнала).
Если вы разрабатываете схему, которая целиком умещается на одной плате вместе со всеми устройствами на шине 1-Wire, то, ориентируясь на самый первый рисунок, вы получите практически идеальную линию: фронты нарастания высокого уровня в шине будут минимальными - это избавит вас от большинства проблем. Но если Вы подключаете несколько устройств через длинный соединительный шлейф - придется бороться с погонной емкостью линии.
Мною проверено, что соединение по свитым вручную обычным монтажным проводам при типовом подтягивающем резисторе однозначно возможно на расстоянии до 9 м, а для соединения по очень длинной телефонной "лапше" может потребовать уменьшения подтягивающего резистора до 510 ом и даже менее.

Разобравшись с процедурами обмена битами, пора приступать к более высокому уровню протокола обмена информацией, и для этого необходимо рассмотреть принципы адресации устройств и управления ими.
Каждое устройство 1-Wire обладает уникальным идентификационным 64-битным номером, программируемым на этапе производства микросхемы. Уникальным - это значит, что фирма-производитель гарантирует, что не найдется двух микросхем с одинаковым идентификационным номером (по крайней мере в течении нескольких десятков лет при существующих темпах производства).
При рассмотрении протокола обмена мы будем исходить из принципа, что на шине 1-Wire имеется более одного устройства. В этом случае перед МК встают 2 проблемы: определение количества имеющихся устройств и выбор (адресация) одного конкретного из них для обмена данными. Решение первой проблемы осуществляется двумя путями: универсальным и гибким, но требующим довольно сложного программно-реализуемого алгоритма, и простым, но с большими ограничениями. Универсальный алгоритм мы рассматривать не будем, т.к. это требует отдельной статьи. А более простой заключается в том, что номера всех используемых в вашей схеме 1-Wire-устройств вы должны знать заранее, и просто использовать их как константы в вашей программе. Номера некоторых устройств нанесены прямо на корпусе микросхем (например, для устройств iButton - всем известных ключей-таблеток), а номера других можно определить при помощи специальных программ или устройств (о них в конце статьи). iButton - зарегистрированная торговая марка, права на которую принадлежат Dallas Semiconductor, дополнительная информация об этом семействе изделий на есть на сайте.
Итак, предположим, что мы знаем номера всех устройств 1-Wire на шине. Как же ведется работа с ними? Алгоритм тут следующий. МК посылает, как обычно, импульс RESET, и все имеющиеся устройства выдают PRESENCE. Затем МК посылает в шину команду, которую принимают все устройства. Команд определено несколько общих для всех типов 1-Wire-устройств, а так же могут быть команды, уникальные для отдельных типов. Среди общих команд нас в первую очередь могут заинтересовать следующие (см. табли-цу).

	Значение байта	Описание
SEARCH ROM		Поиск адресов - используется при универсальном алгоритме определения количества и адресов подключенных устройств
READ ROM		Чтение адреса устройства - используется для определения адреса единственного устройства на шине
MATCH ROM		Выбор адреса - используется для обращения к конкретному адресу устройства из многих подключенных
SKIP ROM		Игнорировать адрес - используется для обращения к единственному устройству на шине, при этом адрес устройства игнорируется (можно обращаться к неизвестному устройству)

Первую команду мы не станем рассматривать по ранее изложенной причине, вторая позволит вам определить адрес имеющихся у вас устройств перед их установкой в готовое изделие, а две последние наверняка станут основными в вашей работе.
После того, как МК выдаст команду READ ROM, от устройства поступит 8 байт его собственного уникального адреса - МК должен их принять. Учтите, что любая процедура обмена данными с устройством должна быть завершена полностью либо прервана посылкой сигнала RESET.
Если отправлена команда MATCH ROM, то после нее МК должен передать так же и 8 байт конкретного адреса устройства, с которым будет осуществляться последующий обмен данными. Это равносильно выставлению адреса на параллельной шине в микропроцессорных устройствах. Приняв эту команду, каждое устройство сравнивает передаваемый адрес со своим собственным. Все устройства, адрес которых не совпал, прекращают анализ и выдачу сигналов в линии 1-Wire, а опознавшее адрес устройство продолжает работу. Теперь все данные, передаваемые МК будут попадать только к этому "адре-сованному" устройству. То, какие именно данные надо послать в устройство или получить от него после его адресации, зависит от конкретного устройства и в настоящей статье не рассматривается (например, для упомянутого термометра это могут быть команды запуска измерения или считывания результата, для ключа-таблетки не определены никакие иные команды, кроме основных, а для микросхем АЦП дополнительных команд может быть около десятка).
Если устройство одно на шине - можно ускорить процесс взаимодействия с ним при помощи команды SKIP ROM. Поучив эту команду, устройство сразу считает адрес совпавшим, хотя никакого адреса за этой командой не следует. Некоторые процедуры не требуют приема от устройства никаких данных, в этом случае команду SKIP ROM можно использовать для передачи какой-то информации сразу всем устройствам. Это можно использовать, например, для одновременного запуска цикла измерения температуры несколькими датчиками-термостатами типа DS18S20.
Прием и передача байтов всегда начинается с младшего бита. Порядок следования байтов при передаче и приеме адреса устройства так же ведется от младшего к старшему. Порядок передачи другой информации зависит от конкретного устройства, поэтому следует обращаться к документации на применяемые вами устройства.

В завершение обзора интерфейса рассмотрим детально строение уникального 64-битного номера-адреса устройств 1-Wire. Он состоит фактически из 8 отдельных байт: одного байта идентификатора семейства, шести байт (48 бит) собственно уникального адреса и одного байта контрольной суммы всех предыдущих байтов. Рассмотрение этих составных частей начнем, по традиции, в обратном порядке.
Итак, контрольная сумма или CRC - это байт, значение которого передается самым последним и вычисляется по специальному алгоритму на основе значения всех 7-и предыдущих байтов. Алгоритм подсчета таков, что если все байты переданы-приняты без искажений (а искажения вполне возможны, если вспомнить характер аппаратной реализации интерфейса), принятый байт контрольной суммы обязательно совпадет с рассчитанным в МК (или устройстве) значением. Т.е. при реализации программного алгоритма обмена информацией мы должны при передаче и приеме байтов подсчитывать их контрольную сумму по строго определенному алгоритму, а затем либо передать полученное значение (если мы вели передачу адреса/данных), либо сравнить расчетное значение с принятым значением CRC. Только при совпадении обоих CRC МК или устройство считают принятые данные достоверными. В противном случае продолжение обмена невозможно.
Очевидно, что алгоритм подсчета CRC должен быть одинаковым как для МК, так и для любого устройства. Он "стандартизирован" и описан в документации. Однако его понимание требует определенных умственных усилий и, что лично для меня более критично, наличия времени, которого постоянно не хватает. Именно поэтому я не стану описывать сам алгоритм расчета (все желающие могут познакомиться с ним по фирменному документу Application Note 27 "Understanding and Using Cyclic Redundancy Checks with Dallas Semiconductor iButtonTM Products"), а просто приведу примеры программной реализации этого алгоритма, которые можно использовать не особо углубляясь в математические дебри. Разумеется, вы легко сможете адаптировать приводимые примеры под свои нужды. Кстати, по этим примерам можно восстановить и алгоритм расчета CRC.

Пример первый: ассемблер MCS-51. Подпрограмма расчета CRC.
Эта подпрограмма использует одну ячейку памяти CRC для хранения результата. Перед первым вызовом эту ячейку необходимо обнулить. В аккумуляторе - очередной принятый или передаваемый байт. После того, как все байты переданы/приняты в ячейке CRC получится контрольная сумма. Подпрограмма не портит никаких регистров, кроме регистра состояния.

DO_CRC:
PUSH ACC ; сохраняем аккумулятор
PUSH B ; сохраняем регистр В
PUSH ACC ; сохраняем байт данных
MOV B, #8 ; кол-во битов (счетчик циклов)
CRC_LOOP:
XRL A, CRC ; XOR с предыдущим значением контрольной суммы
RRC A ; сдвиг вправо через флаг переноса
MOV A, CRC ; берем последнее значение CRC
JNC ZERO ; переход, если не было переноса
XRL A, #18H ; обновляем значение CRC путем XOR с константой
ZERO:
RRC A ; снова сдвигаем CRC
MOV CRC, A ; сохраняем новое значение CRC
POP ACC ; восстанавливаем байт данных
RR A ; циклически сдвигаем вправо
PUSH ACC ; снова сохраняем значение
DJNZ B, CRC_LOOP ; повторяем цикл 8 раз (для каждого бита)
POP ACC ; очищаем стек
POP B ; восстанавливаем прежние значения регистров из стека
POP ACC
RET ; завершение процедуры

Использование этой (да и последующей) подпрограммы очень простое: перед началом приема или передачи надо обнулить ячейку CRC, а затем каждый принятый или переданный байт поместить в аккумулятор и вызвать эту подпрограмму. После того, как приняты все 8 (обратите внимание - именно 8!) байтов уникального адреса устройства, необходимо проверить содержимое ячейки CRC: ненулевое ее значение свидетельствует о наличии искажения принятых данных. Если же CRC=0 - это значит, что данные приняты без искажений. Если же МК вел передачу уникального адреса устройства, то содержимое CRC должно быть передано 8-ым байтом после предыдущих семи.

Пример второй: процедура на языке Pascal с использованием табличных вычисле-ний CRC. Как и предыдущая, эта процедура должны быть вызвана для каждого передаваемого/принимаемого байта, а перед первым использованием переменная CRC должна быть обнулена.

Var
CRC: Byte; {переменная-результат расчета контрольной суммы}

Procedure Do_CRC(X: Byte);
{Эта процедура вычисляет контрольную сумму по стандартному алгоритму для устройств 1-Wire и накапливает результат в глобальной переменной CRC}

Const
{Нижеследующая таблица содержит заранее вычисленные сигнатуры, используемые для быстрого расчета CRC}

Table: Array of Byte = (0, 94, 188, 226, 97, 63, 221, 131, 194, 156, 126, 32, 163, 253, 31, 65,
157, 195, 33, 127, 252, 162, 64, 30, 95, 1, 227, 189, 62, 96, 130, 220,
35, 125, 159, 193, 66, 28, 254, 160, 225, 191, 93, 3, 128, 222, 60, 98,
190, 224, 2, 92, 223, 129, 99, 61, 124, 34, 192, 158, 29, 67, 161, 255,
70, 24, 250, 164, 39, 121, 155, 197, 132, 218, 56, 102, 229, 187, 89, 7,
219, 133, 103, 57, 186, 228, 6, 88, 25, 71, 165, 251, 120, 38, 196, 154,
101, 59, 217, 135, 4, 90, 184, 230, 167, 249, 27, 69, 198, 152, 122, 36,
248, 166, 68, 26, 153, 199, 37, 123, 58, 100, 134, 216, 91, 5, 231, 185,
140, 210, 48, 110, 237, 179, 81, 15, 78, 16, 242, 172, 47, 113, 147,205,
17, 79, 173, 243, 112, 46, 204, 146, 211, 141, 111, 49, 178, 236, 14, 80,
175, 241, 19, 77, 206, 144, 114, 44, 109, 51, 209, 143, 12, 82, 176, 238,
50, 108, 142, 208, 83, 13, 239, 177, 240, 174, 76, 18, 145, 207, 45, 115,
202, 148, 118, 40, 171, 245, 23, 73, 8, 86, 180, 234, 105, 55, 213, 139,
87, 9, 235, 181, 54, 104, 138, 212, 149, 203, 41, 119, 244, 170, 72, 22,
233, 183, 85, 11, 136, 214, 52, 106, 43, 117, 151, 201, 74, 20, 246, 168,
116, 42, 200, 150, 21, 75, 169, 247, 182, 232, 10, 84, 215, 137, 107, 53);

Begin
CRC:= Table;
{Расчет заключается в простом извлечении результата из таблицы}
End;

Как видите, табличный метод расчета значительно проще алгоритмического математического, и обладает существенно большим быстродействием, однако требует гораздо больше памяти программ для хранения таблицы.
Поклонники языка Си без проблем смогут адаптировать паскалевскую процедуру в аналогичную функцию на Си.
В качестве дополнительной информации скажу, что для обмена информацией (не для адресации) с некоторыми типами устройств применяется 16-разрядная CRC, алгоритм вычисления которой немного сложнее, но так же описан в упомянутом ранее документе.

Итак, мы разобрались с алгоритмом расчета контрольной суммы уникального адреса устройства, однако это всего лишь один последний байт из 8 байтов этого адреса, необходимо рассмотреть и остальные. Предыдущие 6 байтов (помните, что мы рассматриваем байты адреса в обратном порядке?), собственно, и есть тот самый уникальный номер-идентификатор. Номер - он и есть номер, рассказывать о нем нечего, переходим к заключительному первому байту - коду семейства.
Код семейства определяет номер группы, к которой принадлежит конкретное устройство и для микросхем одного семейства, естественно, будет одинаковым. Зная (считав) код семейства из неизвестного устройства можно довольно точно определить его функциональное назначение и даже некоторые параметры. Приведу список некоторых кодов семейств 1-Wire-устройств (таблица ниже).

В этой таблице, содержащей неполный перечень семейств 1-Wire-устройств, во втором столбце в скобках указаны типы микросхем в корпусах-таблетках iButton, а без скобок - в различных корпусах для монтажа на плату. Как видите, ассортимент устройств весьма широк.

Вот и все необходимые для начала работы сведения об интерфейсе 1-Wire, протоколе обмена данными по нему и его программной реализации. Надеюсь, этих сведений будет достаточно для того, чтобы количество проблем, возникающих у вас при освоении этого интерфейса, пошло на убыль. Напомню основные шаги по его успешной реализации:

• любой обмен информацией начинается с передачи импульса RESET и приема имульса PRESENCE;
• если импульса PRESENCE не обнаружено - на шине нет устройств;
• МК всегда инициирует обмен, начиная каждый тайм-слот обмена битом информации;
• временные параметры каждого тайм-слота следует соблюдать с максимально возможной точностью;
• для выбора одного из многих устройств на шине 1-Wire МК должен передать в шину команду MATCH ROM и затем 8 байт адреса устройства, последний (8-й) байт этого адреса - есть контрольная сумма предыдущих семи;
• если устройство на шине одно - МК может узнать его адрес путем посылки команды READ ROM, после чего принять от устройства 8 байтов адреса, последний из которых так же будет контрольной суммой первых семи;
• для работы с единственным устройством на шине можно отказаться от указания его адреса, для этого МК должен передать устройству команду SKIP ROM, после чего можно начинать обычный обмен данными;
• любая начатая процедура обмена может длиться сколь угодно долго за счет пауз между отдельными тайм-слотами, но всегда должна быть завершена полностью;
• прервать начатый обмен можно в любой момент путем выдачи импульса RESET в шину 1-Wire (но это может нарушить нормальную работу некоторых устройств).

Просмотров: 11741

Цифровые датчики температуры и относительной влажности и автономные регистраторы температуры и относительной влажности, а так же все модули расширения, подключаются к линии датчиков 1-wire прибора ГИГРОТЕРМОН параллельно, используя 3 провода: «DQ» (шина данных 1-wire), «GND» (общий) и «+5В» (питание). Однако для надежности необходимо использовать все контакты разъема 6P6C (RJ12). Внимание: важно, чтобы контакты «DQ» (1-wire) и «GND 1-wire» (контакты 3 и 4 на рис. ниже) были одной витой парой, например, зеленый и бело-зеленый. Внешний вид разъема 6Р6С, а также назначение контактов и рекомендуемая расцветка проводов см. рис. ниже.

Для надежности связи прибора с датчиками и достижения максимальной протяженности линии датчиков 1-wire цифровые датчики и модули расширения рекомендуется подключать по схеме «гирлянда»: кабель от прибора ГИГРОТЕРМОН должен подходить к первому датчику (или модулю расширения), от первого ко второму и т.п., чтобы все датчики и модули были на одной линии, без ответвлений. См. рис. ниже.

Рекомендуемая максимальная протяженность линии 1-wire при использовании кабеля «витая пара» категории 5Е – не более 100 метров. Если фактическая длина кабеля более 100 метров, рекомендуется разбить линию на две малые с использованием дополнительного прибора ГИГРОТЕРМОН. Для удобства подключения и монтажа, все модули расширения и цифровые датчики и адаптеры для цифровых автономных регистраторов имеют не менее 2-х разъемов 6P6C (RJ12) – вход/выход 1-wire.

Внешний вид платы цифрового датчика 1w-2/3

Внешний вид модуля расширения дискретных датчиков «1wio2»

Внешний вид платы модуля расширения унифицированных (аналоговых) сигналов «HIHx2»

Таблица 1. Результаты испытаний линии связи регистраторов температуры (и относительной влажности) на максимальную протяженность,
при которой наблюдается устойчивая связь регистраторов с прибором Гигротермон

Длина кабеля, м.	Тип регистраторов температуры и влажности / наличие связи (да / нет)
	Регистраторы температуры DS1921G-F5, DS1921Z-F5	Регистраторы температуры и относительной влажности DS1923-F5, DS1922L-F5
350	да (с подтяжкой 5В)
	нет (без подтяжки 5В)
300	да (с подтяжкой 5В)
	нет (без подтяжки 5В)
250	да (с подтяжкой 5В)	нет (с подтяжкой 5В)
	нет (без подтяжки 5В)	нет (без подтяжки 5В)
200	да (с подтяжкой 5В)	да (с подтяжкой 5В)
	нет (без подтяжки 5В)	нет (без подтяжки 5В)
150	да (с подтяжкой 5В)	да (с подтяжкой 5В)
	да	да (без подтяжки 5В)
100	да (с подтяжкой 5В)	да (с подтяжкой 5В)
	да	да (без подтяжки 5В)
"да" - наличие устойчивой связи датчика с прибором Гигротермон "нет" - отсутствие устойчивой связи датчика с прибором Гигротермон "с подтяжкой" - использование схемы пассивной подтяжки сигнала +5В на конце линии. http://gigrotermon.ru/imag/shop.product_details/8/flypage.tpl/198.html

Таблица 2. Результаты испытаний линии связи комбинированных датчиков** 2RJ11-HIH5031E-DS18S20
на максимальную протяженность, при которой наблюдается устойчивая связь с прибором Гигротермон

Длина кабеля, м.	Измеряемый параметр / наличие связи (да / нет)
	Температура	Относительная влажность
100	да (без подтяжки)	да (без подтяжки)
125	да (с подтяжкой)	да (с подтяжкой)
150	да (с подтяжкой)	да (с подтяжкой)
175	да (с подтяжкой)	да (с подтяжкой)
200	да (с подтяжкой)	нет (с подтяжкой)
300	да (с подтяжкой)	нет (с подтяжкой)

**) В испытаниях использовано 10 комплектов комбинированных (температура + влажность) датчиков 2RJ11-HIH5031E-DS18S20, подключенных одновременно в конце линии.

Данные получены в "идеальных" лабораторных условиях с использованием кабеля NIKOLAN NKL 4200A-GY F/UTP 4 пары кат.5e, 24 AWG. Поэтому, в реальных производственных условиях значения длин могут отличаться в меньшую сторону из-за присутствия электромагнитных помех или использования другого типа используемого кабеля.