Основные принципы построения сети 1-WIRE

Основные принципы построения сети

Однопроводной интерфейс 1-Wire, разработанный в конце 90-х годов фирмой Dallas Semiconductor Corp., регламентирован разработчиками для применения в трех основных сферах-приложениях:

приборы в специальных корпусах MicroCAN для решения проблем идентификации, переноса или преобразования информации (технология iButton),

программирование встроенной памяти интегральных компонентов,

системы автоматизации (технология сетей 1-Wire-сетей).

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный провод. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300 м.

Основой архитектуры 1-Wire-сетей, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми. Хотя существует ряд специфических приемов организации работы однопроводных систем в режиме мультимастера.

Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire-интерфейса, уникального индивидуального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor Corp., гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом, каждый из однопроводных приборов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. Однопроводные компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми, лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire-интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии даже без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети и т. д.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, которая составляет 15,4 Кбит/сек, была выбрана, во-первых, с учетом обеспечения максимальной надежности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учетом быстродействия наиболее широко распространенных типов микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств однопроводной шины. Это значение скорости обмена может быть уменьшено до любого возможного значения благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Или увеличено за счет перехода на специальный ускоренный режим обмена (скорость Overdrive — до 125Кбит/сек), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов на небольшой по расстоянию, качественной, не перегруженной другими приборами линии связи.

При реализации однопроводного интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства однопроводных компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8 В до 6,0 В. Альтернативой применению внешнего питания служит, так называемый, механизм «паразитного питания», действие которого заключается в использовании каждым из ведомых компонентов 1-Wire-линии электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, которая аккумулируется специальной, встроенной в прибор емкостью. Кроме того, отдельные компоненты однопроводных сетей могут использовать режим питания по шине данных, когда энергия к приемнику поступает непосредственно от мастера по линии связи, при этом обмен информацией в сети принудительно прекращается.

Физическая реализация интерфейса 1-Wire

Физическая реализация интерфейса 1-Wire достаточно проста. На рисунке показана упрощенная схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire.

Рис. Аппаратная реализация 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. 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. Минимально допустимое его сопротивление — около 300 Ом, а максимальное — около 20 — 30 кОм. Данные величины — ориентировочные, и всегда уточняются 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).

Передача данных в сети 1-Wire

Основные правила передачи данных в сети 1-Wire:

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». 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.

Перечисленные правила определяют логический низкоуровневый протокол обмена данными. На рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными. Выдача импульса RESET в процессе обмена служит так же для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Рис. Диаграмма сигналов RESET и PRESENCE

Как видим, длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет только ограничение только по минимуму (не меньше указанного). Условные обозначения линий, 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 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: 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.

Рис. Временные диаграммы передачи данных в сети 1-Wire

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.

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 прекратится. 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).

Протокол обмена информацией

Рассмотрим 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 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.

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. Итак, предположим, что мы знаем номера всех устройств 1-Wire на шине. Алгоритм работы с ними 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:

Первую команду не станем рассматривать по ранее изложенной причине, вторая позволит вам определить адрес имеющихся устройств перед их установкой в готовое изделие.

После того, как МК выдаст команду READ ROM, от устройства поступит 8 байт его собственного уникального адреса — МК должен их принять. Следует учесть, 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 «адресованному» 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 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 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.

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.