1-Wire總線是一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)傳輸電路，可通過一根共用的數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)主控制器與一個(gè)或一個(gè)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(qiáng)大功能，可減少系統(tǒng)間的互聯(lián)。 1-Wire器件通過單觸點(diǎn)串行接口提供存儲(chǔ)器、混合信號(hào)和安全認(rèn)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(shí)別； 機(jī)架卡的校準(zhǔn)和控制； 印刷電路板、配件及外設(shè)的識(shí)別和認(rèn)證； 知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、防克隆、安全功能控制。

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

本文中提到的1-Wire主機(jī)兼容于采用3V至5V供電的主機(jī)電路。 1-Wire電路不涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換， 也適用于工作電壓低于3V的主機(jī)，在這種情況下，主機(jī)和1-Wire從機(jī)之間需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。 應(yīng)用筆記4477："1-Wire?雙向電平轉(zhuǎn)換器(1.8V至5V)參考設(shè)計(jì)"介紹了這樣一種電路。 本文中的RPUP和應(yīng)用筆記4477中的R4對(duì)應(yīng)。

細(xì)節(jié)部分

1-Wire術(shù)語(yǔ)

首先解釋幾個(gè)1-Wire文檔中常見的術(shù)語(yǔ)。

主機(jī)接口

本文討論的電路為1-Wire主機(jī)控制器，它們均與1-Wire從器件通信。 但是，這些1-Wire主機(jī)控制器不能作為單獨(dú)的主體，需要一個(gè)主機(jī)(計(jì)算機(jī))告訴它們?cè)?-Wire側(cè)如何工作。 主機(jī)接口指1-Wire主控制器和“系統(tǒng)中更高級(jí)的指揮官”(即主機(jī))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(shí)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(shí)隙之間的恢復(fù)時(shí)間也越短。

強(qiáng)上拉

強(qiáng)上拉是指一種在時(shí)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(shí))； 安全存儲(chǔ)器(當(dāng)SHA-1引擎運(yùn)行時(shí))； 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(shí)，強(qiáng)上拉是必需的； 同樣的1-Wire從器件處于5V環(huán)境中時(shí)，強(qiáng)上拉則是可選的。 關(guān)于什么情況下使用強(qiáng)上拉或如何選擇合適的上拉電阻值，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記4255："為1-Wire?器件的擴(kuò)展功能供電"。

1-Wire時(shí)序

下面介紹1-Wire時(shí)隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測(cè)時(shí)序波形的一般形式，以及產(chǎn)生這些波形的方法。 可以采用特殊的硬件(如自帶定時(shí)發(fā)生器的芯片)或通過軟件直接產(chǎn)生波形。 對(duì)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(huì)增加軟件開發(fā)和測(cè)試成本。 如果應(yīng)用軟件是用高級(jí)語(yǔ)言編寫的，采用軟件方式時(shí)需要特別考慮。 對(duì)于產(chǎn)生時(shí)隙和復(fù)位/應(yīng)答檢測(cè)時(shí)序的低級(jí)功能來說，均有必要用匯編語(yǔ)言編寫，這樣一來可以計(jì)算出執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期個(gè)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(jī)(下文中提到的)均支持高速模式。 1類主機(jī)是否支持高速模式取決于微控制器性能(時(shí)鐘速率，每指令周期所需時(shí)鐘周期個(gè)數(shù))。

有源上拉

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

1-Wire主機(jī)電路

下面詳細(xì)討論不同的主機(jī)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(jī)的微控制器

合成的1-Wire總線主機(jī)

串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

每個(gè)分類介紹了一個(gè)或多個(gè)電路。 給出了電路原理圖，列出了前提條件，衡量了優(yōu)缺點(diǎn)，給出了注意事項(xiàng)、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(jī)。

電路的唯一先決條件是需要一個(gè)備用雙向端口及一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)在于它的額外硬件成本極低，僅需一個(gè)上拉電阻。 缺點(diǎn)在于，1-Wire時(shí)序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時(shí)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(gè)從器件時(shí)，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(shí)鐘頻率和/或較低的每指令周期時(shí)鐘數(shù)。 更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"和應(yīng)用筆記126："用軟件實(shí)現(xiàn)1-Wire通信"。 應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖1.單向端口引腳，帶用于強(qiáng)上拉的可選電路（虛線）

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(gè)備用單向端口、下拉晶體管及一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)是不需要雙向端口。 缺點(diǎn)在于，1-Wire時(shí)序通過軟件產(chǎn)生，增加了前期軟件開發(fā)的時(shí)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(shí)需要其它端口引腳提供強(qiáng)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(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。 此時(shí)，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(shí)鐘頻率和/或較低的每指令周期時(shí)鐘數(shù)。 更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"和應(yīng)用筆記126："用軟件實(shí)現(xiàn)1-Wire通信"。 應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖2.雙向端口引腳，帶用于強(qiáng)上拉的可選電路（虛線）

2類. 內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器

圖3電路與圖1非常類似，不同之處在于微控制器類型。

圖3電路的主要前提是需要一個(gè)內(nèi)置1-Wire主機(jī)的微控制器，如DS80C400、DS80C410或DS80C411，以及一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。 因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫。 DS80C400系列微控制器端口帶有5V容限。 缺點(diǎn)在于，只有高端微控制器才內(nèi)置有1-Wire主機(jī)。 根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，可能需要其它端口引腳提供強(qiáng)上拉。 1-Wire總線上有不止一個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。 此時(shí)，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。 更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間"、應(yīng)用筆記613："DS80C400的Keil C語(yǔ)言編程"、以及DS80C400數(shù)據(jù)資料。 應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。

圖3.DS2480B 連接到主機(jī)微控制器 UART 端口

3類. 合成的1-Wire總線主機(jī)(ASIC/FPGA)

圖4電路與圖3非常類似。 不同之處在于微控制器和1-Wire端口是內(nèi)置在ASIC或PFGA中的。

圖4電路的主前提是需要具有單片機(jī)能力的ASIC或FPGA，至少有一個(gè)空閑的雙向端口引腳，3470個(gè)未使用的門和一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。 因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫。 缺點(diǎn)在于，并非所有ASIC或FPGA都有5V容限端口。 1-Wire工作電壓取決于ASIC/FPGA的端口特性。 一些2.5V FPGA有5V容限I/O端口，比3.3V FPGA理想。 根據(jù)應(yīng)用中1-Wire從器件和1-Wire上拉電壓，可能需要其它端口引腳提供強(qiáng)上拉。 1-Wire總線上掛接多個(gè)從器件時(shí)，RPUP值應(yīng)取低一些。 此時(shí)，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。 更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記119："在FPGA或ASIC中嵌入1-Wire主機(jī)"、應(yīng)用筆記120："利用API控制DS1WM 1-Wire總線主機(jī)"、應(yīng)用筆記145："Interfacing the Maxim 1-Wire Master (DS1WM) to an ARM7 Processor"、應(yīng)用筆記3829："確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間 "、以及DS1WM數(shù)據(jù)資料。 欲獲取1-Wire主機(jī)Verilog?/VHDL代碼，請(qǐng)通過提交技術(shù)支持要求。 應(yīng)用軟件示例請(qǐng)參見應(yīng)用筆記120和145。

圖4.DS2484連接到主機(jī)微控制器I2C 端口

4類. 串行接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

圖5電路只需一個(gè)額外器件即可構(gòu)建一個(gè)功能齊備的1-Wire主機(jī)。

圖5電路的主要前提是需要一種控制UART的方式，例如微控制器、FPGA或PC串行端口，還需要一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。 因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫。 1-Wire時(shí)序可以通過控制寄存器微調(diào)。 DS2480B支持強(qiáng)上拉和有源上拉。 嵌入式應(yīng)用不需要對(duì)1-Wire時(shí)序和有源上拉進(jìn)行微調(diào)，不過，內(nèi)置的4位搜索加速器使1-Wire ROM搜索在軟件中更易實(shí)現(xiàn)。 就缺點(diǎn)而言，DS2480B較圖1至圖4中的分立元件昂貴。 DS2480B僅采用5V工作電壓。 它是功能最強(qiáng)的單芯片1-Wire主機(jī)，適合與大量從器件通信。 有源上拉持續(xù)直至超過第二個(gè)門限。 DS2480B也可以編程1-Wire EPROM器件。 更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記192："DS2480B串行接口1-Wire線驅(qū)動(dòng)器的使用" 、應(yīng)用筆記4104："DS2480B 1-Wire時(shí)序的理解及配置"、以及DS2480B數(shù)據(jù)資料。 可點(diǎn)此處下載應(yīng)用筆記192的源代碼。

圖5.DS2485連接到主機(jī)微控制器I2C 端口

圖6電路非常適合I2C總線應(yīng)用。

圖6電路的主要前提是需要一個(gè)I2C總線控制器，如微控制器或FPGA/ASIC，還需要一定的程序存儲(chǔ)器空間。 電路的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高。 1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。 因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫。 DS2482支持強(qiáng)上拉以及有源上拉。 然而，嵌入式應(yīng)用不需要有源上拉。 內(nèi)置1位搜索加速器使1-Wire ROM搜索更容易在軟件中實(shí)施。 缺點(diǎn)在于，DS2482驅(qū)動(dòng)1-Wire從器件的數(shù)目比不上DS2490或DS2480B。 DS2482還提供8通道版本。 單通道的DS2482-100和DS2482-101有一個(gè)控制輸出，用于增加強(qiáng)上拉功能(Q1)。 與DS2480B和DS2490相比，DS2482的有源上拉持續(xù)時(shí)間是固定的。 I2C上拉電阻值取決于I2C總線的長(zhǎng)度和分布范圍。 更多信息請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3684："如何使用I2C接口的DS2482 1-Wire?主控制器"、以及DS2482數(shù)據(jù)資料。 可點(diǎn)擊此處下載應(yīng)用筆記3684中的源代碼。

圖6.DS2465 1-Wire主站連接多個(gè)1-Wire SHA-256器件

圖7中的1-Wire主機(jī)特性與DS2480B非常類似。

圖7電路的主要前提是需要USB端口，一般PC中都有。 電路的優(yōu)點(diǎn)在于1-Wire時(shí)序由硬件產(chǎn)生，可以減少前期軟件開發(fā)的時(shí)間和成本。 因此，整個(gè)應(yīng)用軟件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫。 1-Wire時(shí)序可以通過控制寄存器微調(diào)。 DS2490支持強(qiáng)上拉和有源上拉。 不過，嵌入式應(yīng)用不需要對(duì)1-Wire時(shí)序和有源上拉進(jìn)行微調(diào)。 內(nèi)置的4位搜索加速器使1-Wire ROM搜索在軟件中更容易實(shí)施。 就缺點(diǎn)而言，DS2490較圖5中的器件成本高，且工作電壓僅為5V。 作為1-Wire主機(jī)，DS2490沒有DS2480B功能強(qiáng)大。 有源上拉持續(xù)直至超過第二個(gè)門限。 更多信息請(qǐng)參閱DS2490數(shù)據(jù)資料。 應(yīng)用軟件示例見1-Wire Public Domain Kit。 注意DS2490不推薦用于新的設(shè)計(jì)。

圖7.DS2477與DS2E28從機(jī)連接到主機(jī)微控制器I50C端口。

可接PC的適配器方案

由于它們不需要由用戶開發(fā)軟件，因此作為1-Wire主機(jī)的PC機(jī)附件非常便于作為原型評(píng)估1-Wire器件。 除了適配器、待檢測(cè)1-Wire器件和現(xiàn)成的電纜，用戶需要的就是評(píng)估軟件，如基于Java的可免費(fèi)下載的OneWireViewer。 PC機(jī)適配器1-Wire端口即適合連接iButton?也適合母RJ-11連接器。 具體情況如表1所列。

用OneWireViewer評(píng)估1-Wire器件時(shí)，識(shí)別芯片存在與否沒有差別。 然而，當(dāng)對(duì)具有1個(gè)從器件的應(yīng)用進(jìn)行建模時(shí)，識(shí)別芯片需要執(zhí)行Search ROM命令，而不是Read ROM命令。 這使得建立軟件原型較為復(fù)雜。

結(jié)論

適合嵌入式應(yīng)用的1-Wire主站應(yīng)能以合理的成本滿足1-Wire器件的電氣要求（即工作電壓、必要時(shí)的強(qiáng)上拉），同時(shí)提供最佳的整體功能。最終選擇取決于應(yīng)用程序中的備用（未使用）資源，可以是端口引腳、UART 或 I2C 總線和程序存儲(chǔ)器中的空間。目前，Maxim提供的硬件1-Wire母版（類別2）是市場(chǎng)上最通用的選擇，成本非常合理。它們功能豐富且可編程，支持任何和所有1-Wire系統(tǒng)，包括具有高安全性要求的<>-Wire系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷