摘要：設(shè)計1-Wire網(wǎng)絡(luò)時，通常需要考慮的一個問題就是確定適當(dāng)?shù)幕謴?fù)時間，以確保為寄生供電的1-Wire從器件提供足夠的電能。本文分析了確定對供電有嚴(yán)格要求事件所需的1-Wire協(xié)議，并提供了不同1-Wire從機數(shù)、不同工作電壓以及溫度條件下的恢復(fù)時間計算方法。

引言

本應(yīng)用筆記適用于典型的1-Wire網(wǎng)絡(luò)，該1-Wire網(wǎng)絡(luò)由帶上拉電阻的1-Wire驅(qū)動器(主控制器)和1個或多個1-Wire從機器件組成，如圖1所示。大多數(shù)1-Wire器件都是寄生供電，這就意味著1-Wire總線同時作為電源線和雙向數(shù)據(jù)線。1-Wire協(xié)議規(guī)定無通信時進入空閑狀況，1-Wire從器件恰好能從總線獲取電源。限制1-Wire從器件可用電源數(shù)目的臨界參數(shù)是恢復(fù)時間tREC。產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料中規(guī)定了tREC的大小，并給出了只在單從機1-Wire網(wǎng)絡(luò)中有效的讀/寫波形。


圖1. 1-Wire網(wǎng)絡(luò)典型框圖


圖2. 啟動過程的時序圖：復(fù)位和應(yīng)答脈沖

圖2所示為最新1-Wire器件數(shù)據(jù)資料中給出的復(fù)位/在線應(yīng)答檢測周期?；謴?fù)時間開始于在線應(yīng)答脈沖之后，并在下一個時隙的下降沿結(jié)束。通常情況下，所選取的tRSTL和tRSTH持續(xù)時間相同。標(biāo)準(zhǔn)速率下，tRSTL為480μs。在最壞的情況下，tPDH + tPDL為300μs，tREC為180μs。高速模式下，則上述時間值較短，是標(biāo)準(zhǔn)速率下的1/10，tREC減少至18μs。與數(shù)據(jù)資料規(guī)定的tREC最小值相比，留出了一些時間余量以使寄生電源(從機內(nèi)的一個電容)再充電。因此，只要tRSTL不超過數(shù)據(jù)資料中的最大極限值，并且寄生電源在tRSTL開始之前達(dá)到充電飽和，復(fù)位/在線應(yīng)答檢測周期就不是電源設(shè)計考慮中的關(guān)鍵因素。在高速模式下，復(fù)位脈沖之前的恢復(fù)時間值延長為最小值的2.5倍，在此期間寄生電源可進行額外充電。標(biāo)準(zhǔn)速率下，復(fù)位脈沖之前的擴展恢復(fù)時間值是任意的。

下文給出的讀/寫時序框圖由三個波形組成：寫1時隙-寫邏輯1；寫0時隙-寫邏輯0；讀數(shù)據(jù)時隙-從1-Wire從機器件讀取一位。從圖3中很容易看出，寫1時隙對供電的要求并不嚴(yán)格。標(biāo)準(zhǔn)速率下供電窗口(tSLOT-tW1L)至少為50μs，高速模式下至少為6μs。而高速模式下的6μs剛剛超過tREC的最小規(guī)定值。在寫0時隙中，由于總線為低電平的時間相較恢復(fù)時間而言要長一些，因此寫0時隙對于供電的要求更為苛刻，尤其是在一行有多個0時。數(shù)據(jù)資料中給出的tREC適合用2.2kΩ上拉電阻將總線驅(qū)動至2.8V的單從機1-Wire網(wǎng)絡(luò)，正確理解這一點是非常重要的。在讀數(shù)據(jù)時隙進行讀0操作時，對供電的要求也很嚴(yán)格。然而，由于通常從機拉低1-Wire總線，并至少保持60μs (標(biāo)準(zhǔn)速率)或6μs (高速模式)，因而是比較有利的一個方面。

本應(yīng)用筆記闡述了如何設(shè)置寫0時隙中的tREC以及派生值tSLOT，以確保多從機1-Wire網(wǎng)絡(luò)中有足夠的電源。如果得出的數(shù)值還被用于讀數(shù)據(jù)時隙和寫1時隙，那么tSLOT決定了在特定1-Wire網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)可靠通信所需的最大數(shù)據(jù)速率。

寫1時隙

寫0時隙

讀數(shù)據(jù)時隙

圖3. 讀/寫時序圖

影響參數(shù)

在分析供電時的恢復(fù)時間時，需考慮幾個主要參數(shù)和次要參數(shù)。這些參數(shù)如下：

主要參數(shù)

從機數(shù)	所需的電源能量隨從機數(shù)增加而增大。
上拉電壓	電壓越高，耗能就越多。
通信速率	在高速模式下，寫0時隙的占空比較高。
1-Wire驅(qū)動器類型	“智能”驅(qū)動器需要更多的電量。

次要參數(shù)

工作溫度	低溫1-Wire器件需要較多的電量。
電纜長度	電纜電容也需要進行充電。
1-Wire器件類型	某些器件比其他器件需要更多或更少的電量。

我們先從數(shù)據(jù)資料給出的條件開始分析：一個帶2.2kΩ上拉電阻器(上拉至2.8V)的驅(qū)動器、最壞情況下的溫度，總線上有單個1-Wire從機器件，以及可忽略的電纜電容。本文以1-Wire從機器件的個數(shù)為主要參數(shù)，并提供不同工作電壓、速率以及溫度下恢復(fù)時間的值。如果1-Wire驅(qū)動器和從機之間的電纜非常重要，那么在計算中每15米長的電纜就可等效成一個附加的從機器件。

這里得出的結(jié)果適合典型的1-Wire從機器件，可以實現(xiàn)ROM功能、通用寄存器讀功能以及SRAM寫功能。寫EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換以及SHA-1計算有特定的供電要求(如強上拉)，具體依器件而定，這不影響該計算方法的有效性。就ROM功能和存儲器讀操作而言，1-Wire EPROM器件也被視為典型器件；為了實現(xiàn)編程目的，只允許在網(wǎng)絡(luò)上掛接單個EPROM器件。

結(jié)果矩陣

用線性公式：tREC = a * N + b，計算恢復(fù)時間的大小。假設(shè)所有從機器件并聯(lián)在1-Wire線路和接地基準(zhǔn)之間，則N表示網(wǎng)絡(luò)中寄生供電的從機器件數(shù)。由VCC引腳供電的1-Wire從機器件不會明顯給1-Wire總線加載；它們應(yīng)計為器件的1/10。斜率'a'隨溫度、工作(上拉)電壓以及1-Wire速率變化而變化。本文中讓失調(diào)量'b'僅隨速率變化就足夠了。表1所列是含有斜率和失調(diào)量的公式。通過手動曲線擬合產(chǎn)生數(shù)字值；則結(jié)果近似與基于科學(xué)模型通過迭代法得到的結(jié)果吻合。N = 1時，該結(jié)果矩陣不能產(chǎn)生與器件數(shù)據(jù)資料中一樣的數(shù)據(jù)。這一數(shù)值差異是曲線擬合的偏差，不應(yīng)被視為與規(guī)范要求沖突。

表1. 結(jié)果矩陣

Operating Voltage (V)	Temperature (°C)	Standard Speed (μs)	Overdrive Speed (μs)
4.5 and higher	-40	tREC = 2.12 × N + 1.0	tREC = 1.43 × N + 0.5
	-5	tREC = 1.99 × N + 1.0	tREC = 1.37 × N + 0.5
	+25	tREC = 1.83 × N + 1.0	tREC = 1.30 × N + 0.5
	+85	tREC = 1.54 × N + 1.0	tREC = 1.18 × N + 0.5
2.8 (minimum)	-40	tREC = 3.52 × N + 1.0	tREC = 1.82 × N + 0.5
	-5	tREC = 3.30 × N + 1.0	tREC = 1.80 × N + 0.5
	+25	tREC = 3.17 × N + 1.0	tREC = 1.74 × N + 0.5
	+85	tREC = 2.70 × N + 1.0	tREC = 1.63 × N + 0.5

低工作電壓和低溫下的恢復(fù)時間最長。如果應(yīng)用要求工作在極低的溫度下，則應(yīng)選用-40°C項。室溫環(huán)境下，可選用+25°C項，并且溫度更高時該項也適合，能保證安全工作。+85°C項則產(chǎn)生一個僅應(yīng)用在+85°C溫度下的結(jié)果；應(yīng)該作為一個基準(zhǔn)，不作為其他溫度的設(shè)計值。

高工作電壓下的恢復(fù)時間最短。上拉電壓為4.5V或更高時應(yīng)選用4.5V項。2.8V項對應(yīng)的恢復(fù)時間也適用于更高的電壓，但不會降低數(shù)據(jù)速率。工作電壓Vx在2.8V和4.5V之間時，可通過線性插補獲得新斜率值：Slope@Vx = Slope@2.8V - (Vx - 2.8V)/1.7V * (Slope@2.8V - Slope@4.5V)。

實例

假定某應(yīng)用需要一個帶有10個1-Wire器件(N = 10)的網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)速率下tW0LMIN = 60μs，高速模式下為6μs。(這些數(shù)值來自于器件的數(shù)據(jù)資料，對于不同的器件類型，采用tW0LMIN的最大值。) 假定該網(wǎng)絡(luò)工作在0°C至70°C溫度下。工作電壓未定。適合該溫度范圍的項為-5°C，因為它是低于最小工作溫度且與之最接近的數(shù)值。由于更高溫度下的斜率比-5°C時的斜率低，因此該結(jié)果對于高于-5°C的所有溫度是有效的。表2列出該實例的tREC以及具有恢復(fù)時間的最大數(shù)據(jù)速率。

在標(biāo)準(zhǔn)速率下，數(shù)據(jù)速率降至單從機網(wǎng)絡(luò)15.3kbps基準(zhǔn)的大約70%。在高速模式下，數(shù)據(jù)速率低于125kbps基準(zhǔn)的40%。如果表2中數(shù)據(jù)速率都適合應(yīng)用，則工作電壓的選擇不重要。然而，如果可提供大約5V的工作電壓，則具有較好的噪聲抑制性，應(yīng)將其做為首選。

表2. 實例計算結(jié)果(N = 10)

Operating Voltage (V)	Standard Speed	Overdrive Speed
4.5 and higher	tREC = (19.9 + 1)μs = 20.9μs data rate = 1/(60μs + 20.9μs) = 12.3kbps	tREC = (13.7 + 0.5)μs = 14.2μs data rate = 1/(6μs + 14.2μs) = 49.5kbps
2.8 (minimum)	tREC = (33.0 + 1)μs = 34μs data rate = 1/(60μs + 34μs) = 10.6kbps	tREC = (18.0 + 0.5μs) = 18.5μs data rate = 1/(6μs + 18.5μs) = 40.8kbps

可采用的改進方法

如果該表中的恢復(fù)時間不能達(dá)到要求，還可以采用下列幾種方法提高數(shù)據(jù)速率。

1. 減小上拉電阻，例如，由2.2kΩ降至1kΩ。
   較低的電阻可使1-Wire網(wǎng)絡(luò)再充電電流加倍，這樣可減小50%的恢復(fù)時間。采用這種方法時，在讀數(shù)據(jù)時隙拉低1-Wire總線時，確認(rèn)每個從機器件是否能處理所增加的電流VPUP/RPUP是非常重要的。
2. 改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br>不采用一個網(wǎng)絡(luò)，而是采用2個或多個更小的網(wǎng)絡(luò)，或用DS2409 1-Wire耦合器將一些從機器件從網(wǎng)絡(luò)的有源部分?jǐn)嚅_。
3. 考慮采用有源1-Wire驅(qū)動器
   有源驅(qū)動器采用晶體管臨時旁路上拉電阻。這樣允許1-Wire網(wǎng)絡(luò)以最快的速率進行再充電，從而降低必需的恢復(fù)時間。

有源1-Wire驅(qū)動器

Dallas Semiconductor產(chǎn)品中包含三個有源1-Wire驅(qū)動器：DS2480B、DS2490和 DS2482。

DS2480B和DS2490具有同樣的5V 1-Wire驅(qū)動器，但是有不同的主機接口。兩款器件的恢復(fù)時間均終止于1-Wire總線電壓超過規(guī)定門限的時候。采用DS2480B，只要1-Wire有效(例如，寫1字節(jié))，主機就能通過UART端接收一個應(yīng)答字節(jié)。采用USB兼容的DS2490，主機需要輪詢以檢測1-Wire有效性是否結(jié)束。

DS2482通過其I2C接口與主機通信。該器件的1-Wire側(cè)可工作在3.3V和5V電壓下。采用DS2482，當(dāng)1-Wire時隙結(jié)束時，恢復(fù)時間終止。如果有源上拉功能被激活，則在固定持續(xù)時間內(nèi)，可在1-Wire總線的上升沿提供額外的電量。DS2482比一個單純的阻性上拉強，但是不如DS2480B或DS2490。DS2482的8通道版本有助于將一個較大的應(yīng)用分離成幾個每線具有較少1-Wire器件的更小的網(wǎng)絡(luò)。采用DS2490時，DS2482的主機需要輪詢驅(qū)動器芯片以檢測1-Wire有效性是否結(jié)束。

采用可作為智能1-Wire驅(qū)動器的微控制器可以實現(xiàn)更大的靈活性，特別是驅(qū)動一個物理的大型1-Wire網(wǎng)絡(luò)。該電路及其必需軟件所應(yīng)考慮事項的詳細(xì)描述，請參見Dallas應(yīng)用筆記244。這種驅(qū)動器工作在3.3V或5V電壓下，具體取決于微控制器特性。

結(jié)束語

計算多從機器件1-Wire應(yīng)用所需的恢復(fù)時間是一個非常簡單和直觀的過程。對于1-Wire網(wǎng)絡(luò)，通常采用5V電壓是最佳選擇。對于更多的應(yīng)用來說，采用帶上拉電阻的1-Wire驅(qū)動器就足夠了。對于大型的網(wǎng)絡(luò)，則需要帶有源上拉的驅(qū)動器。

參考文獻(xiàn)：

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2. DS2490數(shù)據(jù)資料 USB與1-Wire橋接芯片
3. DS2482-800數(shù)據(jù)資料8通道1-Wire主控制器
4. DS2482-100數(shù)據(jù)資料單通道1-Wire主控制器
5. 應(yīng)用筆記244 性能優(yōu)異的1-Wire網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器
6. DS2409數(shù)據(jù)資料 MicroLAN耦合器。新設(shè)計中不推薦使用DS2409。
7. 應(yīng)用筆記192 DS2480B串行接口1-Wire線驅(qū)動器的使用
8. 應(yīng)用筆記3684 如何使用帶有I2C接口的DS2482 1-Wire主控制器
9. 應(yīng)用筆記126 用軟件實現(xiàn)1-Wire通信