单总线(1-Wire Bus)技术及其应用

2010-07-26 17:08:23来源: 国外电子元器件
1 引言
 
     目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信(一条时钟线,一条数据线),SPI总线则以同步串行3线方式进行通信(一条时钟线,一条数据输入线,一条数据输出线),而SCI总线是以异步方式进行通信(一条数据输入线,一条数据输出线)的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来,美国的达拉斯半导体公司(DALLAS SEMICONDUCTOR)推出了一项特有的单总线(1-Wire Bus)技术。该技术与上述总线不同,它采用单根信号线,既可传输时钟,又能传输数据,而且数据传输是双向的,因而这种单总线技术具有线路简单,硬件开销少,成本低廉,便于总线扩展和维护等优点。
 
    单总线适用于单主机系统,能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器,从机可以是单总线器件,它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时,系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时,系统则按多节点系统操作。图1所示是单总线多节点系统的示意图。

2 单总线的工作原理
 
    顾名思义,单总线即只有一根数据线,系统中的数据交换、控制都由这根线完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能够释放总线,而让其它设备使用总线,其内部等效电路如图2所示。单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻,这样,当总线闲置时,其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成,分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时,从机才能应答,因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列,即初始化、ROM、命令功能命令。如果出现序列混乱,1-wire器件将不响应主机(搜索ROM命令,报警搜索命令除外)。表1是列为ΔΙΩ命令的说明,而功能命令则根据具体1-wire器件所支持的功能来确定。


表1 ROM命令说明
ROM命令 说      明
搜索ROM(F0h) 识别单总线上所有的1-wire器件的ROM编码
读ROM(33h)(仅适合单节点) 直接读1-wire器件的序列号
匹配ROM(55h) 寻找与指定序列号相匹配的1-wire器件
跳跃ROM(CCh)(仅适合单节点) 使用该命令可直接访问总线上的从机设备
报警搜索ROM(Ech)(仅少数器件支持) 搜索有报警的从机设备
 
3 信号方式
 
    所有的单总线器件都要遵循严格的通信协议,以保证数据的完整性。1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。所有的单总线命令序列(初始化,ROM命令,功能命令)都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中,除了应答脉冲外,其它均由主机发出同步信号,并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。图3是这些信号的时序图。其中,图3(a)是初始化时序,初始化时序包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过拉低单总线至少480μs产生Tx复位脉冲;然后由主机释放总线,并进入Rx接收模式。主机释放总线时,会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿,单总线器件检测到该上升沿后,延时15~60μs,接着单总线器件通过拉低总线60~240μsμ来产生应答脉冲。主机接收到从机的以应答脉冲后,说明有单总线器件在线,然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。图3中的(b)、(c)、(d)分别是写1、写0和读时序。在每一个时序中,总线只能传输一位数据。所有的读、写时序至少需要60μs,且每两个独立的时序之间至少需要1μs的恢复时间。图中,读、写时序均始于主机拉低总线。在写时序中,主机将在拉低总线15μs之内释放总线,并向单总线器件写1;若主机拉低总线后能保持至少60μs的低电平,则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据,所以,当主机向单总线器件发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便单总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后,单总线器件才开始在总线上发送0或1。若单总线器件发送1,则总线保持高电平,若发送0,则拉低总线。由于单总线器件发送数据后可保持15μs有效时间,因此,主机在读时序期间必须释放总线,且须在15μs的采样总线状态,以便接收从机发送的数据。


4 单总线器件
 
    通常把挂在单总线上的器件称之为单总线器件,单总线器件内一般都具有控制、收*发、存储等电路。为了区分不同的单总线器件,厂家生产单总线器件时都要刻录一个64位的二进制ROM代码,以标志其ID号。目前,单总线器件主要有数字温度传感器(如DS18B20)、A/D转换器(如DS2450)、门标、身份识别器(如DS1990A)、单总线控制器(如DS1WM)等。这里介绍一种iButton形式的单总线器件,它是利用瞬间接触来进行数字通信的,这些器件的应用已经渗透到货币交易和高度安全的认证系统之中。IButton是采用纽扣状不锈钢外壳封装的微型计算机晶片,它具有抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠、价格便宜等特点,能较好的解决传统识别器存在的不足,同时又可满足系统在可靠性、稳定性方面的要求。
 
    IButton主要有三种类型,分别是Memory iButton(存储器);Java-powered cryptographic iButton(加密型);Thermochron iButton(温度型)。存储型iButton最大存储空间为64kB,可以存储文本或数字照片。加密型iButton是一种微处理器和高速算法加速器,可以产生大量需要加密和解密的数据信息,它的运行速度非常快,可与Internet应用相结合,并可应用于远程鉴定识别。温度型iButton可以测量温度变化,它内含温度计、时钟、热记录和存储单元等。



5 单总线器件的应用
 
    现以单总线器件iButton在安防系统上的应用为例来进行说明,该安防系统就是利用iButton来进行门禁识别的。其门禁识别部分的硬件原理图如图4所示,它由主机微控制器、从机(包括iButton信息读取头和iButton)、主机通过RS485进行远程通信(或通过MicroWeb连上Internet)等三部分组成。微控制器采用Microchip公司的PIC16F873芯片,而API8108A语音芯片则用来告诉用户系统信息;iButton采用DS1990A,信息读取头被读取并同时送到主机微控制器,然后由主机把收到的标识码与原先存储的iButton标识码进行比较判断,若吻合,则系统按设定要求程序工作,否则,系统给出语音提示。DS1990A与主机微控制器之间的通信软件设计流程图如图5所示。
 
 
     通常主机与单总线器件的通信都是通过初始化、写0、写1、读0、读1时序来的完成的,下面给出用汇编语言编写的子程序,需要说明的是,这些程序虽然是针对iButton所写的,但适用于所有的单总线器件,且简单易懂,现予给出,以供大家参考。
 
RESET BSF RB2 ;主机拉低总线
CALL DELAY_500us ;给500μs复位脉冲
BCF RB2 ;释放总线
CALL DELAY_200us
BTFSC BR1 ;检测iButton返回应答脉冲否
GOTO RESET ;否,再给它复位脉冲
CALL DELAY_500us ;是,返回
RETURN
WRITE_0 BSF RB2 ;对iButton写0时序子程序
CALL DELAY_10us
CALL DELAY_60us
BCF RB2
CALL DELAY_10us
RETURN
WRITE_1 BSF RB2 ;对iButton写1时序子程序
CALL DELAY_10us
BCF RB2
CALL DELAY_60us
RETURN
READ_TIME BSF RB2 ;对iButton读数据时序
NOP
NOP
NOP
BCF RB2
CALL DELAY_10us
RETURN
 
6 总结
 
    单总线技术以其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计简单优势而有着无可比拟的应用前景。基于单总线的iButton技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便、易损坏、易受腐馈、易受电磁干扰等不足,可应用于高度安全的门禁、身份识别等领域。其通信可靠简单,很容易实现。因此单总线技术有着广阔的应用前景,是值得产注的一个发展领域。

关键字:单总线  单总线协议  iButton

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/0726/article_3198.html
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