1-wire网络的电缆选择与保护

2006-05-07 15:50:08来源: 国外电子元器件

1 选择电缆

1-Wire网络包含三个部分:主机、电缆、以及1-Wire器件。在主机和1-Wire器件之间的电缆可以通过数据线上的电感、电阻及电缆电容进行等效建模,其电缆电容一般为电缆长度与线长比容的乘积,一般5类双绞线的比容为50pF/m。同样,电缆的电阻是线路长度乘以每条导线每米的等效电阻。1-Wire器件通常可以通过其输入电容(Cin)、固定放电电流(Idisc)、寄生电源电路(Di、Ri、Cload)及其在通信时的10μA工作电流(Iop)来模拟。每个1-Wire器件需要5μA的空闲电流来保持其接口与通信协议同步,当1-Wire端口晶体管导通时,其标称阻抗低于100Ω。而当总线被置为0.4V的逻辑低电平时通常可吸入4mA的电流。

电缆是连接主要和1-Wire从机器件的媒介,其物理属性在很大程序上直接影响网络的传输质量,对于30米之内的短距离电缆,阻抗特性的负面影响可能还不太明显,因此是否选择有源上拉的1-Wire网络并不重要。即使是扁平的标准电话线电缆也可用于1-Wire器件数量有限的网络连接。但是1-Wire网络总线越长,电缆的影响就越明显,电缆的选择也就变得更加重要。

任何电缆都会表现出传输线效应,实际电缆的电阻、电容和电感参数有所不同,这些参数由电缆的几何形状、电缆尺寸、导线的间距及其绝缘层决定,同时也确定了电缆的特性阻抗和能够支持的信号带宽以及传输速度,特别是电缆阻抗降低了逻辑“0”电平的噪声裕量。尽管对于总的电缆长度来说100Ω的特性阻抗是可以接受的,但参数范围在30pF/m~100pF/m的电缆电容会增加MicroLAN驱动器的容性负载,这不仅增大了网络时间常数(t),同时在主机晶体管导通或总线放电时也增大了电缆上的尖峰电流。

    如果晶体管在电容中的储存电荷安全放电之前切换,电缆中的残余将导致电缆上出现瞬间的电压尖峰信号,该电压尖峰信号,将会干扰正常的通信。当总线下拉晶体管和有源上拉关闭时,电缆中残余电流的影响曲线如图1所示。应当注意在每种情况下所生成的尖峰信号都是反向的。

在电缆的远端,当下拉晶体管关闭时,由于其感应电压的尖峰信号为负极性,因此最靠近电缆终端的1-Wire器件将得反向偏置而使二极管反偏,从而使该1-Wire器件不能应答主机。这种感应电压主要是由差分电感产生的,将两条导线的终端短接、可从电缆输入端测得这个差分电感。虽然这种差分电感远远低于单根导线的电感(理想情况下可忽略)。但是随着两个导体之间距离的增加,还是建议使用密度较大的双绞线电缆。因此在两根导线中互为反向流动的电流可相互抵消从而抑制干扰信号的影响,同时,双绞线还有助于减少附近干扰源耦合信号。

随着寄生电感的增加,(Lxdi/dt)将产生导致位错误的电压漂移,并至少在电缆终端的第一个1-Wire器件产生反向偏置。这些电压尖峰信号是主机晶体管在电缆电容没有完全放电之间关闭时由驻留在数据和返回线路中的残余电流产生的。当然,解决方案是将下拉晶体管保持为打开状态,直到总线完全放电为止。最好在总线的远端配置肖特基三极管来避免电感生成过高的电压,可使用二极管跨接电缆,并使阴极接数据线、阳极接返回线,这样,每一节点只需一个二极管。

另一个问题是所推荐的非屏蔽5类双绞线有两对或多对电缆。当每对导线之间的电容约为50pF/m时,不同双绞线对之间的电容接近30pF/m。把不用的导线接地将会给1-Wire增加30pF/m的电容负载。因此,屏蔽不用导线可将电缆两端保持为开路状态。另外,要避免在同一捆电缆上同时运行两个1-Wire网络,以避免电容负载按照数据模式不断变化而导致通信稳定。

2 利用MicroLAN耦合器扩大网络规模

在网络负载很重或网络规模很大时,可将总线分段。这样做的优点可提供有关1-Wire器件在总线上物理位置的有关信息。设计时,可以使用一段网络作为“主干”,其余为网络分支,并根据需要用DS2409添加或去除(分支)。同时可以利用MicroLAN耦合器来作为节点控制,以在分支上添加或去除其它网络。该方案中,主机通过激活DS2409来控制主干和分支与总线的连接,从而降低了总线电容和空闲电流负载。但是,本文前面所述的总电容负载、空闲电流和电缆长度的限制仍然适用。也就是说,对于主干和LAN上激活的分支,电容负载也必须足够低,以保证总线上拉在规定的时间内将总线提升到逻辑“1”的阈值之上,同时应1-Wire器件的总空闲电流不得将电源电压降低到2.8V以下。

DS2409 MicroLAN耦合器是创建复杂MicroLAN的关键元件,它包括主、辅发送器驱动输出和漏极开路控制输出晶体管,其中每个输出都可由总线主机通过1-Wire网络来进行远程控制。主、辅输出支持“智能启动”命令,该命令在连接到1-Wire总线之前可在选定的输出上生成一个复位/在线序列,以允许相应的ROM命令只作用于被激活的网络设备。DS2409需要一个5V电源,否则它将短路1-Wire总线和中断分支的通信。由于DS2409未包含用户内存,因此,辅助输出可通过连接一个1-Wire内存芯片以存储所需数据,进而标记节点位置。连接带有EEPROM的简单MicroLAN分支如图2所示。图中,DS2430 EEPROM连接到DS2409的辅输出端,以便为特定节点提供专用信息(如位置、功能等)。连接到CONT输出的LED可由于提供正在寻址的特定分支的视觉指示,并可以借助软件设置提供特殊视觉效果。在图2中所示的分支上安装了一个DS1820数字温度计,当然也可以根据需要挂接多个1-Wire器件。

3 MicroLAN的保护措施

3.1 保护电路

在多数与1-Wire网络兼容的器件都带有能够承受±10kV人体模型ESD冲击的保护电路。但是,当计算机连接到1-Wire网络时,最好提供额外的保护措施以避免系统受ESD和EMI(电磁干扰)的冲击而损坏。可以利用二极管来旁路负路负的尖峰信号或吸收高于5V电源的正向电压。当选择保护二极管或浪涌吸收电路时,需选择具有最小结电容和快速切换时间的元件,ERA82肖特基二极管或通用的1N5817都是不错的选择,也可采用SOT-23封装的肖特基二极管(如BAT54x系列产品等)。

如果1-Wire EPROM器件无法使用RS-232至1-Wire接口适配器连接,可利用DS9502 ESD保护二极管来提供保护。其工作原理如同7.5V齐纳二极管。但是,如果电压超过其9V触发电压,则将会被嵌至5.5V。如果ESD超出其额定值,可用DS9502来提供旁路,以避免损坏被保护电路,DS9502采用6引脚TSOC封装。

3.2 DS2408 1-Wire线驱动器

为简化1-Wire网络的设计,Dallas开发了DS2480串行1-Wire驱动器。此IC可直接连接到UART和5V RS-232系统,选用DS2480可利用适配器直接连接到标准COM端口,并可提供1-Wire输出。此IC包含可编程下拉摆率控制和有源上拉。其它特性还包括支持9.6kbps(默认)、19.2kbps、57.6kbps和115.kbps的数据速度和可编程1-Wire时序。DS2480也可充当DS9097U,即连接DB9与RJ11 COM端口的适配器。

4 结论

采用相关技术(如使用5类双绞线、摆率控制、有源上拉等)能够在总线上挂接500个以上的各类1-Wire器件,并可在电缆长度达300米时进行可靠通信。而如果不采用摆率控制和有源上拉技术,则只能保证在总线上最多挂节150个1-Wire器件、并保证在电缆长度为100米时通信正常。有关远距离通信或重载MicroLAN的相关建议如下:

(1)电缆可选择双绞电话线或5类双绞线

(2)可使用肖特基二极管跨接电缆末端,以旁路负的尖峰信号或吸收高于5V电源的正向电压。

(3)使用分级结构,可利用DS2409 MicroLAN耦合器将网络分隔成多个分支,以扩大网络规模。

(4)使用基于DS2480的COM端口适配器,可以将DB9连接至RJ11适配器的DS9097U-S09,或将DB9接至DS9098插座适配器的DS1411。

(5)控制摆率,可以将下拉时的数据线摆率限制在1.1μs左右。

(6)使用有源上拉来替换无源上拉,以将摆率限制在1.1/μs左右。

关键字:网络  电缆  选择  保护

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