利用1-Wire®链路功能获取位置信息—一种确定器件
摘要：本文介绍了一种基于寻址协议的低成本串行总线系统，用来识别丢失元件的物理位置。在测量或控制串行总线中可能存在这样的问题，例如：多点温度测量系统。本文详细介绍了在低成本串行总线中，如1-wire，如何利用具有链路功能的ds28ea00获得位置信息。
本文还发表在maxim工程期刊，第60期(pdf, 848kb)。
数字总线系统的共同特性即为共享。随着微处理器的推广，并行总线系统应用日益广泛，总线上挂接的所有元件共享数据线和地址线。片选信号可由地址线和控制信号解码得到。根据硬件设计和布线，连接在总线上的各个器件的物理地址总是已知的。随着技术向低成本串行总线系统的发展1，首先省去了地址线。但spi™和microwire™串行总线仍具有片选功能。许多先进的串行总线系统引入了基于协议的寻址方式，将地址信息作为一个前导码传输给数据。该类总线的典型代表为i²c/smbus™，此类通信接口缩减到只有数据线和时钟线。为了进一步降低成本，可以将时钟信息嵌入到数据流中。该类总线的典型代表为1-wire、lin和sensorpath®总线。
由于采用了基于协议的寻址方式，因此元件物理位置方面的信息将缺失。对于采用串行总线的仪表和控制应用(例如测量多点温度)，这将是一个问题。对于i²c总线而言，地址引脚与逻辑1、逻辑0、scl或sda相连，在某种程度上解决了这个问题。采用这一办法，单个引脚可被设定到4种不同的数字状态，相当于两个位。尽管这种方法简单、有效，但由于最初的i²c协议仅提供7个地址位，因此具有一定的局限性。1-wire总线具有64位地址，在这一方面可提供更高的灵活性。无论如何，每个增加一个地址引脚将增加成本，因此增加地址引脚不是一个好的选择。
图1给出了一种简单的低成本方案，可重新获取串行总线上挂接的多个器件的物理位置，将网络的起始位置的器件标识为位置#1，并依次为网络上挂接的器件编号。该方案的电路连接如图中蓝色粗线所示。在位置1处，线路接地即可。
图1. 可进行位置检测的串行网络
除了图1中标有in和out的两个引脚外，还需要通过片上逻辑读取in引脚和写out引脚。如果协议支持多点网络功能，那么借助于上述这些方法，主机可首先识别出第一个器件，然后再识别下一个器件，以此类推，直到完成对所有器件的定位。1-wire总线即可满足这一要求的串行总线系统。
1-wire总线是一种简单的信令协议，可通过一条公共数据线实现主机/主控制器和一个或多个从机之间的半双工、双向通信(图2)。可以通过单根1-wire总线实现供电以及与从机之间的数据通信。供电通过以下方式实现：在数据传输过程中，总线状态为高时从机的内部电容从总线上获取电荷，总线状态为低时利用该电荷为器件供电。典型的1-wire主机包括一个开漏i/o引脚，并通过电阻上拉至3v至5v电源。采用这种智能通信技术，可以随时方便、高效地增加存储器、认证和混合信号功能。
图2. 不带链路功能的典型1-wire网络
所有的1-wire系统都有一个重要的基本特征：每个从机都具有一个唯一的、不能更改(rom)的64位、工厂激光刻制序列号(id)，这个序列号永远不会与其它器件重复。除了为终端产品提供唯一的电子id外，64位rom id还允许主机从挂接在同一条总线上的许多从机设备中选择一个器件。64位rom id中包含有8位家族码，用于识别器件的类型和支持的功能。
通常，当系统启动初始化时，1-wire主机可能并不知道总线上挂接的器件数量以及他们的rom id。利用总线的线与特性，主机可采用排除法确定总线上挂接的所有器件的id。通过searchrom*功能2，主机可确定总线上所挂接器件的rom id。然而，search rom结果无法提供单个器件的位置。例如，如图2所示的器件rom id，器件的id按照表1所示的顺序获取。
表1. 器件搜索顺序 sequence rom id (hexadecimal) position in network
1 c7000000007ad242 location #2
2 5a00000000853e42 location #3
3 16000000008a8142 location #1
链路功能的概念采用链路功能确定1-wire网络环境中器件的物理位置时，遵循以下几点： 已知系统级1-wire网络的物理分布，例如第一个、谁是第二个，等等，以及器件/节点的物理位置。 获取器件(rom id)的物理连接顺序，哪个是第一个，哪个是最后一个。 其中a) 已知的系统信息，可从1-wire网络的物理布局获得。b) 项通常是未知的，可以采用链路功能通信很容易获取这些信息。链路功能(图3)通过两个引脚，输入引脚(/en)在搜索期间使能器件响应，而输出引脚(/done)通知链路中的下一个器件它之前的器件已完成搜索。/done信号连接至下一个器件的/en输入。链路中第一个器件的/en输入被连接至gnd。实现链路功能的连线如图中蓝色粗线所示。除了/en和/done引脚之外，顺序搜索功能还需要具备一个新的网络功能命令，conditional read rom。只有满足特定条件时(下文进行说明)，该命令才报告器件的rom id。相反，read rom可使网络中所有器件在同一时间发送其rom id。ds28ea00是业界首款带有新型链路功能的器件(如图3所示)。
图3. 具有链路功能的ds28ea00在1-wire网络中的典型连接
/en和/done引脚除了用于顺序搜索之外，还可作为数字pio。为了实现这一功能，链路功能定义了三种链路状态，off、on和done。通过chain命令控制链路状态的转换。表2给出了链路状态及相应工作状态。
表2. 链路状态 chain state device behavior
active-low en (piob) active-low done (pioa) conditional read rom
off (default) pio (high impedance) pio (high impedance) ignored
on active-low en input pullup on recognized if active-low en is logic 0
done no function pulldown on (active-low done is logic 0) ignored
上电默认链路状态为off，此时/done (pioa)和/en (piob)由pio access read和pio access write命令单独控制，如ds28ea00数据资料所述3。链路状态为on时，/done通过一个40kω的片上电阻(rco)上拉至器件内部电源vdd，进而向下一个器件的/en引脚发送逻辑‘1’信号。如果/en引脚为逻辑‘0’，则仅处于on链路状态的器件才能响应conditional read rom命令。在顺序搜索过程中，网络中器件的最大值应满足这一条件。
要将器件从chain off转换为chain on或chain done状态，主机需采用chain命令实现。图4给出了各种可能的转换。chain命令代码后，主机必须紧接着发送一个适当的chain control字节。为了降低接收错误chain命令的几率，首先以原码形式发送控制字节，然后再以反码形式发送。当主机接收到aah确认字节时，表明链路状态成功转换。
图4.链路状态转换图
开始顺序搜索时，主机必须将所有器件都置为chain on状态。当主机通过conditional read rom读取完一个的器件rom id后，应该将该器件置为chain done状态，从而允许链路中的下一个器件以响应conditional read rom命令。在顺序搜索的过程中，器件将依次进入chain done状态，直到搜索完所有器件。最后，所有器件都被设置到chain off状态，从而释放/en和/done引脚，使之变为pio，并恢复到上电默认状态。
顺序搜索例程前提 主机控制网络如图3所示。所有器件都支持链路功能。若要搜索链路中器件的顺序，例如位置编号以及该处器件的rom id (即注册码)，主机需执行以下步骤：
初始化 主机发送skip rom命令，紧接着发送chain on命令，将所有器件置于chain on状态。除了链路中的第一个器件之外，对于其它所有器件，通过/done引脚的rco上拉电阻将/done//en变为逻辑1。
第一个周期 主机发送conditional read rom命令，链路中的第一个器件对命令进行响应，可得到第一个器件的64位rom id。主机存储该rom id，并将其确定为链路的第一个器件。随后，主机发送chain done命令。该命令通过器件#1的/done引脚，将链路中第二个器件的/en引脚设置为逻辑0，同时防止器件#1再次响应。
第二个周期 主机发送conditional read rom命令。由于此时器件#2是链路中唯一一个/en为逻辑0的器件，因此该器件发送其rom id作为响应。主机将该rom id保存为序列码'2'。(器件#1处于chain done状态，所以不会响应该命令。) 随后，主机发送chain done命令。
重复周期 要识别剩余器件的rom id及其物理位置，主机需要重复发送conditional read rom和chain done命令。如果没有器件响应conditional read rom命令，说明链路中的所有器件均已被识别。
终止 搜索过程结束后，链路中的所有器件都处于chain done状态。主机应发送skip rom命令后，紧接着发送chain off命令，用于终止顺序搜索。这样可将所有器件都进入chain off状态，变成由pio access功能命令控制pio引脚。关于conditional read rom和chain命令的详细说明，以及完整的流程图，请参考ds28ea00数据资料4。
假定采用标准的1-wire速率(复位/在线检测周期为960µs，每个时隙为65µs)，初始化和结束共约用去7ms (一次总共占用的时间)。各个器件的搜索和位置检测约占用7.7ms。相同条件下，执行search rom命令时，每个器件约占用14ms。例如，在100ms之内，如果具有链路功能的话，主机能识别和定位12个器件，但是如果仅依靠search rom功能的话，主机只能识别7个器件。
补充说明电缆电容 常用于构建1-wire网络的5类电话线的每对双绞线对之间具有大约50pf/m的电容。根据网络的规模，当所有器件都处于chain on状态时，会给线路增加非常大的电容负载。在寄生供电模式下，有时候需要采用有源1-wire线路上拉，这样可避免电压跌落至最小允许值以下。采用主电源或本地vcc电源供电时无需采用这一措施。
conditional read rom ds2401及其兼容的、1993年停产的ds2400硅序列号，均将这一命令读为read rom。因此，不要将ds2401连接到采用链路功能的网络中。所以，使用1-wire端口适配器时，应选择不带ds2401的器件。ds2405版本a也能像ds2401一样响应conditional read rom命令代码。1998年开始投产的ds2405版本b则会忽略conditional read rom命令代码。
1-wire主控制器电路 在嵌入式应用环境下，可采用各种低成本、分立式、基于ic的1-wire主控制器。分立解决方案包括上拉电阻、空闲的µc端口引脚以及高级驱动器5。专门用于驱动1-wire总线的集成驱动器包括ds2480b6 (串行端口，uart)，ds24907 (usb端口)以及ds24828,9 (i²c端口，图5)。8通道版本的ds2482具有3个地址引脚，允许单个主控制器控制多达64个独立的1-wire网络。应用笔记192，ds2480b串行接口1-wire线驱动器的使用10，从软件开发的角度对ds2480b进行了说明。与之类似的一篇针对ds2482驱动器的文章也可供参考11。
图5. 单通道i²c至1- wire桥接器件ds2482作为1-wire主控制器。其/done输出也可用于驱动一个led，并不会影响链路功能。
电源 如果提供vcc电源，所有ds28ea00可同时进行温度转换。随后发送conditional search命令，可以筛选出那些发出报警温度的器件。通过顺序搜索，可得出器件的rom id及其位置信息，能迅速知道需要在哪些地方采取纠正措施。如果没有vcc电源，温度转换必须依次进行。此外，开始进行顺序搜索时(所有器件从chain off状态转换至chain on状态)，必须确保1-wire数据线路上的电压不会跌落的太多。
速率 高速模式下的快速时序不适用于包含多个器件，或超过3m的1-wire网络；此时应采用标准速率替代。根据网络中的器件数量，即使采用标准速率，也需要延长恢复时间，特别是当采用寄生电源供电时12。
故障诊断 如果无法实现顺序搜索，则在发送chain on命令后，察看1-wire线路上的压降。如果电压跌落至3.0v以下，则命令有可能不能正常执行。为了避免电压跌落，chain on以后，可采用带有源上拉的驱动电路，或者采用主电源供电。如果链路中第一个器件的/en输入开路、或者连接至1-wire线路，或者连接至vcc，都将导致顺序检测失败。确保网络中无ds2401。不允许将并联的两个或多个网络连接至同一个1-wire端口，因此此时所有的“首个器件”将同时响应，这样会得到带无效crc字节的rom id。
结束语链路功能是一种新型特性，主机可在软件控制下确定线性网络中器件的物理顺序，无需人工参与。ds28ea00 1-wire数字温度计是首款集成链路功能的器件。在多点温度测量应用中，与那些通过地址引脚获得器件位置的解决方案相比，ds28ea00是最划算的选择。
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由于采用了基于协议的寻址方式，因此元件物理位置方面的信息将缺失。对于采用串行总线的仪表和控制应用(例如测量多点温度)，这将是一个问题。对于i²c总线而言，地址引脚与逻辑1、逻辑0、scl或sda相连，在某种程度上解决了这个问题。采用这一办法，单个引脚可被设定到4种不同的数字状态，相当于两个位。尽管这种方法简单、有效，但由于最初的i²c协议仅提供7个地址位，因此具有一定的局限性。1-wire总线具有64位地址，在这一方面可提供更高的灵活性。无论如何，每个增加一个地址引脚将增加成本，因此增加地址引脚不是一个好的选择。
图1给出了一种简单的低成本方案，可重新获取串行总线上挂接的多个器件的物理位置，将网络的起始位置的器件标识为位置#1，并依次为网络上挂接的器件编号。该方案的电路连接如图中蓝色粗线所示。在位置1处，线路接地即可。
图1. 可进行位置检测的串行网络
除了图1中标有in和out的两个引脚外，还需要通过片上逻辑读取in引脚和写out引脚。如果协议支持多点网络功能，那么借助于上述这些方法，主机可首先识别出第一个器件，然后再识别下一个器件，以此类推，直到完成对所有器件的定位。1-wire总线即可满足这一要求的串行总线系统。
1-wire总线是一种简单的信令协议，可通过一条公共数据线实现主机/主控制器和一个或多个从机之间的半双工、双向通信(图2)。可以通过单根1-wire总线实现供电以及与从机之间的数据通信。供电通过以下方式实现：在数据传输过程中，总线状态为高时从机的内部电容从总线上获取电荷，总线状态为低时利用该电荷为器件供电。典型的1-wire主机包括一个开漏i/o引脚，并通过电阻上拉至3v至5v电源。采用这种智能通信技术，可以随时方便、高效地增加存储器、认证和混合信号功能。
图2. 不带链路功能的典型1-wire网络
所有的1-wire系统都有一个重要的基本特征：每个从机都具有一个唯一的、不能更改(rom)的64位、工厂激光刻制序列号(id)，这个序列号永远不会与其它器件重复。除了为终端产品提供唯一的电子id外，64位rom id还允许主机从挂接在同一条总线上的许多从机设备中选择一个器件。64位rom id中包含有8位家族码，用于识别器件的类型和支持的功能。
通常，当系统启动初始化时，1-wire主机可能并不知道总线上挂接的器件数量以及他们的rom id。利用总线的线与特性，主机可采用排除法确定总线上挂接的所有器件的id。通过searchrom*功能2，主机可确定总线上所挂接器件的rom id。然而，search rom结果无法提供单个器件的位置。例如，如图2所示的器件rom id，器件的id按照表1所示的顺序获取。
表1. 器件搜索顺序 sequence rom id (hexadecimal) position in network
1 c7000000007ad242 location #2
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图3. 具有链路功能的ds28ea00在1-wire网络中的典型连接
/en和/done引脚除了用于顺序搜索之外，还可作为数字pio。为了实现这一功能，链路功能定义了三种链路状态，off、on和done。通过chain命令控制链路状态的转换。表2给出了链路状态及相应工作状态。
表2. 链路状态 chain state device behavior
active-low en (piob) active-low done (pioa) conditional read rom
off (default) pio (high impedance) pio (high impedance) ignored
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done no function pulldown on (active-low done is logic 0) ignored
上电默认链路状态为off，此时/done (pioa)和/en (piob)由pio access read和pio access write命令单独控制，如ds28ea00数据资料所述3。链路状态为on时，/done通过一个40kω的片上电阻(rco)上拉至器件内部电源vdd，进而向下一个器件的/en引脚发送逻辑‘1’信号。如果/en引脚为逻辑‘0’，则仅处于on链路状态的器件才能响应conditional read rom命令。在顺序搜索过程中，网络中器件的最大值应满足这一条件。
要将器件从chain off转换为chain on或chain done状态，主机需采用chain命令实现。图4给出了各种可能的转换。chain命令代码后，主机必须紧接着发送一个适当的chain control字节。为了降低接收错误chain命令的几率，首先以原码形式发送控制字节，然后再以反码形式发送。当主机接收到aah确认字节时，表明链路状态成功转换。
图4.链路状态转换图
开始顺序搜索时，主机必须将所有器件都置为chain on状态。当主机通过conditional read rom读取完一个的器件rom id后，应该将该器件置为chain done状态，从而允许链路中的下一个器件以响应conditional read rom命令。在顺序搜索的过程中，器件将依次进入chain done状态，直到搜索完所有器件。最后，所有器件都被设置到chain off状态，从而释放/en和/done引脚，使之变为pio，并恢复到上电默认状态。
顺序搜索例程前提 主机控制网络如图3所示。所有器件都支持链路功能。若要搜索链路中器件的顺序，例如位置编号以及该处器件的rom id (即注册码)，主机需执行以下步骤：
初始化 主机发送skip rom命令，紧接着发送chain on命令，将所有器件置于chain on状态。除了链路中的第一个器件之外，对于其它所有器件，通过/done引脚的rco上拉电阻将/done//en变为逻辑1。
第一个周期 主机发送conditional read rom命令，链路中的第一个器件对命令进行响应，可得到第一个器件的64位rom id。主机存储该rom id，并将其确定为链路的第一个器件。随后，主机发送chain done命令。该命令通过器件#1的/done引脚，将链路中第二个器件的/en引脚设置为逻辑0，同时防止器件#1再次响应。
第二个周期 主机发送conditional read rom命令。由于此时器件#2是链路中唯一一个/en为逻辑0的器件，因此该器件发送其rom id作为响应。主机将该rom id保存为序列码'2'。(器件#1处于chain done状态，所以不会响应该命令。) 随后，主机发送chain done命令。
重复周期 要识别剩余器件的rom id及其物理位置，主机需要重复发送conditional read rom和chain done命令。如果没有器件响应conditional read rom命令，说明链路中的所有器件均已被识别。
终止 搜索过程结束后，链路中的所有器件都处于chain done状态。主机应发送skip rom命令后，紧接着发送chain off命令，用于终止顺序搜索。这样可将所有器件都进入chain off状态，变成由pio access功能命令控制pio引脚。关于conditional read rom和chain命令的详细说明，以及完整的流程图，请参考ds28ea00数据资料4。
假定采用标准的1-wire速率(复位/在线检测周期为960µs，每个时隙为65µs)，初始化和结束共约用去7ms (一次总共占用的时间)。各个器件的搜索和位置检测约占用7.7ms。相同条件下，执行search rom命令时，每个器件约占用14ms。例如，在100ms之内，如果具有链路功能的话，主机能识别和定位12个器件，但是如果仅依靠search rom功能的话，主机只能识别7个器件。
补充说明电缆电容 常用于构建1-wire网络的5类电话线的每对双绞线对之间具有大约50pf/m的电容。根据网络的规模，当所有器件都处于chain on状态时，会给线路增加非常大的电容负载。在寄生供电模式下，有时候需要采用有源1-wire线路上拉，这样可避免电压跌落至最小允许值以下。采用主电源或本地vcc电源供电时无需采用这一措施。
conditional read rom ds2401及其兼容的、1993年停产的ds2400硅序列号，均将这一命令读为read rom。因此，不要将ds2401连接到采用链路功能的网络中。所以，使用1-wire端口适配器时，应选择不带ds2401的器件。ds2405版本a也能像ds2401一样响应conditional read rom命令代码。1998年开始投产的ds2405版本b则会忽略conditional read rom命令代码。
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图5. 单通道i²c至1- wire桥接器件ds2482作为1-wire主控制器。其/done输出也可用于驱动一个led，并不会影响链路功能。
电源 如果提供vcc电源，所有ds28ea00可同时进行温度转换。随后发送conditional search命令，可以筛选出那些发出报警温度的器件。通过顺序搜索，可得出器件的rom id及其位置信息，能迅速知道需要在哪些地方采取纠正措施。如果没有vcc电源，温度转换必须依次进行。此外，开始进行顺序搜索时(所有器件从chain off状态转换至chain on状态)，必须确保1-wire数据线路上的电压不会跌落的太多。
速率 高速模式下的快速时序不适用于包含多个器件，或超过3m的1-wire网络；此时应采用标准速率替代。根据网络中的器件数量，即使采用标准速率，也需要延长恢复时间，特别是当采用寄生电源供电时12。
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