1-Wire單總線的基本原理

1、1-wire單總線的基本原理一、概述1-wire單總線是Maxmi全資子公司DaUas的一項專有技術(shù)。與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式，如spi/Fczmicrowire不同，它采用單根信號線，既傳輸時鐘，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有節(jié)省DOII線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便丁總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設(shè)備。當(dāng)只苗一個從機位丁總線上時，系統(tǒng)可按照單節(jié)點系統(tǒng)操作：而當(dāng)多個從機位于總線上時，則系統(tǒng)按照多節(jié)點系統(tǒng)操作。為了較為全而地介紹單總線系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為三個部分討論：哽件結(jié)構(gòu)、命令序列和信號方式（信號類型和時序）。二、硬件結(jié)構(gòu)顧名思義，單

2、總線只有一根數(shù)據(jù)線。設(shè)備（主機或從機）通過一個漏極開路或三態(tài)端11,連接至該數(shù)據(jù)線,這樣允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時釋放數(shù)據(jù)總線，以便總線被其它設(shè)備所使用O單總線端11為漏極開路,其內(nèi)部等效電路如圖1所示。單總線要求外接一個約5k的上拉電阻；這樣，單總線的閑置狀態(tài)為高電平。不管什么原因，如果傳輸過程需要暫時掛起，且要求傳輸過程還能夠繼續(xù)的話，則總線必須處于空閑狀態(tài)。位傳輸Z間的恢復(fù)時間沒有限制，只要總線在恢復(fù)期間處F空閑狀態(tài)（高電平）。如果總線保持低電平超過480US,總線上的所有器件將復(fù)位。另外，在寄生方式供電時，為了保證單總線器件在某些工作狀態(tài)卞（如溫度轉(zhuǎn)換期河、EEPROM寫入等）具有足夠的電

3、源電流，必須在總線上提供強上拉（如圖1所示的MOSFET）。三、命令序列典型的單總線命令序列如卜:第一步：初始化第二步：ROM命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）第三步：功能命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）每次訪問單總線器件，必須嚴(yán)格遵守這個命令序列，如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機。但是，這個準(zhǔn)則對丁搜索ROM命令和報警搜索命令例外，在執(zhí)行兩者中任何一條命令Z后，主機不能執(zhí)行其后的功能命令，必須返回至第一步。1初始化基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機知道，總線上有從機設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。復(fù)位和應(yīng)答脈沖的時間詳見單總線信

4、號部分。3.2ROM命令在主機檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。這些命令與各個從機設(shè)備的唯一64位ROM代碼相關(guān)，允許主機在單總線上連接多個從機設(shè)備時，指定操作某個從機設(shè)備。這些命令還允許主機能夠檢測到總線上有多少個從機設(shè)備以及其設(shè)備類型，或者有沒有設(shè)備處丁報警狀態(tài)。從機設(shè)備可能支持5種ROM命令（實際情況與貝體型號有關(guān)），每種命令長度為8位。主機在發(fā)出功能命令Z前，必須送出合適的ROM命令。RON1命令的操作流程如圖2所示。卜面將簡要地介紹各個ROM命令的功能，以及使用在何種情況匸圖2、ROM命令流程圖3.2.1搜索ROMF01i當(dāng)系統(tǒng)初始上電時，主機必須找出總線上所有從機設(shè)備的ROM

5、代碼，這樣主機就能夠判斷岀從機的數(shù)目和類型。主機通過重復(fù)執(zhí)行搜索ROM循環(huán)（搜索ROM命令跟隨著位數(shù)據(jù)交換），以找出總線上所有的從機設(shè)備。如果總線只有一個從機設(shè)備，則可以采用讀ROM命令來替代搜索ROM命令。關(guān)于搜索ROM命令的詳細(xì)解釋，請參見附錄A。在每次執(zhí)行完搜索ROM循壞后，主機必須返回至命令序列的第一步（初始化）。3.2.2讀ROM33h（僅適合于單節(jié)點）該命令僅適用于總線上只有一個從機設(shè)備。它允許主機直接讀出從機的64位ROM代碼，而無須執(zhí)行搜索ROM過程。如果該命令用于多節(jié)點系統(tǒng)，則必然發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，因為每個從機設(shè)備都會響應(yīng)該命令。3.2.3匹配ROM55町匹配ROM命令跟隨64位

6、ROM代碼，從而允許主機訪問多節(jié)點系統(tǒng)中某個指定的從機設(shè)備。僅當(dāng)從機完全匹配64位ROM代碼時，才會響應(yīng)主機隨后發(fā)岀的功能命令；其它設(shè)備將處于等待復(fù)位脈沖狀態(tài)。3.2.4跳越ROMCCh（僅適合于單節(jié)點）主機能夠采用該命令同時訪問總線上的所有從機設(shè)備，而無須發(fā)出任何ROM代碼信息。例如，主機通過在發(fā)出跳越ROM命令后跟隨轉(zhuǎn)換溫度命令44h,就可以同時命令總線上所有的DS18E20開始轉(zhuǎn)換溫度，這樣人人節(jié)省了主機的時間。值得注意，如果跳越ROM命令跟隨的是讀暫存器EEh的命令（包括其它讀操作命令），則該命令只能應(yīng)用單節(jié)點系統(tǒng)，否則將由于多個節(jié)點都響應(yīng)該命令而引起數(shù)據(jù)沖突。3.2.5報警搜索ECh

7、（僅少數(shù)1-wire器件支持）除那些設(shè)置了報警標(biāo)志的從機響應(yīng)外，該命令的工作方式完全等同于搜索ROM命令。該命令允許主機設(shè)備判斷那些從機設(shè)備發(fā)生了報警（如最近的測最溫度過高或過低等）。同搜索ROM命令一樣，在完成報警搜索循壞后，主機必須返回至命令序列的第一步。3.3功能命令（以DS18B20為例）在主機發(fā)出ROM命令，以訪問某個指定的DS18B2O,接著就可以發(fā)出DS18B20支持的某個功能命令。這些命令允許主機寫入或讀出DS18B20暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機的供電方式。DS18B20的功能命令總結(jié)于表1中，并在圖3流程圖中作了說明。表、DS18B20功能命令集命令描述命令代碼發(fā)送命令

8、后，單總線上的響應(yīng)信息注釋溫度轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換溫度啟動溫度轉(zhuǎn)換44h無1存儲器命令讀暫存器讀全部的暫存器內(nèi)容，包括CRC字節(jié)BEhDS18B20傳輸多達(dá)9個字節(jié)至主機2寫暫存器寫暫存器第2、3和4個字節(jié)的數(shù)據(jù)（即G，Il和配置寄存器）4Eh主機傳輸3個字節(jié)數(shù)據(jù)至DS18B203復(fù)制暫存器將暫存器中的Th，口和配置字節(jié)復(fù)制到EEPROM中48h無1回讀EEPROM將Th，Il和配置字節(jié)從EEPROM回讀至?xí)捍嫫髦蠦8hDS18B20傳送回讀狀態(tài)至主機注釋:在溫度轉(zhuǎn)換和復(fù)制暫冇器數(shù)據(jù)至EEPROM期間，主機必須在單總線上允許強上拉。并且在此期間，總線上不能進行其它數(shù)據(jù)傳輸：通過發(fā)出復(fù)位脈沖，主機能夠在

9、任何時候中斷數(shù)據(jù)傳輸；在復(fù)位脈沖發(fā)出前，必須寫入全部的三個字節(jié)。圖3、DS18B20的功能命令流程圖四、信號方式所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機發(fā)出同步信號。并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前，這一點與多數(shù)串行通信格式不同（多數(shù)為字節(jié)的高位在前）。1初始化序列：復(fù)位和應(yīng)答脈沖單總線上的所有通信都是以初始化序列開始，包括：主機發(fā)出的復(fù)位脈沖及從機的應(yīng)答脈沖,如圖4所示。當(dāng)從機發(fā)出響應(yīng)主機的應(yīng)答脈沖時，即向主機表明它處丁總線上，且工作準(zhǔn)備就逵型幺號主機拉

10、屍總銭以機拉低忌規(guī)電阻上檢圖4、單總線初始化時序圖緒。在主機初始化過程，主機通過拉低單總線至少480ps,以產(chǎn)生（Tx）復(fù)位脈沖。接著,主機釋放總線，并進入接收模式（Rx）。當(dāng)總線被釋放后，5k上拉電阻將單總線拉高。在單總線器件檢測到上升沿后，延時15-60ns,接著通過拉低總線60-240ns,以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。4.2讀/寫時隙在寫時隙期間，主機向單總線器件寫入數(shù)據(jù)；而在讀時隙期間，主機讀入來自從機的數(shù)據(jù)。在每一個時隙，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。4.2.1寫時隙存在兩種寫時隙：“寫1”和“寫0”。主機采用寫1時隙向從機寫入1,而采用寫0時隙向從機寫入0。所付寫時隙至少需要60Us,且在兩次獨立的寫

11、時隙Z間至少需要1Us的恢復(fù)時河。兩種寫時隙均起始于主機拉低總線（圖5所示）。產(chǎn)生寫1時隙的方式：主機在拉低總線后，接著必須在15nsZ內(nèi)釋放總線，由5k上拉電阻將總線拉至高電平；而產(chǎn)生寫0時隙的方式：在主機拉低總線后，只需在整個時隙期間保持低電平即可（至少60us）o在寫時隙起始后15-60us期間，單總線器件采樣總線電平狀態(tài)。如果在此期間采樣為高電平，則邏輯1被寫入該器件；如果為0則寫入邏輯0。2.2讀時隙單總線器件僅在主機發(fā)出讀時隙時，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時隙至少需耍60US,且在兩次獨立的讀時隙Z間至少需要lu

12、s的恢復(fù)時間。每個讀時隙都由主機發(fā)起，至少拉低總線1US（圖5所示）。在主機發(fā)起讀時隙Z后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0或1。若從機發(fā)送1,則保持總線為高電平；若發(fā)送0則拉低總線。當(dāng)發(fā)送0時，從機在該時隙結(jié)束后釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至空閑高電平狀態(tài)。從機發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時隙Z后，保持有效時間15us,因而，主機在讀時隙期間必須釋放總線，并且在時隙起始后的15usZ內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主枷葦，ati*1a*VTm.kVoVru.ONO153030pc1S主機洙“L”PtR*土初3實vPv1-WIREONDA145p團5.主機讀/有匸時障旳時序示議團11mv0陽上KZAA.VimiiXlW.

13、WC主機來桿時刎71附錄A：ROM搜索實例ROM搜索過程只是一個簡單的三步循壞程序：讀一位、讀該位的補碼、寫入一個期里的數(shù)據(jù)位?？偩€主機在ROM的每一位上都重復(fù)這樣的三步循壞程序。當(dāng)完成某個器件后，主機就能夠知曉該器件的ROM信息。剩卜的設(shè)備數(shù)最及其ROM代碼通過相同的過程即可獲得。下面的ROM搜索過程實例假設(shè)四個不同的器件被連接至同一條總線上，它們的ROM代碼如下所示：ROM100110101.ROM210101010.ROM311110101.ROM400010001.具體搜索過程如下：主機發(fā)出復(fù)位脈沖，啟動初始化序列。從機設(shè)備發(fā)出響應(yīng)的應(yīng)答脈沖；接著主機在總線上發(fā)出ROM搜索命令；主機從

14、總線上準(zhǔn)備讀入一個數(shù)據(jù)位，這時，每個響應(yīng)設(shè)備分別將ROM代碼的第一位輸岀到單總線上。ROM1和ROM4輸出0至總線，而ROM2和ROM3輸出1至總線。線上的輸岀結(jié)果將是所有器件的邏輯“與”，所以，主機從總線上讀到的將是0。接著，主機開始讀另一位，即每個器件分別輸出ROM代碼中第一位的補碼，此時，ROM1和ROM4輸出1至總線，而ROM2和ROM3輸出0至總線。這樣，主機讀到的該位補碼還是0。主機由此判定，總線上有些器件的ROM代碼第一位為0,有些則為1；兩次讀到的數(shù)據(jù)位具有以下含義：00在該位處，存在設(shè)備沖突；01在該位處，所有器件為0；在該位處，所有器件為1：單總線不存在任何設(shè)備。主機寫入0

15、,從而禁止了ROM2和ROM3響應(yīng)余卜的搜索命令，僅在總線上留卜了ROM1和ROM4；主機再執(zhí)行兩次讀操作，依次收到0和1,這表明ROM1和ROM4在ROM代碼的第二位都是0；接著主機寫入0在總線上繼續(xù)保持ROM1和ROM4；主機又執(zhí)行兩次讀操作，收到兩個0,表明所連接的設(shè)備的ROM代碼在第三位既有0,也有1;主機再次寫入0,從而禁止了ROM1響應(yīng)余下的搜索命令，僅在總線上留卜TROM2；主機讀完ROM4余下的ROM數(shù)據(jù)位。這樣就完成了第一次搜索，并找到了位丁總線上的第一個設(shè)備；重復(fù)執(zhí)行第1至第7步，開始新一輪的ROM搜索命令；主機寫入1,使ROM4離線，僅在總線上留FROM1；主機讀完ROM1余卜的ROM數(shù)據(jù)，這樣就完成了第二次的ROM搜索，找到了第一-個ROM代碼：重復(fù)執(zhí)行第1至第3步，開始新一輪的ROM搜索命令；主機寫入1,這次禁止了ROM1和ROM4響應(yīng)余卜的搜索命令，僅在總線上留FTROM2和ROM3；主機又執(zhí)行兩次讀操作時隙，讀到兩個0；主機寫入0,這樣禁止了ROM3,而留FTR