应用笔记 3925

1-Wire®扩展网络标准


摘要 : 制定于1989年的1-Wire标准经过升级后,可适应嘈杂和远距离1-Wire网络。本应用笔记阐述了新标准的改进之处,并给出了1-Wire主机如何与标准器件和新型器件协同工作。

引言

1-Wire总线是一种简单的信令协议,可通过单根电气连接进行双向通信。在1-Wire系统中,单个主机与一个或多个从器件通过一条公共数据线实现互联。Dallas Semiconductor公司于1989年制定了1-Wire标准,减少了便携数据传输模块间的连接。iButton® (16mm电池形状的模块)随之应运而生,目前全球销售量超过1.3亿。

1-Wire架构也适用于其它应用,如芯片标签和远距离传感器。然而,早期的1-Wire前端没有考虑到这些新型应用的噪声水平与线路特性(如线长)。若要满足这些新型应用的要求,经常需要考虑在实际应用中如何配置1-Wire网络。因此,为了满足这一系列应用的要求,Dallas开发了1-Wire扩展网络标准的新型1-Wire前端,并将其植入一些新产品中。表1列出了1-Wire器件清单,并给出了新型扩展标准支持的器件。

新型扩展标准的重要特性

各种噪声源所产生的噪声将导致1-Wire线路上出现信号毛刺。这些噪声可能来自网络端点或分支点的反射。(更多信息请参见应用笔记148,"长线1-Wire网络可靠设计指南")。噪声也可能由外部源产生,并耦合到1-Wire信号上。上升沿的噪声毛刺会导致1-Wire器件与主机失去同步。改进后的扩展网络前端可以解决上升沿存在的这一问题。

新型1-Wire前端主要包括三个部分:用于滤除高频噪声的低通滤波器、低电平切换至高电平时的电压滞回电路,以及上升沿延时电路。某些1-Wire器件还具有在线应答脉冲摆率控制电路。图1给出了这一系列特性的示意图。粉红色阴影部分表示1-Wire电压由低电平至高电平转换期间,器件忽略电压幅值的毛刺和瞬时毛刺。

图1. 新型1-Wire前端的特性
图1. 新型1-Wire前端的特性

表1. 1-Wire器件
Device FC Description 1-Wire Extended Network Support Notes
DS1822 22 1-Wire Econo temp sensor    
DS1825 3B 1-Wire thermometer with 4-bit address    
DS18B20 28 Adjustable resolution temperature    
DS18S20 10 Temperature and alarm trips    
DS1904 24 Real-Time Clock (RTC) iButton    
DS1920 10 Temperature and alarm trips    
DS1921G
DS1921H
DS1921Z
21 Thermochron temperature logger    
DS1922E
DS1922L
DS1922T
DS1923
41 High-Capacity Thermochron and/or Hygrochron temperature and/or humidity dataloggers, respectively  
DS1961S 33 1Kb EEPROM memory with SHA-1 engine  
DS1963S 18 4Kb NVRAM memory and SHA-1 engine    
DS1971 14 256-bit EEPROM memory and 64-bit OTP register  
DS1972 2D 1Kb EEPROM memory  
DS1973 23 4Kb EEPROM memory    
DS1977 37 Password-protected 32kB (bytes) EEPROM  
DS1982 09 1Kb EPROM memory    
DS1885 0B 16Kb EPROM memory    
DS1990A
DS1990R
01 1-Wire address only    
DS1991 02 Multikey iButton, 1152-bit secure memory   Not recommended for new designs, see application note 4421, "Alternatives to the DS1991L MultiKey iButton®" for alternatives.
DS1992 08 1Kb NV RAM memory    
DS1993 06 4Kb NV RAM memory    
DS1994 04 4Kb NV RAM memory and clock, timer, alarms   Not remommended for new designs, see application note 4506, "Alternatives to the DS1994L 4Kb Plus Time Memory iButton®" for alternatives.
DS1995 0A 16Kb NV RAM memory    
DS1996 0C 64Kb NV RAM memory    
DS2401 01 1-Wire address only    
DS2404 04 4Kb NV RAM memory and clock, timer, alarms   Not recommended for new designs
DS2406 12 1Kb EPROM memory, 2-channel addressable switch    
DS2408 29 8-channel addressable switch  
DS2409 1F Dual switch, coupler   Not recommended for new designs
DS2411 01 Low-voltage, unique 64-bit serial ROM number (requires VDD connection)  
DS2413 3A Dual-channel addressable switch  
DS2417 27 RTC with interrupt    
DS2422 41 High-capacity Thermochron/Hygrochron (temperature and humidity) datalogger Not recommended for new designs
DS2430A 14 256-bit EEPROM memory and 64-bit OTP register Not recommended for new designs
DS2431 2D 1Kb EEPROM memory  
DS2432 33 1Kb EEPROM memory with SHA-1 engine    
DS2433 23 4Kb EEPROM memory    
DS2438 26 Temperature, ADC    
DS2450 20 Quad ADC    
DS2502 09 1Kb EPROM memory    
DS2505 0B 16Kb EPROM memory    
DS2703 34 Battery-packed authentication IC    
DS2740 36 1-Wire coulomb counter (high precision)    
DS2762 30 1-Wire battery monitor and protector    
DS2775
DS2776
DS2777
DS2778
DS2780
DS2784
DS2788
32 Stand-alone 1-Wire fuel gauge    
DS2781 3D Stand-alone fuel gauge IC    
DS28E04-100 1C 4Kb EEPROM memory, two-channel addressable switch, 7 address pins  
DS28EA00 42 1-Wire digital thermometer with sequence detect and PIO  
DS28EC20 43 20Kb 1-Wire EEPROM  
*该器件不推荐用于新的设计。

注意:新的1-Wire器件将及时添加到产品线上。列表中可能没有列出最新的器件。请参考器件数据资料中的“改善的网络性能” (Improved Network Behavior)部分,确认此器件是否带有新型扩展网络前端。

扩展网络标准的新特性仅适用于标准速率通信,在高速模式下无效。1-Wire前端的新增特性将影响1-Wire时序参数。这里要特别指出,新标准引入了一个EC参数tREH,表示上升沿延时。这一延时特性延长了主机产生的读位的低电平时间tRL。参见表2

通过长线实现与1-Wire器件通信的实际经验表明,位操作之间需具有足够的恢复时间。因此,所有扩展网络器件都具有较长的恢复时间tREC。所有器件(标准的和扩展网络的)的恢复时间都是针对1-Wire总线上只有一个器件的条件定义的。总线上挂接有多个器件时,如何确定扩展网络的恢复时间请参见应用笔记3829,"确定多从机1-Wire网络的恢复时间"。

内置在线应答脉冲摆率控制的器件还具有一个参数tFPD,表示在线应答检测下降沿时间。虽然控制摆率可以减小长线传输所产生的反射,但对于主机检测在线应答脉冲的窗口也将产生非常大的影响。1-Wire主机的阻抗匹配无需采用摆率延时,即能有效地控制这些反射。因此,以后推出的器件将不再采用在线应答脉冲摆率控制。

表2. EC表参数的区别
Parameter Speed Min/Max Standard Extended Network*
tREC Standard Min 1µs 5µs
Overdrive Min 1µs 2µs
tREC (before reset) Overdrive Min 1µs 5µs
tREH Standard Min Varies from 0.5µs to 0.6µs
Standard Max Varies from 2µs to 5µs
Overdrive Min Varies from 0µs to 0.6µs
Overdrive Max Varies from 0µs to 2µs
tRL Standard Min 1µs 5µs
*实际的tREH值请参见器件的数据资料。

结论

1-Wire主机能同时兼容于标准器件和扩展网络器件。使用扩展网络器件时,只需简单的延长位操作间的恢复时间以及读位启动脉冲时间tRL。采用较长的恢复时间将降低数据吞吐率,而改变读位启动脉冲时间则不会影响吞吐率。对于采用线应答脉冲摆率控制(tFPD)的器件所组成的网络,应仔细选择在线应答脉冲的采样点。使用不同的器件和电压,可能要限制其采样范围。

应用笔记126,"用软件实现1-Wire通信"描述了与标准器件和扩展网络器件时序兼容的简单1-Wire主机。应用笔记中给出了一个基于1-Wire从器件和网络条件(例如上升沿时间)的Excel电子数据表,用来计算各种定制参数。可下载前述的Excel电子数据表