チュートリアル 1796

1-Wire技術の概要とその使用法


要約: このアプリケーションノートは、1-Wire®技術の全般的概要、その通信の概念、および少ないピン数を生かした特殊なパッケージオプションについて説明します。中心となる項では1-Wireデバイスの機能セットについて検討し、標準的なアプリケーションについて説明します。この記事の最後では、1-Wireデバイスを評価する方法についての実用的な情報を示し、デバイスのカスタマイズオプションについて説明し、お客様が1-Wire技術をシステムに統合する上で役立つリソースを参考文献として紹介します。

1-Wire技術とは何か

1-Wire®技術の基本は、1つのデータラインとグランド基準を使用して通信を行うシリアルプロトコルです。1-Wireマスターは、1-Wireバス上の1つ以上の1-Wireスレーブデバイスとの通信を開始し、制御します(図1)。個々の1-Wireスレーブデバイスは、固有の、変更不能な、出荷時プログラムされた64ビットID (識別番号)を備え、それが1-Wireバス上でデバイスアドレスの役割を果たします。8ビットのファミリコード(64ビット IDのサブセット)は、デバイスのタイプと機能を識別します。通常、1-Wireスレーブデバイスは2.8V (min)~5.25V (max)の電圧範囲で動作します。ほとんどの1-Wireデバイスには電源用の端子がなく、1-Wireバスから電力を取得します(寄生電源)。
図1. 1つのデータラインおよびグランド基準を使用する1-Wireのマスター/スレーブ構成
図1. 1つのデータラインおよびグランド基準を使用する1-Wireのマスター/スレーブ構成

1-Wireの特長

1-Wireは、2つの接点(データおよびグランド)を使用してハーフデュプレックスの双方向通信を行う唯一の電圧ベースのデジタルシステムです。I²CやSPIなどの他のシリアル通信システムとは異なり、1-Wireデバイスは接触環境で使用するために設計されています。1-Wireバスからの切断または接触の喪失によって、1-Wireスレーブは定義されたリセット状態に移行します。電圧が復旧した時点で、スレーブはウェイクアップして自分の存在を通知します。保護すべき接点が1つのみのため、1-Wireデバイスの内蔵ESD保護は非常に高レベルです。1-Wireデバイスは2つの接点で動作するため、非電子的な対象物に、ID、認証、および較正データや製造情報の受渡し用の電子的機能を追加する方法として最も経済的です。

1-Wireデバイスのパッケージ

1-Wireデバイスは、従来型のトランジスタ(TO-92)およびICパッケージ(TSOC、SOIC、SOT23)で提供されます。2接点のSFN1パッケージは、接触アプリケーション向けに取付けが容易なように設計されており、寄生電力で動作する1-Wireデバイスに対応します(図2)。直径16mmのステンレススチール製iButton®2パッケージは、1-Wireデバイスを過酷な環境から保護し、屋内および屋外での使用に適合させます(図3)。多くのデバイスは、フリップチップ(図4)およびUCSP™3 (図5)のバージョンも提供されます。
図2. 大面積の接点を備えた6.0mm x 6.0mm x 0.9mmのSFNパッケージ<
図2. 大面積の接点を備えた6.0mm x 6.0mm x 0.9mmのSFNパッケージ<
図3. 内部の1-Wireチップを過酷な環境から保護する直径16mmの<u>i</u>Buttonパッケージ
図3. 内部の1-Wireチップを過酷な環境から保護する直径16mmのiButtonパッケージ
図4. 2つの長方形の接点を備えたフリップチップDS2502パッケージ(1.6mm x 0.91mm)
図4. 2つの長方形の接点を備えたフリップチップDS2502パッケージ(1.6mm x 0.91mm)
図5. 0.5mmピッチのグリッド上に球状の接点を備えたDS2431用のUCSPパッケージ(1.68mm x 1.68mm)
図5. 0.5mmピッチのグリッド上に球状の接点を備えたDS2431用のUCSPパッケージ(1.68mm x 1.68mm)

利用可能なデバイス機能および標準アプリケーション

製品としての寿命が終わりに近いものも含めて、現時点で約40種類の1-Wireデバイスが存在します。ここで示す型番のリストは、予測可能な範囲の将来にわたり通常の生産が予定されているデバイスのみを含んでいます。DS19で始まる型番は、すべてiButtonです。この項で示す残りの型番、すなわちDS24、DS25、およびDS28で始まるものは、従来型のプラスチックパッケージで提供されます。製品がSFNまたはフリップチップ/UCSPでも提供される場合は、注の欄にそのことを記載しています。任意のデバイスの最新のパッケージ情報を入手するには、マキシムのウェブサイトで型番検索フィールドに型番を入力してください。
1-Wireデバイスは、機能によっていくつかのカテゴリに分類することができます。
  • IDのみ
  • IDおよび制御
  • IDおよび温度
  • IDおよび時間
  • IDおよびNV SRAM
  • IDおよびOTP (ワンタイムプログラマブル) EPROM
  • IDおよびEEPROM
  • IDおよびSHA-1セキュアEEPROM
  • IDおよびロギング
追加リソースの組合せによって、デバイスの標準的なアプリケーション分野が決まります。この他にも、実際的な理由からここには記載することができないアプリケーションが多数存在します。

IDのみ

このカテゴリのデバイスは、低コストが特長です。そのため、提供可能な保護のレベルは限られています。DS2401またはDS2411を知的財産(IP)の保護に使用する場合は、カスタマイズされたバージョンのデバイスを検討してください。詳細については、「デバイスのカスタマイズについて」の項を参照してください。
型番 標準アプリケーション
DS2401 DS2401はフリップチップでも提供されます。DS2401はVCC電源を必要としないため、プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDにも適しています。
  • プリント基板(PCB)のIDおよび認証
  • アクセサリ/周辺機器のID
  • IPの保護
  • コンシューマエレクトロニクス
DS2411 VCC電源、1.5V以上
DS1990A
DS1990R
DS1990Rはリーダーとの接触時にプレゼンスパルスを生成することが保証されています。
  • プリンタカートリッジのID
  • アクセス制御
  • 資産管理

IDおよび制御

これらの製品のアプリケーションは、上記のデバイスと類似しています。しかし、PIOは制御またはフィードバック機能をシステムに追加します。
型番 標準アプリケーション
DS2413 2つの28V PIO
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のID
  • ラックカードの制御
  • アクセサリ/周辺機器のIDおよび制御
DS2450 デジタルPIOとしても機能する、4つの5V ADC入力。このデバイスは、VCCによる駆動が可能です。
  • コンシューマエレクトロニクス

IDおよび温度

大型の電子機器(ラック)では、適切な冷却/エアフローが高信頼性の動作にとって非常に重要です。DS28EA00は、1-Wireバス上のデバイスの物理シーケンスの検出を可能にするチェーン機能4を通して、独自の方法でこの問題を解決します。シーケンス検出用に配線する場合は、2つのPIOの1つを制御機能に利用可能です。
型番 標準アプリケーション
DS28EA00 シーケンス検出用に配線する場合以外は、2つのPIOを制御機能に利用可能です。
  • ラックカードの監視
DS1920 このスタンドアローン型デバイスは、コマンドによって温度を測定します(たとえばリーダーが接触した場合など)。
  • 接触時の温度データ収集

IDおよび時間

これらのデバイスは、32ビットのバイナリカウンタを使用して秒数をカウントすることにより時間を測定します5。0時間の基準点(すなわち、協定世界時の1970年1月1日、00時00分00秒)が決まっているため、136年の範囲内で任意の秒を識別することができます。秒数のカウントは、特に時間の間隔を測定する場合に便利です。
型番 標準アプリケーション
DS2417 DS2417はフリップチップでも提供されます。周期的なタイマー割込み、6pF 32KHzの水晶が必要です。
  • コンシューマエレクトロニクス
DS1904L このスタンドアローン型iButtonは、バッテリおよび水晶を内蔵しています。このデバイスは、巡回警備、および勤怠管理アプリケーションにも適しています。

IDおよびNV SRAM

このカテゴリのデバイスの中で、DS1963Sは非常に独自性の高い製品です。メモリ以外に、SHA-1エンジン、8つの64ビットのシークレット、16の32ビット書込みサイクルカウンタ、および1つの32ビット疑似乱数ジェネレータを内蔵しています。4Kbメモリは制限なしに読み書き可能ですが、ページ8~15のデータまたはいずれか1つのシークレットに変更を加えた場合、対応する書込みサイクルカウンタがインクリメントされます。設計により、DS1963Sは電子マネーアプリケーション用のセキュアトークンとして機能することが可能で、またSHA-1コプロセッサ6としてSHA-1セキュアEEPROMと組み合わせて使用することもできます。セキュリティはデータページにSHA-1 MAC (メッセージ認証コード)を組み込むことによって実現されます。PCBの認証またはIPの保護に使用する場合、DS1963SはホストによるSHA-1セキュアEEPROMの検証または単純なメモリデバイス(たとえば、NV SRAM、EPROM、EEPROMなど)から読み取ったMACを含むデータの検証を補助するためのコプロセッサとして機能します。
型番 標準アプリケーション
DS1963S 4Kbメモリ、8つのシークレットを備えたSHA-1エンジン、16の書込みサイクルカウンタ、疑似乱数ジェネレータ
  • PCBの認証
  • IPの保護
  • 電子マネー
DS1992L 1Kbメモリ
  • PCBのIDおよび認証
  • アクセス制御
  • 資産管理
DS1993L 4Kbメモリ。このデバイスは(DS1995/DS1996と比較して)低コストのため、プリント基板のIDおよび認証にも適しています。
  • IPの保護
  • アクセス制御
  • 資産管理
DS1995L 16Kbメモリ
DS1996L 64Kbメモリ

IDおよびOTP EPROM

このカテゴリのすべてのデバイスは、12V EPROM技術を使用しています。パッケージに開口部がないため、各ビットはOTPで、1度1から0に書き換えたものを逆にすることはできません。32バイトのページ全体を無効としてマーキングし、有効なデータ用の代替位置を示すために、これらのデバイスは各ページにつき1つのリダイレクションバイトを備えています。この独自の機能によって、変更履歴を維持しつつデータを書き換えることができます。個々のメモリページは、不可逆な書込み保護が可能です。書込み保護を備えているため、ネットワークアドレス7やプリント基板のID8のような、ほとんど変化しない少量のデータを必要とするアプリケーションにとって、OPT EPROMは最有力候補となります。
型番 標準アプリケーション
DS2502 1Kbメモリ。DS2502はフリップチップおよびSFNバージョンでも提供されます。
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDおよび使用状況監視
  • ラックカードやプリント基板のIDおよび認証
  • アクセサリ/周辺機器のID
DS2505 16Kbメモリ
DS2502-E48 1Kbメモリ、 MAC-48/EUI-48イーサネットアドレスを事前プログラム
  • ネットワークアドレス
  • PCBのIDおよび認証
DS2502-E64 1Kbメモリ、IEEE® EUI-64ノードアドレスを事前プログラム
DS1982 1Kbメモリ。DS1982は(DS1985と比較して)低コストのため、プリンタカートリッジのIDおよび使用状況監視にも適しています。
  • PCBのIDおよび認証
  • 資産管理
DS1985 16Kbメモリ

IDおよびEEPROM

上記のOTP EPROMと比較して、このカテゴリのデバイスは書込みに12Vを必要としません。メモリ領域またはページが書込み保護されていない限り、データの変更(書換え)が可能です。これらのデバイスのほとんどは、EPROMと同様に1から0にのみビットの書換えが可能なEPROMエミュレーションモードを備えています。大容量と高セキュリティを備えているため、DS1977はゲーム業界で使用されています。
型番 標準アプリケーション
DS2431 1Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護。DS2431はUCSPおよびSFNバージョンでも提供されます。
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDおよび使用状況監視
  • ラックカードやPCBのIDおよび認証
  • アクセサリ/周辺機器のID
  • IPの保護および認証
  • コンシューマエレクトロニクス
DS28EC20 20Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ブロック(4ページ)書込み保護
DS2433 4Kbメモリ。DS2433はフリップチップおよびSFNバージョンでも提供されます。
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDおよび使用状況監視
  • ラックカードやPCBのIDおよび認証
  • アクセサリ/周辺機器のID
DS28E04 4Kbメモリ、2つの5V PIO、7つの 1-Wireアドレス入力、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護
  • ラックカードのIDおよび認証<
DS1971 256bメモリ
  • アクセス制御
DS1972 1Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護
  • アクセス制御
  • 資産管理
DS1973 4Kbメモリ
DS1977 32KBメモリ、パスワード保護
  • 資産管理
  • ゲーム

IDおよびSHA-1セキュアEEPROM

このセキュアカテゴリのデバイスに書き込むためには、デバイスのシークレットを知っていて、SHA-1 MACを計算することができる必要があります。シークレット以外のメモリデータは、制限なしに読取り可能です。3つすべてのデバイスが、チャレンジ&レスポンス認証、1つのメモリページのEPROMエミュレーション、およびシークレットとメモリページの書込み保護をサポートしています。チャレンジ&レスポンス認証は非常に高水準のセキュリティを提供し、コピーされた部品がシステム内で受入れられることを防止します9。DS1961Sは接触環境向けに設計されているため、SHA-1 MACを提供することなしに既存データの書換えを可能にするリフレッシュ機能もサポートしています。事前プログラミングサービスについては、「デバイスのカスタマイズについて」の項を参照してください。
型番 標準アプリケーション
DS2432 1Kbメモリ、1つの64ビットのシークレット、3バイトのチャレンジ。DS2432はフリップチップバージョンでも提供されます。
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDおよび使用状況監視
DS28E01 1Kbメモリ、1つの64ビットのシークレット、5バイトのチャレンジ
  • プリンタカートリッジや医療用消耗品のIDおよび使用状況監視
  • ラックカードやPCBのIDおよび認証
  • アクセサリ/周辺機器のID
  • IPの保護および認証
  • コンシューマエレクトロニクス
DS1961S 1Kbメモリ、1つの64ビットのシークレット、3バイトのチャレンジ、リフレッシュ機能
  • PCBのIDおよび認証
  • IPの保護および認証
  • 電子マネー

IDおよびロギング

これらのデバイスは、温度データ用の自律型のデータロガーです。DS1923は湿度も記録することができます。デバイス間の主な違いは、データメモリのサイズとデータ保護のレベル(パスワード)です。さまざまなアプリケーションの要件に対応するため、異なる温度範囲向けのデバイスが提供されています10
型番 標準アプリケーション
DS1921G 2KB温度ロガー、-40℃~+85℃
  • 環境科学のための温度監視
  • 食品安全性のための温度監視
  • 食品、農産物、および医薬品の出荷に対する品質保証
DS1921H 2KB温度ロガー、高分解能、+15℃~+46℃
DS1921Z 2KB温度ロガー、高分解能、-5℃~+26℃
DS1922L 8KB温度ロガー、-40℃~+85℃、パスワード保護
DS1922T 8KB温度ロガー、0℃~+125℃、パスワード保護
DS1923 8KB温度および湿度ロガー、-20℃~+85℃、パスワード保護

1-Wire製品を実際に体験する方法

USBまたはRS-232シリアルポートを備え、インターネットにアクセス可能なIBM®互換PCが利用可能な場合、他に必要なものは、1-Wireアダプタ、評価(EV)ソフトウェア、簡単なケーブル、および評価対象の1-Wireデバイスのみです。現在の製品価格および供給体制については、マキシムのウェブサイトをご覧ください。OneWireViewerソフトウェア11および関連ドライバを無料でダウンロードすることができます。
より経済的な方法は、EVキットを1つ購入することです。各キットには、1-Wireアダプタ、厳選された1-WireデバイスまたはiButton、および必要なケーブルとアクセサリが含まれています。表1は、このアプリケーションノートの発行時点でのEVキットを示しています。EVキットの内容は、新しい製品が入手可能になるとともに変化する可能性があります。キットに含まれないデバイスは、個別に購入する必要があります。EVキットのソフトウェアは(DSECASHキット以外は)同一のため、どのキットがアプリケーションに最適かはパッケージタイプ(プラスチックパッケージまたはiButton)によって決まります。

表1. EVキットの概要
キットの型番 評価対象 1-Wireアダプタのタイプ
DS9090K# 1-Wire chips (plastic packages) USB, DS9490R 内容:TO-92、TSOC用のソケットを備えたEVボード、RJ-11ケーブル、ジャンパ、DS2401、DS2413、DS2431、DS2432、DS2433、DS28E04、およびDS28EC20、この文書では説明していないその他の1-Wire製品
DS9092K# iButtons USB, DS9490R 内容:iButton用プローブを備えたケーブル、DS1990A、DS1971、DS1904L、およびDS1996、機械式iButton装着アクセサリ
DS1921K# iButton Data Loggers USB, DS9490R 内容:iButton用プローブを備えたケーブル、DS1921G、機械式装着アクセサリ
DS28EA00EVKIT# DS28EA00 USB, DS9490R 内容:DS28EA00を実装した 3つのEVボードとRJ-11ケーブル
DSECASH DS1963S, DS1961S iButtons for eCash RS-232, DS9097U-S09 内容:EVボード、iButton用プローブを備えたケーブル、RJ-11ケーブル、数個のDS1963SおよびDS1961S iButton、機械式iButton装着アクセサリ

1-Wireアプリケーション開発に向けた次のステップ

1-Wire製品の選択が終わったあと、マスター回路(すなわち、キットに含まれる1-Wireアダプタに相当するもの)のタイプを選択する必要があります。組込みアプリケーションの場合、利用可能なシステムリソースに応じて多数の選択肢が存在します12。1-Wireデバイス間に大量の配線を必要とするアプリケーションは、専用のマスター回路を利用することができます13
1-Wireデバイスとの通信、データの読み書き、および制御機能の実行には、ハードウェア以外にファームウェアが必要です。さまざまなプラットフォーム用の厳選されたソフトウェアドライバ14をマキシムのウェブサイトから無料でダウンロードすることができます。デバイス固有のドライバ、アプリケーションプログラムインタフェース(API)、およびサンプルソフトウェアについては、「1-Wireソフトウェアリソースガイド」15を参照してください。このガイドには、特に数百バイト以上のデータを扱う場合に役立つ1-Wireファイルシステム16に基づくAPI機能も含まれています。

デバイスのカスタマイズについて

マキシムは、2種類のデバイスのカスタマイズを提供しています。カスタムROMはIDのみのデバイスで非常に広く使用されますが、64ビットのID番号を備えたすべてのデバイスに適用可能です。カスタムROMの場合、1つのお客様に対して68.7 × 109の番号(36ビットに相当)が割り当てられ、専用に使うことができます。カスタムROMの例については、アプリケーションノート1788をご覧ください。このタイプのカスタマイズはパッケージへの実装前に行われるため、かなり長いリードタイムが必要です。SHA-1セキュアEEPROMデバイスの場合、マキシムはデータとシークレットをインストールする安全な事前プログラミングサービスを提供しています。詳細については、テクニカルサポートのフォームからお問い合わせください。

まとめ

1-Wire技術は、マスターとスレーブの間で1つのデータラインとグランド基準を使用するシリアル通信プロトコルに基づいています。1-Wireスレーブは、プラスチックパッケージ、フリップチップ/ UCSP、またはステンレススチール製iButtonの形で提供されます。1-Wireスレーブの最小限の機能は、64ビットのID番号です。その他の機能として、PIO、温度センサー、時間カウンタ、NV SRAM、OTP EPROM、EEPROM、SHA-1エンジン、SHA-1セキュアEEPROM、温度ロギング、および湿度ロギングがあります。1-Wireデバイスの標準アプリケーションには、消耗品、ラックカード、PCB、コンピュータアクセサリのIDと認証、およびIPの保護(クローン作成の防止など)が含まれます。iButtonの特別な用途として、アクセス制御、資産管理、巡回警備システム、勤怠管理、電子マネー(eCash)、および食品や医薬品の安全性のための温度監視があります。スターターEVキットとソフトウェアドライバが利用可能で、お客様が1-Wire技術をシステムに統合する上で役立ちます。

参考文献

  1. アプリケーションノート4132 「電気機械的SFNパッケージの取付け方法
  2. アプリケーションノート3808 「iButtonとは
  3. アプリケーションノート4002 「フリップチップとチップスケールパッケージの技術およびそのアプリケーションについて
  4. アプリケーションノート4037 「1-Wireのチェーン機能を活用した位置情報の取得—シンプルなシグナリングとプロトコルにより、デバイスの物理的な位置を特定
  5. アプリケーションノート517 「DS1371/DS1372/DS1374 32-Bit Binary Counter Time Conversion
  6. アプリケーションノート1820 「White Paper 1: SHA Devices Used in Small Cash Systems
  7. アプリケーションノート186 「1-Wireデバイスによるグローバル識別番号の作成
  8. アプリケーションノート178 「1-Wire製品によるプリント回路基板の識別
  9. チュートリアル3675 「R&D投資の保護— 双方向の認証とセキュアなソフトによる機能の設定
  10. アプリケーションノート3892 「iButtonセンサーと温度/湿度データロガーの概要
  11. ユーザーガイド3358 「OneWireViewerユーザーガイド
  12. アプリケーションノート4206 「組込みアプリケーション用の正しい1-Wire®マスターの選択
  13. アプリケーションノート244 「高度1-Wireネットワークドライバ
  14. ソフトウェア開発キット、スタートページ
  15. アプリケーションノート155 「1-Wireソフトウェアリソースガイドデバイス解説
  16. アプリケーションノート114 「1-Wire File Structure
次のステップ
EE-Mail EE-Mail配信の登録申し込みをして、興味のある分野の最新ドキュメントに関する自動通知を受け取る。
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