Микросхемы iButton

1-Wire-интерфейс

1-Wire-интерфейс

Информационное взаимодействие с "таблетками"‑логгерами iButton и любая их поддержка осуществляется посредством т.н. 1‑Wire‑интерфейса, разработанного в конце 90‑х годов фирмой Dallas Semiconductor. Этот интерфейс регламентирован разработчиками для применения в четырех основных сферах‑приложениях:

• обслуживание устройств, упакованных в специальные корпуса can f5 (ранее MicroCAN), для решения задач идентификации, аутентификации, авторизации, защиты информации, контроля доступа, обеспечения электронных платежей, переноса или преобразования информации (технология iButton),
• программирование встроенной памяти интегральных компонентов,
• идентификация элементов оборудования и защита доступа к ресурсам электронной аппаратуры,
• элементы и системы автоматизации (технология 1‑Wire‑сетей).

Первое из этих направлений, связанное в том числе с обслуживанием "таблеток"‑логгеров iButton, очень широко распространено в мире, как и сами устройства iButton (подробнее см. здесь). Второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций множества полупроводниковых компонентов, имеющих малое количество внешних выводов. Третье позволяет обеспечить недорогую, но достаточно эффективную идентификацию и надежную защиту самого разнообразного оборудования. Что касается четвертого применения, то реализация локальных распределенных систем на базе 1‑Wire‑сетей является оптимальным для многих практических задач автоматизации.

Так в чем же особенность этого сетевого стандарта? Ведь в качестве среды для передачи информации по 1‑Wire‑магистрали чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае невелика. Однако если внимательно проанализировать большинство реальных объектов, требующих автоматизации, то больше чем для 60% из них предельная скорость обслуживания в 16,3 Кбит/с будет более чем удовлетворительной. А другие преимущества 1‑Wire‑технологии, такие как:

• простое и оригинальное решение адресуемости абонентов,
• несложный протокол,
• простая структура магистрали,
• малое потребление компонентов,
• легкое изменение конфигурации сети,
• значительная протяженность магистрали,
• исключительная дешевизна всей технологии в целом,

отражают очевидную рациональность и высокую эффективность этого инструмента при решении задач комплексной автоматизации в самых различных областях деятельности.

Основные принципы

1‑Wire‑net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи 1‑Wire‑магистраль, состоящую из шины данных (DATA) и возвратной шины (RET). Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный шнур. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого‑либо специального оборудования, а ограничение максимальной протяжённость кабеля 1‑Wire‑магистрали регламентировано разработчиками на уровне 300 м.

Основой архитектуры 1‑Wire‑сетей является топология общей шины, когда каждый из абонентов подключён непосредственно к единой магистрали, без каких‑либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми абонентами (подробнее см. здесь).

Конфигурация любой 1‑Wire‑сети может произвольно меняться в процессе её работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются принципы организации 1‑Wire‑интерфейса. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1‑Wire‑интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного 1‑Wire‑интерфейсом, индивидуального адреса, столь же уникального, как и номер денежной купюры (отсутствие совпадения адресов для компонентов, гарантируется самой фирмой‑производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из 1‑Wire‑компонентов сразу готов к использованию в составе 1‑Wire‑сети, без каких‑либо дополнительных аппаратно‑программных модификаций.

1‑Wire‑компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми лежит управление длительностью импульсных сигналов, предаваемых по 1‑Wire‑магистрали, и их измерение. Передача сигналов для 1‑Wire‑интерфейса — асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на 1‑Wire‑магистрали даже без непосредственной адресации отдельных абонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.

Стандартная скорость работы 1‑Wire‑сети, изначально нормированная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана, во‑первых, исходя из обеспечения максимальной надёжности передачи данных на большие расстояния, и, во‑вторых, с учётом быстродействия наиболее широко распространённых типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств 1‑Wire‑сети. Эта скорость обмена может быть снижена до любой возможной, благодаря введению принудительной задержки при передаче по магистрали отдельных битов данных (т.е. растягиванию временных слотов протокола). Однако увеличение скорости обмена в 1‑Wire‑сети с длиной кабеля магистрали более 1 м выше значения 16,3 Кбит/с приводит к сбоям и ошибкам. Если же протяженность 1‑Wire‑магистрали не превышает 0,5 м, то скорость обмена может быть значительно увеличена за счёт перехода на специальный режим ускоренной передачи (Overdrive ‑ до 125 Кбит/с), который допускается для отдельных типов 1‑Wire‑компонентов. Как правило, такой режим обмена аппаратно реализован для 1‑Wire‑компонентов, имеющих большой объём встроенной памяти, предназначенных для эксплуатации в составе небольшой, но качественной и не перегруженной другими устройствами 1‑Wire‑сети. Типичным примером таких компонентов являются микросхемы семейства iButton.

При реализации 1‑Wire‑интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства 1‑Wire‑компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8 В до 6,0 В. Причём такой источник может быть расположен либо непосредственно возле компонента (например, батарея в составе микросхем iButton), либо энергия от него может поступать по отдельной особой шине 1‑Wire‑магистрали. Альтернативой применению внешнего питания служит так называемый механизм паразитного питания, действие которого заключается в использовании каждым из ведомых абонентов 1‑Wire‑сети электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, аккумулируемой затем специальной ёмкостью, встроенной в состав интерфейсного узла некоторых 1‑Wire‑компонентов. Кроме того, отдельные 1‑Wire‑компоненты могут использовать особый режим питания по шине данных, когда энергия к приёмнику поступает непосредственно от мастера по шине DATA магистрали, при этом обмен информацией в 1‑Wire‑сети принудительно прекращается.

Пожалуй, особенно привлекательным качеством 1‑Wire‑технологии является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Действительно, для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого адаптера 1‑Wire‑интерфейса, а также свободно распространяемого тестового программного пакета разработчика OneWireViewer. При наличии этого небольшого числа составляющих организация функционирования 1‑Wire‑сети практически любой сложности, построенной на базе стандартных 1‑Wire‑компонентов, реализуется буквально в течении нескольких минут. Возможности, предоставляемые программным пакетом OneWireViewer, позволяют с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любой 1‑Wire‑компонент, подключённый к 1‑Wire‑магистрали, ведомой компьютером через адаптер, и проверить в полном объёме правильность его функционирования в составе конфигурируемой 1‑Wire‑сети.

Организация ведущих

Компания Analog Devices выпускает несколько видов адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер функциями мастера 1‑Wire‑сети. К ним относятся адаптеры семейства DS9097U для COM‑порта и адаптеры семейства DS9490R для USB‑порта. А адаптер типа DS9481R обеспечивает возможность реализации на базе компьютера мастера 1‑Wire‑сети по спецификации USB 2.0. Эти устройства имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании.

Часто в качестве ведущего 1‑Wire‑сети выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1‑Wire‑магистралью используются различные программно‑аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1‑Wire‑интерфейса на одном из своих функциональных двунаправленных выводов, связанных с шиной данных 1‑Wire‑магистрали, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем поддержки взаимодействия с 1‑Wire‑сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего 1‑Wire‑сети, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. Например, драйвера семейства DS2482 позволяют управлять 1‑Wire‑сетью, используя популярный микроконтроллерный интерфейс I2C. Если же мастер 1‑Wire‑сети должен быть организован на базе типового узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В. Эта микросхема, также как микросхемы DS2482 и DS2483, реализует так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1‑Wire‑магистрали. Использование активной подтяжки гарантирует качественную передачу сигналов в проблемных 1‑Wire‑сетях с протяжённой магистралью. Также применение активной подтяжки обеспечивает увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых абонентов сети. Кстати, адаптеры семейства DS9097U для COM‑порта персонального компьютера, также построены именно на базе микросхемы DS2480В. Более того, учитывая особенности современных операционных сред Windows, именно использование микросхемы‑драйвера DS2480В, которая по своей сути является управляемым по последовательному интерфейсу цифровым автоматом, способным взять на себя значительную часть функций по реализации сетевого протокола, и обеспечивает полномасштабное обслуживание 1‑Wire‑сети в реальном масштабе времени.

Ведомые 1‑Wire‑компоненты

Ведомые 1‑Wire‑компоненты, содержащие в составе своей схемы узел 1‑Wire‑интерфейса, выпускаются в двух различных видах. Либо в корпусах MicroCAN, похожих внешне на дисковый металлический аккумулятор, либо в обычных корпусах для монтажа на печатную плату. Футляр MicroCAN полый внутри. Он выполняет функцию защиты содержащегося в нём полупроводникового кристалла микросхемы с узлом 1‑Wire‑интерфейса, который соединён с внешним миром лишь через две, изолированные друг от друга, половинки металлического корпуса, являющиеся, по существу, контактными площадками для подключения 1‑Wire‑магистрали. В подобных “таблеточных” корпусах поставляются устройства iButton. Компоненты, которые предназначены для использования в составе 1‑Wire‑сетей, упаковываются в пластиковые корпуса, используемые для изготовления транзисторов и интегральных схем. Такой подход объясняется тем, что в отличие от устройств iButton компоненты, специально ориентированные для применения в составе 1‑Wire‑сетей, часто имеют более двух выводов. Помимо выводов, которые требуются для обмена данными по 1‑Wire‑магистрали, они располагают дополнительными выводами, необходимыми для обеспечения их питания и организации внешних цепей, связывающих такие устройства с объектами автоматизации, например, датчиками или исполнительными устройствами.

К наиболее простым ведомым 1‑Wire‑компонентам относятся кремниевый серийный номер DS2401 (или модифицированный вариант этого устройства с внешним питанием DS2411) и электронный ключ DS2413P, управляемый по 1‑Wire‑интерфейсу. Первое из этих устройств часто используется в качестве электронной метки, которая позволяет идентифицировать состояние, например, механического переключателя, коммутирующего шину данных 1‑Wire‑магистрали. С помощью DS2413P можно дистанционно осуществить простейшие функции переключения внешнего оборудования, изменяя состояние управляемого ключа относительно возвратной шины 1‑Wire‑магистрали (в настоящее время ключ DS2405 уже не поставляется, поскольку доступна более функционально совершенная замена – DS2413P).

Однако наиболее популярными ведомыми 1‑Wire‑компонентами, на базе которых реализовано, пожалуй, наибольшее количество практических приложений, безусловно, являются цифровые термометры типа DS18S20 (более известные до 2001 года под обозначением уже давно снятого с производства устройства DS1820, успевшего стать международным брендом). Преимущества этих цифровых термометров с точки зрения организации магистрали, по сравнению с любыми другими интегральными температурными сенсорами, а также неплохие метрологические характеристики и хорошая помехоустойчивость, уже на протяжении двух десятков лет неизменно выводят их на первое место при построении многоточечных систем температурного контроля в диапазоне от –55°С до +125°С. Такие сенсоры позволяют не только осуществлять непосредственный мониторинг температуры в режиме реального времени, но и благодаря наличию встроенной энергонезависимой памяти температурных уставок, могут обеспечивать приоритетную оперативную сигнализацию в 1‑Wire‑сети о факте выхода контролируемого параметра за пределы заданных значений. Также поставляются более совершенные термометры DS18В20, у которых скорость преобразования определяется разрядностью результата, программируемой непосредственно по 1‑Wire‑интерфейсу. Цифровой код, считываемый с такого термометра, является прямым результатом измеренного значения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях. Некалиброванная, но в тоже время более дешёвая версия микросхемы DS18B20 под обозначением DS1822 представляется оптимальным решением для разработчиков недорогих многоточечных систем контроля температурных процессов.

До 2010 года также поставлялся целый спектр дискретных микросхем, оснащённых 1‑Wire‑интерфейсом и реализующих функции отдельных элементов систем автоматизации. Среди них: четырехканальный 16‑разрядный АЦП типа DS2450, двухканальный счетчик, совмещённый с буферной памятью, типа DS2423, цифровой потенциометр на 256 градаций типа DS2890, узлы часов реального времени и календаря типа DS2415 и типа DS2417, причём последнее устройство через особый вывод прерывания, обеспечивало управление по времени переключением внешнего оборудования. Однако, как показал десятилетний опыт развития 1‑Wire‑сетей, для реальных объектов автоматизации, 1‑Wire‑компоненты, исполняющие отдельные функции, менее востребованы по сравнению с устройствами ориентированными на реализацию сразу нескольких функций на одном кристалле. Такие решения получили название 1‑Wire‑микросистем. Наиболее характерным представителем 1‑Wire‑микросистемы является микросхема DS2438, которая помимо узла 1‑Wire‑интерфейса также содержит узлы: цифрового термометра, АЦП с недифференциальным входом, токовый АЦП с дифференциальным входом, программируемый таймер, Flash‑память, набор регистров для хранения данных общего назначения. Весь этот арсенал в составе одного 1‑Wire‑компонента позволяет легко решить, например, задачу по эффективному обслуживанию и сопровождению энергетических элементов питания различных типов. В настоящее время компания Analog Devices выпускает более эффективные 1‑Wire‑микросистемы: DS2760, DS2775, DS2776, DS2777, DS2781 и т.п.

Тем не менее наиболее незаменимыми «кирпичиками», лежащими в основе фундамента 1‑Wire‑сетей автоматизации, оказались универсальные сдвоенные адресуемые транзисторные ключи типа DS2406P. На базе этих устройств может быть реализована масса применений и, прежде всего, узлы контроля логических состояний (уровней) и схемы обслуживания датчиков «сухого контакта», а также разнообразные ключевые схемы. Таким образом, именно благодаря использованию этих компонентов осуществляется сбор дискретной информации с территориально рассредоточенных датчиков (мониторов дверей, контакторов положения арматуры, любых сенсоров, имеющих выход ДА/НЕТ, как‑то: датчики положения, прохода, присутствия, пожарной и охранной сигнализации и т.д.).

Однако при всём многообразии 1‑Wire‑компонентов, все‑таки наиболее универсальным из них является уникальная микросхема DS2408. Это двунаправленный восьмиразрядный свободно поразрядно программируемый по 1‑Wire‑магистрали порт ввода/вывода, который позволяет реализовать любой интерфейс между всяким цифровым устройством и 1‑Wire‑сетью. Использование порта DS2408 позволяет посредством 1‑Wire‑интерфейса обеспечить простое и гибкое управление вводом/выводом по 8 независимым каналам. Таким образом, на базе этого устройства возможна организация привода светодинамических или жидкокристаллических индикаторов и дисплеев различных видов, осуществление сканирования матричных клавиатур и дискретных датчиков самых различных типов.

Если же эксплуатация 1‑Wire‑сети или любого иного электронного оборудования, имеющего минимум выводов для реализации обмена данными, требует обеспечения хранения дополнительных объёмов информации, в распоряжении разработчика имеются специальные 1‑Wire‑компоненты, содержащие только лишь узлы ЕPROM (DS2502/ DS2505/ DS2506) или EЕPROM (DS2431/ DS2432/ DS2433/ DS28E02/ DS28E04/ DS28EC20) различных объёмов. Причём некоторые из этих микросхем имеют специальные узлы механизма шифрования SHA, что позволяет довольно просто обеспечить достаточно высокий уровень криптографической защиты данных, как при их передаче, так и при их хранении.

"Таблетки" iButton и 1‑Wire‑сеть

Целый ряд компонентов семейства iButton в корпусах MicroCAN также может быть использован в составе 1‑Wire‑сетей в качестве ведомых абонентов, которые решают специфические задачи идентификации, преобразования, накопления, хранения и переноса информации. Например, для реализации процедуры идентификации в системах промышленной автоматизации обычно достаточно применения распространённых носимых электронных меток DS1990A. Более сложное устройство DS1904 позволяет синхронизовать работу узлов часов/календаря микропроцессорных систем. А многоточечный температурный контроль может быть выполнен сетью из нескольких “таблеток” DS1920. Если же использовать “таблетки”-логгеры DS1921/DS1922/DS1923/DS1925 или иначе устройства ТЕРМОХРОН и устройства ГИГРОХРОН, каждое из которых регистрирует или температурные значения, или значения температуры и относительной влажности, измеренные через определённые, заранее заданные, промежутки времени и сохраняет полученную информацию в собственной энергонезависимой памяти, легко построить территориально распределённую систему мониторинга микроклимата любой сложности.

Для решения проблемы переноса данных, накопленных территориально удалённой автономной 1‑Wire‑системой, к стационарному персональному компьютеру удобны различные типы микросхем памяти из семейства iButton, которые в этом случае играют роль так называемых «транспортных таблеток». К подобным устройствам относятся, прежде всего, устройства энергонезависимой памяти, включающие в состав своей конструкции литиевый элемент питания. Это целый ряд “таблеток”: DS1992L (1 Кбит), DS1993L (4 Кбита), DS1995L (16 Кбит), DS1996L (64 Кбита). Кроме того, для целей транспорта информации могут быть использованы устройства с памятью типа EEPROM модификаций DS1971(32 байта), DS1972(128 байт), DS1973(512 байт) и DS1977(32 Кбайта). «Транспортные таблетки» входящие в состав семейства микросхем iButton EPROM‑памяти ‑ DS1982 (1 Кбит), DS1985 (16 Кбит), DS1986 (64 Кбита), ‑ удобны для заполнения памяти микропроцессорных систем (например, калибровочными константами или начальными установочными значениями).

Для сопряжения устройств в корпусах MicroCAN с шинами 1‑Wire‑магистрали используют специальные защелки типа DS9100 или DS9098P, или же более простые зажимы типа DS9094. Однако следует учитывать, что при организации 1‑Wire‑сети на базе “таблеток” iButton с помощью таких приспособлений теряется весь смысл в суперзащитных свойствах их корпуса. Поскольку подобные варианты включения этих “таблеток” в состав абонентов 1‑Wire‑сети делают соединение в любом случае уязвимым для внешних воздействий (воды, пыли, грязи, инея и т.д.). Поэтому вопрос об организации защищённых от внешних воздействий 1‑Wire‑сетей, реализованных на базе устройств iButton, требует особого подхода.

Магистраль и топология 1‑Wire‑сети

Большую роль при построении 1‑Wire‑сетей играет исполнение 1‑Wire‑магистрали. Как правило, протяжённые 1‑Wire‑магистрали имеют структуру, состоящую из трёх основных проводников: DATA ‑ шина данных, RET (GND) – возвратная шина или земляной провод, EXT_POWER – внешнее питание не только обслуживаемых ведомых абонентов, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от технологии прокладки кабеля, способа его сопряжения с ведомыми абонентами, особенностей используемых приёмов монтажа и качества применяемых материалов, в соответствии с нижеследующей Таблицей, различают четыре основных варианта организации 1‑Wire‑сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации магистрали.

Классификация 1‑Wire‑сети	Протяжённость кабеля магистрали	Количество ведомых абонентов	Тип используемого кабеля	Топология	Мастер 1‑Wire‑сети
Миниатюрная	До 5 м	До 10 шт	Любой	Свободная	Любой ведущий с пассивной подтяжкой (резистор к питанию)
Короткая	До 30 м	До 50 шт	4‑хпроводный телефонный	Общая шина с патчами до 0,5 м	Адаптеры на базе дискретных компонентов DS9097E, DS1410E
Средняя	До 100 м	До 100 шт	Витая пара 3 категории	Строгая общая шина	Активная подтяжка (DS2480В, DS2482, DS2483 или специальное схемное решение (MAX6314))
Длинная	До 300 м	До 250 шт	Витая пара 5 категории или IEEE1394 (Firewire)	Общая шина без разрыва ствола	Link или программная модификация временных слотов 1‑Wire‑протокола

Если же организация 1‑Wire‑сети на базе персонального компьютера связана с особыми трудностями (большая протяжённость кабеля магистрали, большое количество ведомых абонентов, плохое качество кабеля или сложная топология, много помех и т.д.), то наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM‑порта типа Link или его аналога для USB‑порта адаптера LinkUSB. Основой любого из таких адаптеров является микропроцессор, оснащённый специализированной программой управления. При этом все устройства, реализованные по технологии Link, полностью эмулируют со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U производства Analog Devices. Поэтому всё программное обеспечение, ранее разработанное для поддержки адаптеров DS9097U, также подходит для взаимодействия с любым из адаптеров Link. Но главное, что благодаря собственным интеллектуальным ресурсам адаптеры Link и LinkUSB обеспечивают льготный режим работы ведомых абонентов в составе проблемных 1‑Wire‑сетей, в условиях сложной помеховой обстановки. Адаптеры Link и LinkUSB многократно улучшают механизм активной подтяжки шины данных 1‑Wire‑магистрали, что позволяет действительно получать идеальные сигналы обмена при длинах кабеля до 300 метров и числе ведомых абонентов до 250 шт. Кроме того, использование процессором Link‑адаптера специальных алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой им 1‑Wire‑сети к электромагнитным помехам, шумам и отражениям сигналов.