利用單總線傳輸數(shù)據(jù)與電源

1 概述

為滿足通信或測(cè)試的需求，常常在計(jì)算機(jī)（通常是PC機(jī)）上掛接多個(gè)傳感器或模塊，計(jì)算機(jī)與傳感器或模塊之間的信息交換一般選擇由數(shù)據(jù)線和電源線組成的多總線方式（如I2C）來(lái)實(shí)現(xiàn)，此外，還需要地線、參考線等。而如果沿著電纜線也能夠傳送電源的話，那么就可替代外部電源來(lái)為系統(tǒng)供電。一種巧妙的、從數(shù)據(jù)線上“盜電”的方法使大多數(shù)新型通信系統(tǒng)能夠在單總線上雙向傳送數(shù)據(jù)，并同時(shí)為遠(yuǎn)端器件供電，這就是所謂的單總線微網(wǎng)。單總線系統(tǒng)是利用電容、二極管構(gòu)成的音波整流器來(lái)為單總線器件（如識(shí)別芯片、讀/寫存儲(chǔ)器、可尋址開關(guān)、數(shù)字溫度傳感器等）供電。這種方式省去了額外的連線和遠(yuǎn)端電源，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)成本。更有意義是，單總線上掛接的器件具有唯一的序列號(hào)和自定時(shí)控制器，因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 單總線微網(wǎng)

單總線微網(wǎng)是允許PC機(jī)或微控制器通過(guò)雙絞線與單總線器件通訊的網(wǎng)絡(luò)，通常為漏極開路I/O和主/從多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。并在數(shù)據(jù)線的靠近主機(jī)端接一個(gè)上拉電阻至5V電源，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由三部分組成。分別為主機(jī)與控制軟件、連接線與相連接器、單總線器件。圖1所示是用單總線溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的單總線微網(wǎng)原理圖。任何標(biāo)準(zhǔn)的微控制器，如時(shí)鐘頻率不低于1.8MHz的8051或采用115.2kbps通用異步收發(fā)器（UART）的PC機(jī)都可以作為微網(wǎng)的主機(jī)。該電路利用時(shí)隙的長(zhǎng)短表示二進(jìn)制的“1”或“0”，在數(shù)據(jù)速率為14.4kbps(115.2/8=14.4)時(shí)，PC機(jī)可以在7ms內(nèi)查找到總線上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)。

DS0621-SDK專業(yè)軟件開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部帶有TMEX軟件（相關(guān)資料可從Maxim公司網(wǎng)站獲得），微網(wǎng)通訊協(xié)議采用CMOS/TTL邏輯電平，其中“0”電平不高于0.8V、“1”電平不低于2.2V，工作電壓范圍為2.8～6V，由單總線器件內(nèi)部的二極管和電容從數(shù)據(jù)線上“盜電”提供。數(shù)據(jù)傳輸模式半雙工方式，位流（包括數(shù)據(jù)與回波）將在一對(duì)雙絞線上傳輸，雙絞線可選用廉價(jià)、通用的5類、低容性負(fù)載的非屏蔽電話線。DS9097 COM端口適配器用于RS232微網(wǎng)的接口。

在微網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)通常與時(shí)隙相對(duì)應(yīng)，例如，在給某單總線器件寫邏輯“1”時(shí)，主機(jī)將保持總線為低電平、且保持低電平的時(shí)間不超過(guò)15μs；在寫邏輯“0”時(shí)，主機(jī)需保持總線為低電平的時(shí)間至少為60μs，以便在最霈的條件下不產(chǎn)生誤碼，由于每個(gè)單總線器件均由內(nèi)置振蕩提供時(shí)鐘，因此，系統(tǒng)不需要提供額外時(shí)鐘。圖2是通過(guò)由內(nèi)置半波整流器從數(shù)據(jù)總線獲得工作電壓的電路原理圖，當(dāng)數(shù)據(jù)總線被上拉至高電平時(shí)，半波整流器的二極管導(dǎo)通，并為800pF的電容充電。當(dāng)器件為主機(jī)發(fā)送信號(hào)（邏輯“1”或邏輯“0”）時(shí)，數(shù)據(jù)線被拉至低電平，在此期間，電容上存儲(chǔ)的電荷將用于為芯片內(nèi)部的振蕩器及控制電路供電，直到數(shù)據(jù)線恢復(fù)到2.8V以上時(shí)，整流二極管再次導(dǎo)通為電容被充能量。在微網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)工作時(shí)，主機(jī)首先將總線置為低電平保持480μs以使系統(tǒng)復(fù)位；接下來(lái)主機(jī)將查詢總線上各個(gè)從機(jī)發(fā)出的在線脈沖，如圖3所示，復(fù)位脈沖后面跟隨的在線脈沖表明DS18B20已準(zhǔn)備就諸，可以接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。此后，主機(jī)通過(guò)呼叫從機(jī)地址及發(fā)送器件所屬家庭的特定指令即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送。圖4是以溫度傳感器DS18B20為例說(shuō)明傳送信息的時(shí)隙圖，在執(zhí)行寫，主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，同時(shí)寫時(shí)隙被初始化，每次寫操作時(shí)間不得低于60μs，而且兩次寫操作之間應(yīng)有1μs的恢復(fù)時(shí)間。DS18B30在數(shù)據(jù)線為低電平后的15μs至60μs之間從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，如果在此期間數(shù)據(jù)線為高電平，則DS18V20被寫入“1”；如果數(shù)據(jù)線與低電平，則DS18B20被寫入“0”。因此，寫“1”時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線置低，并在15μs內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，以使其恢復(fù)至高電平。寫“0”時(shí)，主機(jī)則將數(shù)據(jù)線置為低電平，并保持至少60μs。主機(jī)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)的時(shí)隙與寫操作相似，可參考圖4。

單總線器件的識(shí)別碼存儲(chǔ)在光刻ROM內(nèi)，唯一的48位序列號(hào)表示其節(jié)點(diǎn)地址。共有248個(gè)不同的序列號(hào)，因此，LAN上不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的節(jié)點(diǎn)地址，這也是微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)于其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特點(diǎn)。單總線器件的識(shí)別碼除了48位序列號(hào)外，還包括8位家庭碼和8位CRC校驗(yàn)碼，8位家庭碼表示器件所屬的產(chǎn)品類別，如：NVRAM、EEPROM、溫度傳感器、時(shí)鐘芯片等，位于64位識(shí)別的第一字節(jié)；CRC校驗(yàn)碼位于最后一個(gè)字節(jié)，是前端7個(gè)字節(jié)所包含數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼，主機(jī)根據(jù)CRC校驗(yàn)碼判斷所讀取的從機(jī)址是否正確。

3 典型應(yīng)用

由一臺(tái)PC機(jī)和DS9097COM端口適配器、單片DS2401硅序列號(hào)即可構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的微網(wǎng)系統(tǒng)，DS2401適用于身份識(shí)別和狀態(tài)檢測(cè)，如用于監(jiān)測(cè)開關(guān)的通斷等。當(dāng)DS2401通過(guò)一個(gè)開關(guān)連接到總線上時(shí)（圖5），主機(jī)便可利用TMEX中的查詢指令來(lái)呼叫并讀取DS2401的序列號(hào)。如果開關(guān)斷開，器件未連接到總，主機(jī)將無(wú)法得到DS2401的應(yīng)答。利用這種簡(jiǎn)單的查詢技術(shù)可確定某一實(shí)體是否存在。并可在安全監(jiān)控系統(tǒng)中用于監(jiān)測(cè)門、窗的狀態(tài)（關(guān)閉或打開）。同樣，如果把DS2401接到總線的最遠(yuǎn)端，則可監(jiān)測(cè)單部系統(tǒng)的完整性。如果總線上掛接有內(nèi)置存儲(chǔ)器的單總線器件（如用內(nèi)置1kb EPROM的DS2502替代DS2401），那么主機(jī)還可以讀取到有關(guān)實(shí)體的一些附加數(shù)據(jù)，這就是所謂的電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可進(jìn)行庫(kù)存管理、證件識(shí)別、人事檔案管理等。并可針對(duì)不同的自動(dòng)識(shí)別應(yīng)用把這些電子標(biāo)簽制作成不同的外形和封裝，如不銹鋼封裝、可焊接封裝的信息鈕（iBUTTON）或密匙戒指等。

微網(wǎng)總線長(zhǎng)度可達(dá)300米，總線上允許掛接數(shù)百個(gè)電子標(biāo)簽，當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中所能掛單總線器件數(shù)與主機(jī)完成一次全部在線器件的讀取操作所需要的時(shí)間有關(guān)，同時(shí)也受雙絞線物理尺寸的限制。例如，在包含有500個(gè)單總線器件的微網(wǎng)上，用PC機(jī)的一個(gè)CPM端口適配器執(zhí)行一次查詢指令需要12秒。因?yàn)樽x取時(shí)間由UART控制，因此，微處理器的時(shí)鐘速率不影響查詢時(shí)間。

IBUTTON器件可以由所建子目錄下的文件格式化，子目錄允許隨機(jī)存取文件或更改文件，且不影響其他記錄。包含存儲(chǔ)器的單總線芯片可存儲(chǔ)一些標(biāo)準(zhǔn)信息，如職員姓名、身份證號(hào)碼等，如果存儲(chǔ)器容量為64k，則僅用1/4的空間即可存儲(chǔ)等效于一張名片信息量和一張黑白身份證照片。留出的存儲(chǔ)空間可用來(lái)存儲(chǔ)醫(yī)療記錄、信用信息、保密等級(jí)等內(nèi)容，這引起信息為識(shí)別系統(tǒng)提供了安全可靠的保證。

總之，單總線微網(wǎng)是一種低成本、易安裝、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)一般采用PC機(jī)或微控制器作為主機(jī)，并利用兼價(jià)的雙絞線傳送數(shù)據(jù)和電源。另外，單總線器件具有唯一的序列號(hào)，它們可以始掛接在總線上，它可以脫離總線而像身份識(shí)別標(biāo)簽或密匙戒指那樣被帶走。然后在需要主機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)專用接口組件與總線連接。由此可見，單總線微網(wǎng)可為倉(cāng)庫(kù)管理、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、安全防范等系統(tǒng)應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)方案。