1-Wire – протокол передачи данных в обе стороны по одному проводу.
Данный протокол разработан корпорацией Dallas Semiconductor (сейчас Maxim Integrated) в далёких 90-х, но активно используется и сейчас: именно на 1-Wire работает большинство "таблеток" - домофонных чипов (DS1990A), карточек доступа, а также через 1-Wire общаются популярные датчики температуры (DS18S20 и DS18B20), транзисторные ключи (DS2405 , DS2406), программируемые порты ввода-вывода (DS2408), АЦП и ЦАП, часы реального времени (DS2417) и многое другое.
Режим связи в этом протоколе – асинхронный и полудуплексный (об этом подробнее ), а также "остроконечный" (при отсылке многобайтовых целых передача идёт от младшего байта к старшему).
При этом у нас всегда есть ведущий – одно устройство на шине, которое отсылает команды, и ведомые – устройства, которые эти команды принимают и отвечают на них, если необходимо; каждое из ведомых устройств подключается непосредственно к общей шине.
Ещё раз подчеркнём – на шине может быть только ОДИН ведущий – иначе возникнут конфликты, когда оба ведущих будут тянуть одеяло на себя (на самом деле, есть некоторые приёмы организации сетей 1-Wire в режиме мультимастера – например, с помощью ветвителя сети DS2409 – но в "обычной" жизни все-таки предпочтительней иметь только одного ведущего на шине).
Протокол 1-Wire хорош тем, что не сложен в реализации и требует для связи всего два-три провода (шина данных, земля и при необходимости питание); однако при этом он не лишён и недостатков – этот протокол весьма чувствителен ко времени и к помехам. Также 1-Wire не предназначена для передачи больших объёмов информации и для скоростного обмена данными – максимальная скорость 9600 Бод/с.
Протокол 1-Wire описывает физический, канальный, сетевой и транспортный уровни взаимодействия (см. модель OSI).
На физическом уровне даются описания способов подключения, требования к шине данных и питанию и т.д.
Канальный уровень описывает способы чтения и передачи битов по протоколу.
Сетевой уровень описывает способы адресации к различным устройствам на линии.
Наконец, транспортный уровень описывает функциональные команды, используемые устройствами 1-Wire.
Физический уровень протокола
Рисунок 1. Пример подключения ведущего и ведомых устройств по протоколу 1-Wire.
К слову, о питании – согласно даташиту, шина данных должна быть подтянута к питанию резистором 4.7 кОм, однако данный номинал используется при относительно коротких линиях; если же расстояние между устройствами достаточно велико, то сопротивление резистора можно уменьшить.
Канальный уровень протокола
Обмен информацией ведётся так называемыми временными, или тайм-слотами (60 мкс): один тайм-слот служит для обмена одним битом информации. Данные передаются бит за битом, начиная с младшего бита младшего байта – это, кстати, достаточно часто приводит к ошибкам у новичков – кажется, что нужно передавать данные слева направо, так, как они хранятся в памяти (то есть, следите за словами: кажется, что нужно начинать со старшего бита младшего байта (вы уже запутались, да?) – но нет! При передаче по 1-Wire, например, двухбайтового числа порядок передачи будет таким:
Имеем число 1023410 – в двоичном виде выглядит так: 00100111 11111010 2
В памяти (так как у нас "остроконечный" порядок хранения данных) выглядит так: 11111010 00100111.
А передача по 1-Wire будет выглядеть так:
0→1→0→1→1→1→1→1→1→1→1→0→0→1→0→0
Если вы запутались так же, как и я – самое время выпить чая с шоколадкой и немного утрясти все в голове.
Идём дальше. При обмене информацией ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления (передача или приём), должна быть инициирована ведущим. Шина данных по умолчанию подтягивается к "единице", поэтому для начала как приёма, так и для передачи ведущий опускает линию в "ноль" на некоторое время.
Внимание : ни ведущий, ни ведомые не выставляют на шине "единицу" - это черевато коротким замыканием: если одно устройство выставит на шине "1", а другое – "0"; поэтому как ведущий, так и ведомый могут использовать только два состояния: "на выход в ноль" и "z-состояние" (на вход без подтяжки). Подтяжка к питанию осуществляется резистором (!).
Рассмотрим 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: "Запись 1", "Запись 0", "Чтение", "Сброс" и "Присутствие". При этом на рисунках красным выделено управление линией от ведущего, синим – управление линией от ведомого, черным – освобожденная линия (с помощью подтяжки шина автоматически переходит в "единицу").
Сигнал "Запись 1" . Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.
Сигнал "Запись 0" . Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.
Сигнал "Чтение"
. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчинённый, если хочет передать 0, удерживает шину в низком состоянии до 60 мкс; если же подчинённых хочет передать 1, то он просто освобождает линию. Ведущий обычно сканирует состояние шины по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине.
Так, ведомый удерживает линию к земле, если хочет передать "0", и просто отпускает линию, если хочет передать "1".
Таким образом при чтении получаем следующие диаграммы.
Сигнал "Чтение при получении 1" :
Сигнал "Чтение при получении 0" :
Основные проблемы, которые возникают при реализации чтения-записи – это проблемы со временем, то есть "невыдерживание", или наоборот, "передерживание" временных задержек при чтении линии. Возникают эти проблемы из-за того, что часто не делают поправку на медленность языков программирования высокого уровня. Особенно это касается различных "дополнительных" функций и ништяков. Подробнее
Сигнал "Сброс/присутствие"
. Здесь временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал "Сброс".
Если на шине присутствует подчинённый, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название "Присутствие". Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключённых устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.
Данная связка сигналов всегда начинает любой обмен информацией между устройствами.
Помимо этого, нужно учитывать, что любое ведомое устройство после получения питания сразу же выдаёт сигнал присутствия.
Сигнал же "Сброс" позволяет ведущему досрочно завершить обмен информацией – например, если датчик температуры передаёт нам всю свою память, а нам нужны только первые два байта, которые содержат значение температуры, то после получения этих двух байт микросхема просто может опустить линию в ноль на нужное количество времени – датчик поймет, что больше ничего пересылать не нужно.
О реализации: обычно необходимо запрограммировать микроконтроллер как ведущее устройство, поэтому есть несколько советов: микроконтроллеру стоит генерировать сигналы (опускание шины к земле) чуть больше необходимого минимума по времени, а ответы от ведомых устройств ждать по наихудшим прогнозам – тогда взаимодействие по протоколу будет оптимальным.
При этом ведущему нужно не забывать периодически проверять состояние линии данных - то, что она возвращается в подтянутое состояние с течением времени – а то может возникнуть ситуация, например, что какой-нибудь ведомый сломался и коротит, например, линию в ноль – и в принципе, протокол не проверяет данную проблему сам, ошибки может и не возникнуть – но об этом чуть ниже.
Сетевой и транспортный уровни протокола
Рассмотрим "более высокий" уровень протокола 1-Wire – последовательность действий при взаимодействии ведущего и ведомого, а также основные команды. При этом нужно отметить, все данные, в том числе команды, отсылаются побитно последовательно, начиная с младшего бита.
Алгоритм взаимодействия:
- Ведущий посылает на линию сигнал reset ("Сброс"). После линия освобождается для "ответных действий". Если на шине присутствует ведомый, то в течение 60 мкс он сообщает о "присутствии".
Если же ведущий не получает отклика-"присутствия", то он считает, что подключённых к шине устройств нет. - Далее следует сетевой уровень протокола: ведущий должен определить, к какому из устройств на шине данных он будет дальше обращаться. Данный выбор обеспечивается отсылкой одной из ROM-команд (длиной в 1 байт), которые работают с уникальными кодами устройств:
- Search ROM ($F0) – "поиск ROM". Если коды подключённых устройств не известны, то эта команда позволяет ведущему определить их. Подробное описание данной команды представлено ниже.
- Read ROM ($33) – "чтение ROM" – команда используется, если мы точно знаем, что у нас только одно подчинённое устройство (например, только один датчик температуры или один домофонный ключ), тогда для считки его кода можно не париться с поиском ROM. При получении данной команды все ведомые устройства на шине отсылают свой уникальный код.
- Skip ROM ($CC) – "пропуск ROM". Это команда используется, когда необходимо дать команду всем устройствам на шине – например, нужно, чтобы все подключённые датчики одновременно считали температуру.
- Match ROM ($55) – "совпадение ROM". Используется для выбора конкретного подчинённого устройства на шине. После отсылки команды ведущий передаёт 64-разрядный код. По завершении только тому подчинённому устройству, которое приняло свой идентификатор, разрешается отвечать после приёма следующего импульса сброса – остальные же молча ждут импульса сброса.
- Если были отправлены команды "Match ROM" или "Skip ROM", то далее ведущий отправляет какую-либо функциональную команду – это уже транспортный уровень протокола; при этом набор функциональных команд и дальнейшее поведение (должен ли ведущий быть готов принимать данные от выбранного ведомого устройства, например) зависит от конкретного устройства 1-Wire.
Так, например, если у нас есть микроконтроллер и DS18S20 – датчик температуры, и мы хотим получить от этого датчика значение температуры, то алгоритм работы будет следующим:
- МК отсылает импульс сброса
- - так как датчик у нас на линии один, то нам нет необходимости работать с "адресами"
- МК отсылает функциональную команду "Convert T" - по этой команде датчик температуры начнёт однократное температурное преобразование; результат же этого преобразования будет записан в память датчика
- МК ждёт, пока датчик закончит преобразование (ведомое устройство никоим образом не может само сообщить, что оно "освободилось", поэтому микроконтроллер просто ждёт время, указанное в даташите)
- МК отсылает импульс сброса
- Датчик отвечает импульсом приветствия
- МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
- МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad" - по этой команде датчик отсылает 9 байт своей памяти
- МК считывает нужное количество байт (значение температуры содержится в первых двух)
- При необходимости МК завершает сеанс связи, отсылая импульс сброса
При этом нужно помнить, что ведомые устройства могут поломаться и, например, опускать линию всегда на 0. Допустим, у нас так закоротило датчик температуры в термостате печки. Тогда, если ведущий не проверит, что линия возвращается в единицу, то вероятна следующая ситуация:
- МК отсылает импульс сброса
- Датчик коротит линию на ноль – МК обнаруживает, что есть импульс приветствия
- МК отсылает адресную команду "Skip ROM" - не проверяя при этом линию, конечно
- МК отсылает функциональную команду "Convert T" - датчик всё ещё в коме
- МК ждёт
- МК отсылает импульс сброса
- история повторяется, датчик отсылает ноль
- МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
- МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad"
- МК считывает нужное количество байт - и получает, естественно, все нули. Даже если мы считываем всю память вместе с CRC, CRC от нуля будет равно нулю – то есть ошибки не произойдет МК конвертирует температуру, получает ноль, отправляет команду нагревать печь. И так до бесконечности!
Выглядит все это довольно печально – и черевато большими проблемами! Так что на протокол полагайся, но сам не плошай.
Вернёмся к алгоритму взаимодействия ведущего и ведомого по протоколу. Как видно, реализовать работу ведущего устройства не так уж сложно – при этом есть как уже готовые библиотеки с кодом, так и аппаратные реализации – например, от той же фирмы Maxim Integrated. Так, например, для AVR-ок написан целый даташит для реализации 1-Wire .
А вот реализовать ведомое устройство не так уж просто – и если библиотеки существуют (например, ), то аппаратных реализаций именно протокола 1-Wire мне не встречалось. Принцип же работы ведомых устройств подробно описан в их документации, обычно в виде блок-схемы.
Существует целый ряд устройств, использующих интерфейс 1-Wire, - так, например, всем известная "таблетка" - домофонный ключ – работает в большинстве случаев именно через данный протокол: микроконтроллер в замке просто спрашивает уникальный код "таблетки", и если этот код содержится в списке разрешённых устройств, микроконтроллер открывает замок.
Помимо всевозможных устройств для идентификации и авторизации (ключи, карточки пропуска), многие датчики – будь то датчики температуры, датчики влажности, освещения и др. – также используют для связи интерфейс 1-Wire. Помимо этого, есть также ряд микросхем для "мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений".
Уникальные коды устройств 1-Wire
Пару слов об уникальных кодах устройств, с которыми и работают ROM-команды. Каждое "одноварное" устройство имеет свой 64-хбитный код, состоящий из трёх частей:
Младший байт – это код семейства, к которому относится устройство, 6 следующих байт – уникальный в семействе серийный номер, ну и наконец, старший байт – это CRC, который служит для проверки правильности приёма всего кода. Так, например, на родных даллосовских (сейчас максимовских) "таблетках" часть уникального кода – а именно, 48-битный серийный номер – пишется на металле в шестнадцатиричном виде (все дружно посмотрели на свои домофонные ключи).
Рассмотрим подробнее, какие коды семейств устройств 1-Wire бывают:
| Код семейства (HEX) | Устройство iButton | Описание |
| 01 | DS1990A, DS1990R, DS2401, DS2411 | Уникальный серийный номер-ключ |
| 02 | DS1991 | Мультиключ, 1152-битная защищённая EEPROM |
| 04 | DS1994, DS2404 | 4 КБ NV RAM + часы, таймер и будильник |
| 05 | DS2405 | Одиночный адресуемый ключ |
| 06 | DS1993 | 4 КБ NV RAM |
| 08 | DS1992 | 1 КБ NV RAM |
| 09 | DS1982, DS2502 | 1 КБ PROM |
| 0A | DS1995 | 16 КБ NV RAM |
| 0B | DS1985, DS2505 | 16 КБ EEPROM |
| 0C | DS1996 | 64 КБ NV RAM |
| 0F | DS1986, DS2506 | 64 КБ EEPROM |
| 10 | DS1920, DS1820, DS18S20, DS18B20 | Датчик температуры |
| 12 | DS2406, DS2407 | 1 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ |
| 14 | DS1971, DS2430A | 256 бит EEPROM и 64 бита PROM |
| 1A | DS1963L | 4 КБ NV RAM + счётчик циклов записи |
| 1C | DS28E04-100 | 4 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ |
| 1D | DS2423 | 4 КБ NV RAM + внешний счётчик |
| 1F | DS2409 | Двухканальный адресуемый ключ с возможностью коммутации на возвратную шину |
| 20 | DS2450 | Четырёхканальный АЦП |
| 21 | DS1921G, DS1921H, DS1921Z | Термохронный датчик с функцией сбора данных |
| 23 | DS1973, DS2433 | 4 КБ EEPROM |
| 24 | DS1904, DS2415 | Часы реального времени |
| 26 | DS2438 | Датчик температуры, АЦП |
| 27 | DS2417 | Часы реального времени с прерыванием |
| 29 | DS2408 | Двунаправленный 8-разрядный порт ввода/вывода |
| 2C | DS2890 | Одноканальный цифровой потенциометр |
| 2D | DS1972, DS2431 | 1 КБ EEPROM |
| 30 | DS2760 | Датчик температуры, датчик тока, АЦП |
| 37 | DS1977 | 32 КБ защищённой паролем EEPROM |
| 3A | DS2413 | Двухканальный адресуемый коммутатор |
| 41 | DS1922L, DS1922T, DS1923, DS2422 | Термохронные и гигрохронные датчики высокого разрешения с функцией сбора данных |
| 42 | DS28EA00 | Цифровой термометр с программируемым разрешением, возможностью работать в режиме подключения к последовательному каналу и программируемыми портами ввода/вывода |
| 43 | DS28EC20 | 20 КБ EEPROM |
NV RAM – Non-Volatile Random-Access Memory (энергонезависимое ОЗУ)
PROM – Programmable Read-Only Memory (однократно программируемое ПЗУ)
EEPROM – Electrically Erasable Programmable Random-Access Memory (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ)
Для одного из проектов по автоматизации потребовалось сделать устройство, которое является подчинённым 1-Wire устройством, принимает команды от мастера и выставляет на своих выходах значение аналогового сигнала в диапазоне от 0 до 10В.
Проанализировав линейку стандартных микросхем 1-Wire от Maxim, стало ясно, что нет микросхемы, которая позволит реализовать подобный функционал.
Потому было принято решение реализовывать 1-Wire slave на микроконтроллере. Надеюсь, данный материал будет интересен и полезен людям, которые делают «умный дом» своими руками, т.к. 1-Wire достаточно популярная шина в подобных проектах. В качестве камня был выбран МК Cortex M0+ ATSAMD20G16 от Atmel, но о реализации в коде расскажем во второй части. Забегая немного вперед, скажу что в третьей части цикла пойдет речь о реализации собственного семейства устройств для линуксовой библиотеки OWFS (One Wire File System). А сегодня расскажем о некоторых аппаратных решениях, к которым мы пришли в процессе разработки.
Речь в основном пойдет о том как подключить ногу микроконтроллера к 1-Wire шине с минимальным вредом для здоровья. Будем двигаться от простого к сложному.
Преобразование уровней
Самый простой вариант - двунаправленный преобразователь уровня на транзисторе. Для него потребуется где-то брать 5В со стороны шины 1-Wire.
Первый вариант - делать 5В на своем устройстве (помимо 3.3В) для «запитки» шины. Как следствие, усложнение схемотехники.
Второй вариант - прокладывать шину 1-Wire в три провода . Третьим проводом идёт линия питания +5В. Из проблем - лишний провод, просадка напряжения на длинном проводе.
Согласование уровней
Если очень не хочется использовать +5В можно разделить сигнальную линию на 2 составляющих (вход и выход)
Важно учесть, что при такой схеме линии со стороны контроллера получаются инверсными.
В качестве бонуса, разделение линии данных на 2 части позволяет несколько упростить дальнейшую отладку софта, т.к. позволяет видеть осциллографом отдельно выходящие от нас сигналы (линия 1-Wire Tx ), не смешанные с сигналами других устройств на шине.
Повышаем устойчивость
Для того что бы сделать прием данных по 1-Wire более уверенным необходимо сделать крутые фронты импульсов со стороны микроконтроллера. Для этого воспользуемся компаратором от TI LMV331 , который обеспечит более точный и резкий переход между логическими «0» и «1», а так же гистерезис 160mV. Еще заменим выходной би-полярный транзистор BC547 на полевой IRLML6346 и поставим защитный TVS диод ESD5Z6 на 6В.
Для данной схемы компаратор потребуется запитать от 5В. Где их можно взять было сказано выше.
Развязанный 1-Wire
Для обеспечения электрической развязки шины 1-Wire и внутренней электроники устройства воспользуемся изолированным транслятором уровней ADuM1201 , и изолированным DC/DC конвертор TES 1-1211 . Как и в предыдущем случае, линию данных 1-Wire делим на 2 линии: 1W_Rx и 1W_Tx.
DC/DC конвертор с 12 на 5 вольт взят для примера, можно использовать аналогичный 3.3/5.
Остальная схемотехника
Для полноты картины покажем схемотехнику подключения микроконтроллера, а так же выходных аналоговых каналов 0-10В.
Т.к. протокол 1-Wire требует наличие уникального адреса для каждого устройства на шине, на плату ставим 1-Wire UID от Maxim DS2411 . Будучи для неё мастером шины будем считывать её UID и использовать его в качестве собственного адреса. У DS2411 код семейства 0x01 (family code - старший байт UID’а). Мы же на сайте OWFS выберем незанятый код семейства для нашего нового устройства и будем подменять первый байт.
Как уже было сказано, во второй части приступим к программной реализации протокола 1-Wire Slave.
Цифровые датчики температуры и относительной влажности и автономные регистраторы температуры и относительной влажности, а так же все модули расширения, подключаются к линии датчиков 1-wire прибора ГИГРОТЕРМОН параллельно, используя 3 провода: «DQ» (шина данных 1-wire), «GND» (общий) и «+5В» (питание). Однако для надежности необходимо использовать все контакты разъема 6P6C (RJ12). Внимание: важно, чтобы контакты «DQ» (1-wire) и «GND 1-wire» (контакты 3 и 4 на рис. ниже) были одной витой парой, например, зеленый и бело-зеленый. Внешний вид разъема 6Р6С, а также назначение контактов и рекомендуемая расцветка проводов см. рис. ниже.
Для надежности связи прибора с датчиками и достижения максимальной протяженности линии датчиков 1-wire цифровые датчики и модули расширения рекомендуется подключать по схеме «гирлянда»: кабель от прибора ГИГРОТЕРМОН должен подходить к первому датчику (или модулю расширения), от первого ко второму и т.п., чтобы все датчики и модули были на одной линии, без ответвлений. См. рис. ниже.
Рекомендуемая максимальная протяженность линии 1-wire при использовании кабеля «витая пара» категории 5Е – не более 100 метров. Если фактическая длина кабеля более 100 метров, рекомендуется разбить линию на две малые с использованием дополнительного прибора ГИГРОТЕРМОН. Для удобства подключения и монтажа, все модули расширения и цифровые датчики и адаптеры для цифровых автономных регистраторов имеют не менее 2-х разъемов 6P6C (RJ12) – вход/выход 1-wire.
Внешний вид платы цифрового датчика 1w-2/3
Внешний вид модуля расширения дискретных датчиков «1wio2»
Внешний вид платы модуля расширения унифицированных (аналоговых) сигналов «HIHx2»
Таблица 1. Результаты испытаний линии связи регистраторов температуры (и относительной влажности) на максимальную протяженность,
при которой наблюдается устойчивая связь регистраторов с прибором Гигротермон
| Длина кабеля, м. | Тип регистраторов температуры и влажности / наличие связи (да / нет) | |
| Регистраторы температуры DS1921G-F5, DS1921Z-F5 |
Регистраторы температуры и относительной влажности DS1923-F5, DS1922L-F5 | |
| 350 | да (с подтяжкой 5В) | |
| нет (без подтяжки 5В) | ||
| 300 | да (с подтяжкой 5В) | |
| нет (без подтяжки 5В) | ||
| 250 | да (с подтяжкой 5В) | нет (с подтяжкой 5В) |
| нет (без подтяжки 5В) | нет (без подтяжки 5В) | |
| 200 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| нет (без подтяжки 5В) | нет (без подтяжки 5В) | |
| 150 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| да | да (без подтяжки 5В) | |
| 100 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| да | да (без подтяжки 5В) | |
|
||
Таблица 2. Результаты испытаний линии связи комбинированных датчиков** 2RJ11-HIH5031E-DS18S20
на максимальную протяженность, при которой наблюдается устойчивая связь с прибором Гигротермон
| Длина кабеля, м. | Измеряемый параметр / наличие связи (да / нет) | |
| Температура | Относительная влажность | |
| 100 | да (без подтяжки) | да (без подтяжки) |
| 125 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 150 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 175 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 200 | да (с подтяжкой) | нет (с подтяжкой) |
| 300 | да (с подтяжкой) | нет (с подтяжкой) |
**) В испытаниях использовано 10 комплектов комбинированных (температура + влажность) датчиков 2RJ11-HIH5031E-DS18S20, подключенных одновременно в конце линии.
Данные получены в "идеальных" лабораторных условиях с использованием кабеля NIKOLAN NKL 4200A-GY F/UTP 4 пары кат.5e, 24 AWG. Поэтому, в реальных производственных условиях значения длин могут отличаться в меньшую сторону из-за присутствия электромагнитных помех или использования другого типа используемого кабеля.
Датчики температуры 1-Wire используются с терминалами, которые поддерживают устройства 1-Wire DS18b20.
Датчики температуры 1-Wire не требует калибровки
, просты в установке, имеет низкую стоимость.
Датчики температуры 1-Wire имеют внешнее питание
, что значительно увеличивает длину трассы от датчика до терминала, и дает возможность использовать большое количество устройств на одной шине 1-Wire.
Датчики температуры 1-Wire могут работать с любым напряжением на шине 1-Wire
(от 3.3 В до 5.5 В).
Датчики температуры 1-Wire имеют удобные корпуса крепления.
Датчики температуры 1-Wire выпускаются в двух модификациях:
– 1. Для эксплуатации в температурном диапазоне от -40°C
до +80
°C
. Длина экранированного провода – 10 метров.
– 2. Для эксплуатации в температурном диапазоне от -55
°C
до +125
°C
. Длина экранированного термостойкого провода – 1 метр. (Любая длинна провода под заказ. +120 руб. за каждый дополнительный метр).
|
Цены |
|||||||
| Количество | от 100 | от 75 до 99 | от 60 до 74 | от 45 до 59 | от 30 до 44 | от 15 до 29 | до 14 |
|
Цена 1-Wire -40
°C
до +80
°C
(руб). |
700 | 730 | 760 | 790 | 820 | 850 | 880 |
|
Цена 1-Wire -55
°C
до +125
°C
(руб).
|
700 | 730 | 760 | 790 | 820 | 850 | 880 |
|
Технические характеристики датчика измерения температуры 1-Wire |
|
|
Диапазон измеряемых температур |
от – 55 до + 125 °C |
|
Температура эксплуатации |
от – 40 до + 80 °C или от – 55 до + 125 °C |
|
Погрешность измерений |
-10°C to +85°C – ±0.5 °C -30°C to +100°C – ±1 °C -55°C to +125°C – ±2 °C |
|
Напряжение на шине 1-Wire |
от 3.3 до 5.5 В |
|
Напряжение питания датчика |
9-36 В |
|
Ток потребления в режиме ожидания |
0.1 mA |
|
Ток потребления в режиме измерения |
1 mA |
|
Длина соединительного кабеля, входящего в комплект датчика (в зависимости от выбранной модификации) |
10 метров +/- 2 % или 1 метр +/- 2 % |
|
Класс защиты сенсора датчика |
IP 68 |
|
Гарантия производителя |
18 месяцев |
|
Подключение датчика 1-Wire. Модификация № 1 (от -40 °C до +80°C) |
||
|
Цвета проводов в кабеле с экранирующей оплеткой |
Выводы датчика | Описание |
| Красный-Белый | Красный | |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Белый | К шине 1-Wire | |
| Красный-Синий | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Синий | К шине 1-Wire | |
| Красный-Желтый | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Желтый | К шине 1-Wire | |
| Красный-Серый | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Серый | К шине 1-Wire | |
| Красный-Черный | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Черный | К шине 1-Wire | |
| Оранжевый-Зеленый | Оранжевый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Зеленый | К шине 1-Wire | |
| Желтый-Синий | Желтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Синий | К шине 1-Wire | |
| Желтый-Зеленый | Желтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Зеленый | К шине 1-Wire | |
| Желтый-Серый | Желтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Серый | К шине 1-Wire | |
| Желтый-Черный | Желтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Черный | К шине 1-Wire | |
| Желтый-Белый | Желтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Белый | К шине 1-Wire | |
| Прозрачный-Зеленый | Прозрачный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Зеленый | К шине 1-Wire | |
| Жёлтый-Оранжевый | Жёлтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Оранжевый | К шине 1-Wire | |
| Жёлтый-Коричневый | Жёлтый | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Коричневый | К шине 1-Wire | |
| Красный-Прозрачный | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Прозрачный | К шине 1-Wire | |
|
Подключение датчика 1-Wire. Модификация № 2 (от -55 °C до +125°C) |
||
|
Цвета проводов в термостойком кабеле |
Выводы датчика | Описание |
| Красный-Черный | Красный | Плюс питания (через предохранитель 1А) |
| Экранирующая оплетка кабеля | "Масса" (Минус питания) | |
| Черный | К шине 1-Wire | |
Разработчиком платформы 1-Wire является Dallas Semiconductor Corporation (US). В 2001 году она была приобретена гигантом мировой микроэлектроники фирмой Maxim Integrated Products (US). Платформа включает серию микросхем и устройств iButton на их основе, а также различные адаптеры, наборы для макетирования и программное обеспечение.
Производство микросхем и устройств iButton является исключительной прерогативой фирмы Maxim, их клонирование другими производителями политикой лицензирования не предусмотрено. В то же время сторонние фирмы разрабатывают и производят на основе микросхем данной платформы разнообразные модули для систем автоматизации, адаптеры, контроллеры, системы макетирования, а также ПО.
Рис.1. Компоненты платформы 1-Wire.
Платформа разрабатывалась с конца 80-х до конца 90-х годов и предназначалась для задач контактной идентификации объектов, в т.ч. с функциями измерения и регистрации температуры, влажности, параметров автономного электропитания, а также с функциями съема, хранения и переноса данных. Широко распространенным образцом такого рода применения является ключ-таблетка для домофона. Менее известным, но также широко распространенным является использование платформы 1-Wire для решения задач идентификации и регистрации параметров картриджей, материнских плат, биологических объектов, идентификации и защиты от несанкционированного доступа различных боксов, контейнеров и т.п. Суть данного целевого назначения и принципа действия отражена в термине «Touch Memory» (контактная память), который часто используют для упоминания устройств iButton. Подробную информацию о штатных областях применения и достоинствах платформы 1-Wire можно найти на следующих страницах сайта фирмы Maxim Integrated:
Несмотря на такое изначально узкоцелевое назначение, платформа 1-Wire по своим технико-экономическим характеристикам оказалась весьма подходящей для бюджетных решений определенных категорий АСУ ТП. Продвижение платформы в нишу автоматизации явилось предпосылкой ее использования в дальнейшем и в системах «умного» дома, в первую очередь в системах контроля микроклимата и метеоусловий, что обусловлено составом датчиков. Особо по вкусу платформа пришлась мелким частным компаниям и разного рода умельцам, разработавшим для нее ряд программных средств, контроллеров, периферийных модулей, а также создавшим ряд проектов домашней автоматизации.
Оценки доли платформы на рынке систем домашней автоматизации отсутствуют.
Базовыми решениями, на которых основана платформа, являются следующие:
A. Двухпроводный интерфейс.
Вместе с тем в устройствах, имеющих функцию автономной регистрации данных, т.е. без подключения к магистрали, предусматривается внутренний источник питания (литиевая батарейка), а питание устройств с повышенным потреблением производится от внешнего источника по отдельной линии.
Ограничение магистрали всего двумя линиями позволяет обеспечить гарантированный контакт внешних цепей устройства iButton с цепями контактного устройства магистрали «легким движением руки», т.к. для этого требуется механическое сопряжение всего двух пар элементов. Именно в этом, собственно говоря, и заключается главное достоинство «двухпроводности» применительно к первоначальным задачам платформы 1-Wire.
B. Индикация подключения в горячем режиме.
Протокол 1-Wire предусматривает выдачу устройством, поключаемым к магистрали в горячем режиме, импульса, оповещающего о появлении на магистрали нового устройства. Необходимость такого оповещения также дикутется особенностями целевого назначения платформы, поскольку обмен с устройством iButton должен инициироваться в момент его подключения к магистрали.
C. Уникальный идентификатор устройства
Каждая микросхема 1-Wire содержит уникальный 64-битный код, записываемый на этапе производства. Данный код позволяет индивидуализировать все выпускаемые устройства 1-Wire, для чего производитель гарантирует отсутствие одинаковых кодов (аналогично MAC-адресам сетевых адаптеров). При подключении к магистрали данный код считывается контроллером и используется для идентификации связанного с этим устройством объекта, а также для определения типа устройства. При подключении к магистрали нескольких устройств их коды могут использоваться в качестве их адресов, что позволяет строить технологические сети, получившие название MicroLAN.
Замечание. Для задач автоматизированного управления, к которым, в том числе, относятся и задачи «умного дома», данные решения не дают каких-либо преимуществ. Так, нет ощутимой разницы при использовании в современном интерьере двухпроводного и, например, четырехпроводного кабеля, тем более, что использование исполнительных устройств все равно потребует отдельной линии питания. Также не актуальна для домашней автоматики возможность подключения устройства в «горячем» режиме, если только это не ключ электронного замка. Использование же в качестве адреса устройства его идентификатора вместо установки фиксированного, регламентированного проектом, вообще сопряжено с определенными неудобствами наладки и ремонта сети, хотя разработчик и предлагает соответствующие алгоритмы самонастройки и адаптации, а также возможность установки с помощью внешних перемычек для ряда устройств дополнительного 4-х битного локального адреса. Пригодность платформы для отдельных ниш автоматизации вытекает из ее дешевизны, простоты применения, наличия в составе ряда востребованных датчиков, устройств сопряжения со стандартными интерфейсами, драйверов для распространенных операционных систем, а также наличием возможности расширения функционала за счет применения элементной базы общего назначения.
Сеть на базе протокола 1-Wire имеет централизованную архитектуру. Информационный обмен происходит под управлением центрального контроллера - «мастера», остальные сетевые устройства имеют статус «слэйв» (рис.3). В качестве контроллера сети может использоваться любое программируемое устройство, имеющее внешний интерфейс. Для согласования контроллеров с магистралью 1-Wire в составе программно-технических средств платформы имеются адаптеры и драйверы для проводных последовательных интерфейсов RS-232, RS-485, I2C, SPI, Ethernet, для параллельного интерфейса LPT, а также для Wi-Fi.
Рис.3. Конфигурация сети MicroLAN на базе протокола 1-Wire
Топология сети может иметь как линейную, так и ветвящуюся древовидную структуру. Основные параметры интерфейса 1-Wire следующие:
- максимальная длина магистрали при использовании витой пары - до 300 м;
- максимальное количество абонентов на магистрали максимальной длины - до 250;
- скорость обмена по магистрали максимальной длины - до 16,3 кбит/c;
Для магистрали рекомендуется ипользовать стандартную витую телефонную пару CAT5. В случае использования стандартного телефонного провода с двумя парами вторую пару использовать для других целей не рекомендуется во избежание увеличения емкости линии, т.е. в случае подачи внешнего питания на устройства желателен отдельный кабель.
Обмен данными по магистрали включает три фазы (рис.4):
- фазу сброса, включающую импульс сброса от контроллера и ответный импульс подтверждения присутствия от абонента (абонентов);
- фазу выборки устройства, включающую команду его выборки (по коду, без кода, групповую, поиска) и его код, если командой он предусмотрен;
- фазу записи/чтения данных, включающую код команды и данные.
Рис.4. Циклограмма обмена данными
Логика всех устройств тактируется отрицательным фронтом сигналов контроллера как в режиме записи, так и в режиме чтения. Биты кодируются длительностью положительного импульса: «1» передается длинным импульсом, а «0» - коротким. В режиме записи все импульсы данных формируются контроллером. В режиме чтения контроллер формирует последовательность единиц, а абонент накладывает на них свою маску нулей (рис.5).
Рис.5. Тактирование и кодирование на физическом уровне
Более подробные сведения об архитектуре магистрали 1-Wire приведены в следующих официальных документах фирмы Maxim:
Архитектура ЗУ и регистров периферийных устройств платформы организована таким образом, что совокупность всех сетевых устройств может быть представлена как единая файловая система, что позволяет работать с сетью как с интегрированным носителем данных. Описание ее структуры приведено в AN114 1-Wire File Structure .
Номенклатура микросхем платформы 1-Wire и устройств iButton включает как простые носители кода идентификации, так и носители кода идентификации с дополнительными функциями, в т.ч.
- с функциями различных типов ЗУ - Memory EPROM, EEPROM, ROM, NV SRAM ;
- с функциями измерения температуры - Temperature Sensors ;
- с функциями мониторинга, защиты и конфигурирования элементов электропитания - Battery Monitors, Protectors, and Selectors и Battery ID and Authentication ;
- с функциями хронирования - Timekeeping & Real-Time Clocks ,
Вся схемотехника, реализующая архитектуру, уже заложена в микросхемах платформы. При разработке периферийных устройств разработчику остается только добавить обвязку для сопряжения с датчиками, актюаторами и устройствами индикации, элементы защиты внешних цепей и, если потребуется, элементы внешнего электропитания. При разработке интерфейсных адаптеров необходима, соответственно, обвязка для сопряжения микросхем - драйверов магистрали с интерфейсом контроллера сети. На рис. 6 в качестве примера приведен фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн.
Рис.6. Фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн
На базе комплектующих 1-Wire, выпускаемых фирмой Maxim, производится достаточно большое разнообразие конструктивно и функционально законченных устройств для систем автоматизации, в т.ч. для «умного» дома. Такие устройства включают различные адаптеры и серверы магистрали, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, датчики, кабели и пр. Номенклатура, характеристики и цены таких устройств приведены на сайтах их производителей, к числу наиболее известных из которых относятся:
Наиболее развитую номенклатуру OEM-устройств, включающую в т.ч. и управляемые розетки для коммутации электропитания, предлагает НТЛ ЭлИн. За рубежом наибольшей популярностью пользуются модули фирмы Embedded Data Systems. Однако в целом число OEM-производителей невелико, они не относятся к категории «гигантов» индустрии средств автоматизации и, кроме того, в значительной степени ориентированы на рынок домашних умельцев.
Рис.7. Примеры OEM-модулей 1-Wire
Фирма Maxim Integrated предоставляет для программирования систем на базе 1-Wire библиотеки API и SDK для широкого ряда платформ - персональных компьютеров с ОС Windows/Linux/MacOS, мобильных устройств, микроконтроллеров, .NET и JAVA. Их общее описание приведено в AN155 , а описание конкретных пакетов со ссылками на скачивание дистрибутивов и документации приведено в следующих документах:
Предлагается также программный cканер сети OneWire Viewer , позволяющий находить и идентифицировать подключенные к сети устройства и отображать полный перечень их параметров и данных.
Из сторонних разработок наибольший интерес представляют следующие:
Существует также большое число специализированных программ, разрабатываемых под узкие задачи (см., например, для модулей НТЛ ЭлИн).
