摘要：設(shè)計(jì)1-Wire網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常需要考慮的一個(gè)問題就是確定適當(dāng)?shù)幕謴?fù)時(shí)間，以確保為寄生供電的1-Wire從器件提供足夠的電能。本文分析了確定對(duì)供電有嚴(yán)格要求事件所需的1-Wire協(xié)議，并提供了不同1-Wire從機(jī)數(shù)、不同工作電壓以及溫度條件下的恢復(fù)時(shí)間計(jì)算方法。

引言

本應(yīng)用筆記適用于典型的1-Wire網(wǎng)絡(luò)，該1-Wire網(wǎng)絡(luò)由帶上拉電阻的1-Wire驅(qū)動(dòng)器(主控制器)和1個(gè)或多個(gè)1-Wire從機(jī)器件組成，如圖1所示。大多數(shù)1-Wire器件都是寄生供電，這就意味著1-Wire總線同時(shí)作為電源線和雙向數(shù)據(jù)線。1-Wire協(xié)議規(guī)定無通信時(shí)進(jìn)入空閑狀況，1-Wire從器件恰好能從總線獲取電源。限制1-Wire從器件可用電源數(shù)目的臨界參數(shù)是恢復(fù)時(shí)間tREC。產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料中規(guī)定了tREC的大小，并給出了只在單從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)中有效的讀/寫波形。


圖1. 1-Wire網(wǎng)絡(luò)典型框圖


圖2. 啟動(dòng)過程的時(shí)序圖：復(fù)位和應(yīng)答脈沖

圖2所示為最新1-Wire器件數(shù)據(jù)資料中給出的復(fù)位/在線應(yīng)答檢測周期。恢復(fù)時(shí)間開始于在線應(yīng)答脈沖之后，并在下一個(gè)時(shí)隙的下降沿結(jié)束。通常情況下，所選取的tRSTL和tRSTH持續(xù)時(shí)間相同。標(biāo)準(zhǔn)速率下，tRSTL為480μs。在最壞的情況下，tPDH + tPDL為300μs，tREC為180μs。高速模式下，則上述時(shí)間值較短，是標(biāo)準(zhǔn)速率下的1/10，tREC減少至18μs。與數(shù)據(jù)資料規(guī)定的tREC最小值相比，留出了一些時(shí)間余量以使寄生電源(從機(jī)內(nèi)的一個(gè)電容)再充電。因此，只要tRSTL不超過數(shù)據(jù)資料中的最大極限值，并且寄生電源在tRSTL開始之前達(dá)到充電飽和，復(fù)位/在線應(yīng)答檢測周期就不是電源設(shè)計(jì)考慮中的關(guān)鍵因素。在高速模式下，復(fù)位脈沖之前的恢復(fù)時(shí)間值延長為最小值的2.5倍，在此期間寄生電源可進(jìn)行額外充電。標(biāo)準(zhǔn)速率下，復(fù)位脈沖之前的擴(kuò)展恢復(fù)時(shí)間值是任意的。

下文給出的讀/寫時(shí)序框圖由三個(gè)波形組成：寫1時(shí)隙-寫邏輯1；寫0時(shí)隙-寫邏輯0；讀數(shù)據(jù)時(shí)隙-從1-Wire從機(jī)器件讀取一位。從圖3中很容易看出，寫1時(shí)隙對(duì)供電的要求并不嚴(yán)格。標(biāo)準(zhǔn)速率下供電窗口(tSLOT-tW1L)至少為50μs，高速模式下至少為6μs。而高速模式下的6μs剛剛超過tREC的最小規(guī)定值。在寫0時(shí)隙中，由于總線為低電平的時(shí)間相較恢復(fù)時(shí)間而言要長一些，因此寫0時(shí)隙對(duì)于供電的要求更為苛刻，尤其是在一行有多個(gè)0時(shí)。數(shù)據(jù)資料中給出的tREC適合用2.2kΩ上拉電阻將總線驅(qū)動(dòng)至2.8V的單從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)，正確理解這一點(diǎn)是非常重要的。在讀數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行讀0操作時(shí)，對(duì)供電的要求也很嚴(yán)格。然而，由于通常從機(jī)拉低1-Wire總線，并至少保持60μs (標(biāo)準(zhǔn)速率)或6μs (高速模式)，因而是比較有利的一個(gè)方面。

本應(yīng)用筆記闡述了如何設(shè)置寫0時(shí)隙中的tREC以及派生值tSLOT，以確保多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)中有足夠的電源。如果得出的數(shù)值還被用于讀數(shù)據(jù)時(shí)隙和寫1時(shí)隙，那么tSLOT決定了在特定1-Wire網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠通信所需的最大數(shù)據(jù)速率。

寫1時(shí)隙

寫0時(shí)隙

讀數(shù)據(jù)時(shí)隙

圖3. 讀/寫時(shí)序圖

影響參數(shù)

在分析供電時(shí)的恢復(fù)時(shí)間時(shí)，需考慮幾個(gè)主要參數(shù)和次要參數(shù)。這些參數(shù)如下：

主要參數(shù)

從機(jī)數(shù)	所需的電源能量隨從機(jī)數(shù)增加而增大。
上拉電壓	電壓越高，耗能就越多。
通信速率	在高速模式下，寫0時(shí)隙的占空比較高。
1-Wire驅(qū)動(dòng)器類型	“智能”驅(qū)動(dòng)器需要更多的電量。

次要參數(shù)

工作溫度	低溫1-Wire器件需要較多的電量。
電纜長度	電纜電容也需要進(jìn)行充電。
1-Wire器件類型	某些器件比其他器件需要更多或更少的電量。

我們先從數(shù)據(jù)資料給出的條件開始分析：一個(gè)帶2.2kΩ上拉電阻器(上拉至2.8V)的驅(qū)動(dòng)器、最壞情況下的溫度，總線上有單個(gè)1-Wire從機(jī)器件，以及可忽略的電纜電容。本文以1-Wire從機(jī)器件的個(gè)數(shù)為主要參數(shù)，并提供不同工作電壓、速率以及溫度下恢復(fù)時(shí)間的值。如果1-Wire驅(qū)動(dòng)器和從機(jī)之間的電纜非常重要，那么在計(jì)算中每15米長的電纜就可等效成一個(gè)附加的從機(jī)器件。

這里得出的結(jié)果適合典型的1-Wire從機(jī)器件，可以實(shí)現(xiàn)ROM功能、通用寄存器讀功能以及SRAM寫功能。寫EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換以及SHA-1計(jì)算有特定的供電要求(如強(qiáng)上拉)，具體依器件而定，這不影響該計(jì)算方法的有效性。就ROM功能和存儲(chǔ)器讀操作而言，1-Wire EPROM器件也被視為典型器件；為了實(shí)現(xiàn)編程目的，只允許在網(wǎng)絡(luò)上掛接單個(gè)EPROM器件。

結(jié)果矩陣

用線性公式：tREC = a * N + b，計(jì)算恢復(fù)時(shí)間的大小。假設(shè)所有從機(jī)器件并聯(lián)在1-Wire線路和接地基準(zhǔn)之間，則N表示網(wǎng)絡(luò)中寄生供電的從機(jī)器件數(shù)。由VCC引腳供電的1-Wire從機(jī)器件不會(huì)明顯給1-Wire總線加載；它們應(yīng)計(jì)為器件的1/10。斜率'a'隨溫度、工作(上拉)電壓以及1-Wire速率變化而變化。本文中讓失調(diào)量'b'僅隨速率變化就足夠了。表1所列是含有斜率和失調(diào)量的公式。通過手動(dòng)曲線擬合產(chǎn)生數(shù)字值；則結(jié)果近似與基于科學(xué)模型通過迭代法得到的結(jié)果吻合。N = 1時(shí)，該結(jié)果矩陣不能產(chǎn)生與器件數(shù)據(jù)資料中一樣的數(shù)據(jù)。這一數(shù)值差異是曲線擬合的偏差，不應(yīng)被視為與規(guī)范要求沖突。

表1. 結(jié)果矩陣

Operating Voltage (V)	Temperature (°C)	Standard Speed (μs)	Overdrive Speed (μs)
4.5 and higher	-40	tREC = 2.12 × N + 1.0	tREC = 1.43 × N + 0.5
	-5	tREC = 1.99 × N + 1.0	tREC = 1.37 × N + 0.5
	+25	tREC = 1.83 × N + 1.0	tREC = 1.30 × N + 0.5
	+85	tREC = 1.54 × N + 1.0	tREC = 1.18 × N + 0.5
2.8 (minimum)	-40	tREC = 3.52 × N + 1.0	tREC = 1.82 × N + 0.5
	-5	tREC = 3.30 × N + 1.0	tREC = 1.80 × N + 0.5
	+25	tREC = 3.17 × N + 1.0	tREC = 1.74 × N + 0.5
	+85	tREC = 2.70 × N + 1.0	tREC = 1.63 × N + 0.5

低工作電壓和低溫下的恢復(fù)時(shí)間最長。如果應(yīng)用要求工作在極低的溫度下，則應(yīng)選用-40°C項(xiàng)。室溫環(huán)境下，可選用+25°C項(xiàng)，并且溫度更高時(shí)該項(xiàng)也適合，能保證安全工作。+85°C項(xiàng)則產(chǎn)生一個(gè)僅應(yīng)用在+85°C溫度下的結(jié)果；應(yīng)該作為一個(gè)基準(zhǔn)，不作為其他溫度的設(shè)計(jì)值。

高工作電壓下的恢復(fù)時(shí)間最短。上拉電壓為4.5V或更高時(shí)應(yīng)選用4.5V項(xiàng)。2.8V項(xiàng)對(duì)應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間也適用于更高的電壓，但不會(huì)降低數(shù)據(jù)速率。工作電壓Vx在2.8V和4.5V之間時(shí)，可通過線性插補(bǔ)獲得新斜率值：Slope@Vx = Slope@2.8V - (Vx - 2.8V)/1.7V * (Slope@2.8V - Slope@4.5V)。

實(shí)例

假定某應(yīng)用需要一個(gè)帶有10個(gè)1-Wire器件(N = 10)的網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)速率下tW0LMIN = 60μs，高速模式下為6μs。(這些數(shù)值來自于器件的數(shù)據(jù)資料，對(duì)于不同的器件類型，采用tW0LMIN的最大值。) 假定該網(wǎng)絡(luò)工作在0°C至70°C溫度下。工作電壓未定。適合該溫度范圍的項(xiàng)為-5°C，因?yàn)樗堑陀谧钚」ぷ鳒囟惹遗c之最接近的數(shù)值。由于更高溫度下的斜率比-5°C時(shí)的斜率低，因此該結(jié)果對(duì)于高于-5°C的所有溫度是有效的。表2列出該實(shí)例的tREC以及具有恢復(fù)時(shí)間的最大數(shù)據(jù)速率。

在標(biāo)準(zhǔn)速率下，數(shù)據(jù)速率降至單從機(jī)網(wǎng)絡(luò)15.3kbps基準(zhǔn)的大約70%。在高速模式下，數(shù)據(jù)速率低于125kbps基準(zhǔn)的40%。如果表2中數(shù)據(jù)速率都適合應(yīng)用，則工作電壓的選擇不重要。然而，如果可提供大約5V的工作電壓，則具有較好的噪聲抑制性，應(yīng)將其做為首選。

表2. 實(shí)例計(jì)算結(jié)果(N = 10)

Operating Voltage (V)	Standard Speed	Overdrive Speed
4.5 and higher	tREC = (19.9 + 1)μs = 20.9μs data rate = 1/(60μs + 20.9μs) = 12.3kbps	tREC = (13.7 + 0.5)μs = 14.2μs data rate = 1/(6μs + 14.2μs) = 49.5kbps
2.8 (minimum)	tREC = (33.0 + 1)μs = 34μs data rate = 1/(60μs + 34μs) = 10.6kbps	tREC = (18.0 + 0.5μs) = 18.5μs data rate = 1/(6μs + 18.5μs) = 40.8kbps

可采用的改進(jìn)方法

如果該表中的恢復(fù)時(shí)間不能達(dá)到要求，還可以采用下列幾種方法提高數(shù)據(jù)速率。

1. 減小上拉電阻，例如，由2.2kΩ降至1kΩ。
   較低的電阻可使1-Wire網(wǎng)絡(luò)再充電電流加倍，這樣可減小50%的恢復(fù)時(shí)間。采用這種方法時(shí)，在讀數(shù)據(jù)時(shí)隙拉低1-Wire總線時(shí)，確認(rèn)每個(gè)從機(jī)器件是否能處理所增加的電流VPUP/RPUP是非常重要的。
2. 改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br>不采用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而是采用2個(gè)或多個(gè)更小的網(wǎng)絡(luò)，或用DS2409 1-Wire耦合器將一些從機(jī)器件從網(wǎng)絡(luò)的有源部分?jǐn)嚅_。
3. 考慮采用有源1-Wire驅(qū)動(dòng)器
   有源驅(qū)動(dòng)器采用晶體管臨時(shí)旁路上拉電阻。這樣允許1-Wire網(wǎng)絡(luò)以最快的速率進(jìn)行再充電，從而降低必需的恢復(fù)時(shí)間。

有源1-Wire驅(qū)動(dòng)器

Dallas Semiconductor產(chǎn)品中包含三個(gè)有源1-Wire驅(qū)動(dòng)器：DS2480B、DS2490和 DS2482。

DS2480B和DS2490具有同樣的5V 1-Wire驅(qū)動(dòng)器，但是有不同的主機(jī)接口。兩款器件的恢復(fù)時(shí)間均終止于1-Wire總線電壓超過規(guī)定門限的時(shí)候。采用DS2480B，只要1-Wire有效(例如，寫1字節(jié))，主機(jī)就能通過UART端接收一個(gè)應(yīng)答字節(jié)。采用USB兼容的DS2490，主機(jī)需要輪詢以檢測1-Wire有效性是否結(jié)束。

DS2482通過其I2C接口與主機(jī)通信。該器件的1-Wire側(cè)可工作在3.3V和5V電壓下。采用DS2482，當(dāng)1-Wire時(shí)隙結(jié)束時(shí)，恢復(fù)時(shí)間終止。如果有源上拉功能被激活，則在固定持續(xù)時(shí)間內(nèi)，可在1-Wire總線的上升沿提供額外的電量。DS2482比一個(gè)單純的阻性上拉強(qiáng)，但是不如DS2480B或DS2490。DS2482的8通道版本有助于將一個(gè)較大的應(yīng)用分離成幾個(gè)每線具有較少1-Wire器件的更小的網(wǎng)絡(luò)。采用DS2490時(shí)，DS2482的主機(jī)需要輪詢驅(qū)動(dòng)器芯片以檢測1-Wire有效性是否結(jié)束。

采用可作為智能1-Wire驅(qū)動(dòng)器的微控制器可以實(shí)現(xiàn)更大的靈活性，特別是驅(qū)動(dòng)一個(gè)物理的大型1-Wire網(wǎng)絡(luò)。該電路及其必需軟件所應(yīng)考慮事項(xiàng)的詳細(xì)描述，請(qǐng)參見Dallas應(yīng)用筆記244。這種驅(qū)動(dòng)器工作在3.3V或5V電壓下，具體取決于微控制器特性。

結(jié)束語

計(jì)算多從機(jī)器件1-Wire應(yīng)用所需的恢復(fù)時(shí)間是一個(gè)非常簡單和直觀的過程。對(duì)于1-Wire網(wǎng)絡(luò)，通常采用5V電壓是最佳選擇。對(duì)于更多的應(yīng)用來說，采用帶上拉電阻的1-Wire驅(qū)動(dòng)器就足夠了。對(duì)于大型的網(wǎng)絡(luò)，則需要帶有源上拉的驅(qū)動(dòng)器。

參考文獻(xiàn)：

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6. DS2409數(shù)據(jù)資料 MicroLAN耦合器。新設(shè)計(jì)中不推薦使用DS2409。
7. 應(yīng)用筆記192 DS2480B串行接口1-Wire線驅(qū)動(dòng)器的使用
8. 應(yīng)用筆記3684 如何使用帶有I2C接口的DS2482 1-Wire主控制器
9. 應(yīng)用筆記126 用軟件實(shí)現(xiàn)1-Wire通信